5月30日，記者從第三屆全國創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)表彰大會(huì)上獲悉，南京工業(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院徐虹教授榮獲第三屆全國創(chuàng)新爭(zhēng)先獎(jiǎng)?wù)隆Ｐ旌缃淌趧?chuàng)新采用全生物合成的方法研制了聚谷氨酸這一新型功能高分子，形成了從0到1的全新產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)下游形成千億衍生市場(chǎng)，取得了突出的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

來源   中國科協(xié)

一篇“水母報(bào)道”帶來的思考

1987年，徐虹碩士畢業(yè)后分配至南京化工學(xué)院（南京工業(yè)大學(xué)前身）工作，后師從歐陽平凱院士攻讀博士學(xué)位。多年來，一直深耕生物化工領(lǐng)域，致力于功能性生物高分子材料及其應(yīng)用研究。

功能性高分子與國民經(jīng)濟(jì)和人民生活緊密相關(guān)，用量高達(dá)1.2 億噸/年，但大多依賴石油資源，存在不可降解等問題。“高分子家族中有一種類似蛋白結(jié)構(gòu)的新型生物可降解成員聚氨基酸。”徐虹介紹，聚氨基酸在日化、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用潛力，是國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，但其生物合成技術(shù)壁壘高。2000年以前，國內(nèi)在生物高分子聚氨基酸領(lǐng)域的研究還是一片空白。

“為什么水母體內(nèi)水分充足，看起來很豐盈？”在閱讀了一篇關(guān)于水母的報(bào)道后，徐虹不禁產(chǎn)生了疑惑，“是什么讓水母在壓力大、鹽度高的生活環(huán)境里卻沒有產(chǎn)生脫水現(xiàn)象？”經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，水母體內(nèi)含有一種叫做聚谷氨酸的物質(zhì)。“是不是聽起來很熟悉？”談及聚谷氨酸，徐虹笑著說，“我們?nèi)粘３缘奈毒褪枪劝彼幔ㄢc），聚谷氨酸就是單分子谷氨酸聚合形成的大分子。”聚谷氨酸是綠色可降解的生物聚合物，是生命體所需的氨基酸聚合而成的活性物質(zhì)，具有很強(qiáng)的保水性，而且結(jié)構(gòu)中含有游離羧基，能螯合一些金屬元素。

“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里整整花了十年時(shí)間，用微生物發(fā)酵的方法來生產(chǎn)、提取聚谷氨酸。” 徐虹說，聚谷氨酸在自然界僅存在于水母和納豆里，大量獲取非常困難。為此，她們先做菌種篩選和優(yōu)化，再進(jìn)行機(jī)理方面的研究，搞清楚微生物怎樣代謝合成聚谷氨酸。在國家“863”課題“生物可降解型聚谷氨酸功能材料的制備研究”的資助下，徐虹課題組完成了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聚谷氨酸合成研究，添補(bǔ)了行業(yè)空白。由此，我國生物合成又增添了一種自主研究的聚氨基酸，并發(fā)現(xiàn)了其保水和吸附兩大功效。

建成全球首條聚氨基酸十萬噸生產(chǎn)線

“要實(shí)現(xiàn)聚氨基酸的產(chǎn)業(yè)化，滿足下游多元化的應(yīng)用，就要使產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量可控，尤其是要制取超高相對(duì)分子質(zhì)量的產(chǎn)物。”徐虹教授表示，聚谷氨酸是一類具有重要應(yīng)用價(jià)值的生物功能高分子，但是分子代謝調(diào)控復(fù)雜，很難獲得高效生產(chǎn)菌種；高粘發(fā)酵體系又阻礙溶氧傳質(zhì)與營養(yǎng)輸送，產(chǎn)物積累少；發(fā)酵產(chǎn)物組分復(fù)雜及分離精制不易實(shí)現(xiàn)等，這些都不利于其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

為解決這些難題，徐虹團(tuán)隊(duì)與南京軒凱生物科技有限公司就生物合成聚谷氨酸的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)開展合作。為了提高菌種生產(chǎn)聚氨基酸的濃度并獲得所要的相對(duì)分子質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了聚氨基酸精準(zhǔn)的合成代謝網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)聚氨基酸生產(chǎn)菌株同時(shí)存在聚合酶和降解酶這兩個(gè)關(guān)鍵酶的特有現(xiàn)象，并在國際上率先對(duì)聚氨基酸生產(chǎn)菌株的基因組進(jìn)行測(cè)序，解析并揭示了兩個(gè)酶的基因詳細(xì)信息和功能，發(fā)明了以降解酶為“開關(guān)”調(diào)控產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量和濃度的育種新技術(shù)，有效解決了聚谷氨酸菌種篩選方法及高效菌株獲取問題。

在生產(chǎn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)又采用酸化降粘、吸附過濾手段去除蛋白菌體等雜質(zhì)，并用超濾技術(shù)濃縮，獲得了高純度產(chǎn)品。他們還創(chuàng)新采用醇析-鹽析復(fù)合成型技術(shù)獲得聚氨基酸晶體，該技術(shù)解決了高純度產(chǎn)品獲取、成型以及低值原料高效利用等問題。

