作者:温才妃 杨芳 韦玮 来源:中国科学报 发布时间:2023/5/31 11:09:59
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她研制聚谷氨酸,建成首条生产线

 

5月30日,在第三届全国创新争先奖表彰大会上,南京工业大学食品与轻工学院教授徐虹荣获第三届全国创新争先奖章。徐虹创新采用全生物合成的方法研制了聚谷氨酸这一新型功能高分子,形成了从0到1的全新产业,带动下游形成千亿衍生市场,取得了突出的经济效益和社会效益。

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徐虹 受访者供图

一篇关于水母报道的阅读思索

1987年,徐虹硕士毕业后分配至南京化工学院(南京工业大学前身)工作,后师从欧阳平凯院士攻读博士学位。多年来,一直深耕生物化工领域,致力于功能性生物高分子材料及其应用研究。

功能性高分子与国民经济和人民生活紧密相关,用量高达1.2 亿吨/年,但大多依赖石油资源,存在不可降解等问题。“高分子家族中有一种类似蛋白结构的新型生物可降解成员聚氨基酸。”徐虹介绍,聚氨基酸是国内外研究热点,但其生物合成技术壁垒高。2000年以前,国内对生物高分子聚氨基酸的研究还是一片空白。

“是什么让水母在压力大、盐度高的生活环境里看起来很丰盈,没有产生脱水现象?”在阅读了一篇关于水母的报道后,徐虹不禁疑惑。经研究发现,水母体内含有一种叫作聚谷氨酸的物质。该物质是绿色可降解的生物聚合物,是聚氨基酸的一种,具有很强的保水性。

 “我们整整花了十年时间,在实验室里用微生物发酵的方法来生产、提取聚谷氨酸。” 徐虹说,聚谷氨酸在自然界仅存在于水母和纳豆里,大量获取非常困难。为此,她们在进行菌种筛选、优化,并进行机理研究后,搞清楚了微生物代谢合成聚谷氨酸的始末。在国家“863”课题“生物可降解型聚谷氨酸功能材料的制备研究”的资助下,徐虹课题组完成了拥有自主知识产权的聚谷氨酸合成研究,添补了行业空白,为我国增添了一种自主研究的、生物合成的聚氨基酸,并发现了其保水和吸附两大功效。

建成全球首条聚氨基酸十万吨生产线

“要实现聚氨基酸的产业化,就要使产物相对分子质量可控,尤其是要制取超高相对分子质量的产物。”徐虹表示,生物功能高分子聚谷氨酸,很难获得高效生产菌种;高粘发酵体系又阻碍溶氧传质与营养输送,产物积累少;发酵产物组分复杂及分离精制不易实现等大大阻碍着其产业化步伐。

为解决这些难题,徐虹团队与南京轩凯生物科技有限公司就生物合成聚谷氨酸的产业化生产开展合作。研究团队发现聚氨基酸生产菌株同时存在聚合酶和降解酶这两个关键酶的特有现象,并在国际上率先对其生产菌株的基因组进行测序,解析并揭示了两个酶的基因详细信息和功能,发明了以降解酶为“开关”调控产物相对分子质量和浓度的育种新技术,有效解决了聚谷氨酸菌种筛选方法及高效菌株获取问题。他们还创新采用醇析-盐析复合成型技术获得聚氨基酸晶体,该技术解决了高纯度产品获取、成型以及低值原料高效利用等问题。

这次产学研合作还实现不同分子量、不同构型的高分子生物合成,突破了高粘发酵体系低产瓶颈,建成全球首条10万吨级聚氨基酸、泛菌多糖生产线,实现该产业从0到1的突破,产品广泛应用于农业、环保、日化、食品等多个领域,并出口至欧洲、东南亚等地区。

 “我们生产的聚谷氨酸产品浓度较国际先进水平提高30%以上,底物转化率翻了一番还多,提取收率可达90%以上,乙醇用量大幅减少。” 南京轩凯生物科技有限公司联合创始人冯小海介绍说,2010年开始,聚氨基酸生物制备技术开始进行规模化推广应用。“功能性高分子聚氨基酸生物制备关键技术与产业化应用”项目,也获得了2014年度国家技术发明奖二等奖。

不断拓展绿色生物制造应用领域

聚氨基酸适用性广泛,其中,聚谷氨酸分子量的高低不同应用领域也不尽相同,既可用作日化保湿剂也可用作水处理剂。

一开始,徐虹团队围绕聚谷氨酸在日化用品方面的应用展开了系