這次產(chǎn)學(xué)研合作不僅從理論層面上解決了技術(shù)難題，還通過分子設(shè)計(jì)、菌株選育、分子量與構(gòu)型調(diào)控、反應(yīng)器開發(fā)的集成技術(shù)，實(shí)破了高粘發(fā)酵體系低產(chǎn)瓶頸，實(shí)現(xiàn)不同分子量、不同構(gòu)型的高分子生物合成，建成全球首條10萬噸級(jí)聚氨基酸、泛菌多糖生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)業(yè)從0到1的突破，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保、日化、食品等多個(gè)領(lǐng)域，并出口至歐洲、東南亞等地區(qū)。

“2010年開始，聚氨基酸生物制備技術(shù)開始進(jìn)行規(guī)模化推廣應(yīng)用，我們生產(chǎn)的聚谷氨酸產(chǎn)品濃度較國際先進(jìn)水平提高30%以上，底物轉(zhuǎn)化率翻了一番還多，提取收率可達(dá)90%以上，乙醇用量大幅減少。” 南京軒凱生物科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人馮小海說道。該功能性高分子聚氨基酸生物制備關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目，也獲得了2014年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

拓展綠色生物制造應(yīng)用領(lǐng)域

聚氨基酸適用性廣泛，其中，聚賴氨酸可用作生物防腐劑，聚谷氨酸分子量的高低不同應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同，既可用作日化保濕劑也可用作水處理劑。

一開始，徐虹教授和團(tuán)隊(duì)圍繞聚谷氨酸在日化用品方面的應(yīng)用展開了系列研究，發(fā)明了“可穿戴”的水凝膠防曬面膜等。“在有需要的地方涂上防曬霜，可為皮膚撐起一張具有優(yōu)異的生物黏附性和防水性能的‘保護(hù)傘’，且在材料表面結(jié)構(gòu)發(fā)生破損時(shí)，能在1分鐘內(nèi)恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)和形態(tài)，像人體皮膚一樣自動(dòng)愈合。”課題組王瑞教授介紹說，產(chǎn)品優(yōu)異的性能一是源于γ-聚谷氨酸這種分子結(jié)構(gòu)含有大量的親水基團(tuán)，二是源于強(qiáng)大的黏附性能在與單寧酸分子組裝形成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠體系在皮膚表面構(gòu)筑了穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與皮膚表面形成多重相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了自修復(fù)功能。

在這個(gè)過程中，徐虹教授發(fā)現(xiàn)聚谷氨酸也可用作土壤肥料增效劑。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中下雨等原因會(huì)使化肥流失，導(dǎo)致化肥不僅利用率不高，還易對(duì)環(huán)境造成污染。“如果把聚谷氨酸添加到化肥中，是否能牢牢‘鎖’住磷肥、鉀肥、氮肥，提高化肥利用率？”于是，徐虹教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專門研究聚谷氨酸對(duì)農(nóng)業(yè)的作用，并與江蘇省農(nóng)科院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)展開合作，在水稻、小麥、玉米等作物和瓜果、煙草等經(jīng)濟(jì)作物上進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明聚谷氨酸對(duì)減少化肥的使用量、增加農(nóng)作物產(chǎn)量等方面有顯著作用。

徐虹教授及團(tuán)隊(duì)面向國家化肥減施、農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效等需求，成功開發(fā)出了包括聚谷氨酸、泛菌多糖在內(nèi)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微生物源生物刺激素產(chǎn)品十余種，其中泛菌多糖為國際首創(chuàng)；與企業(yè)合作建成了國內(nèi)最大的年產(chǎn)10萬噸的微生物源生物刺激素生產(chǎn)線。聚谷氨酸、泛菌多糖已應(yīng)用于100家以上大型肥料與農(nóng)藥企業(yè)，包括云天化、新洋豐、河南心連心、湖北鄂中生態(tài)等國內(nèi)農(nóng)化頭部企業(yè)，顯著推動(dòng)了化肥農(nóng)藥行業(yè)的科技進(jìn)步。

“近三年，項(xiàng)目產(chǎn)品服務(wù)產(chǎn)出1000萬噸特種增效肥，中國每5噸增效肥中有1噸使用了該技術(shù)成果生產(chǎn)的刺激素產(chǎn)品；研發(fā)了‘谷樂豐’品牌系列產(chǎn)品，近三年推廣應(yīng)用超6億畝次。”徐虹教授說道。

未來，徐虹教授將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深耕聚谷氨酸行業(yè)，并將其運(yùn)用到大健康、土壤修復(fù)、水處理、飼料以及創(chuàng)傷敷料、手術(shù)縫合線等更多領(lǐng)域，讓科研惠及百姓、造福民生。

通訊員 楊芳  韋瑋

揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞記者 楊甜子

校對(duì) 盛媛媛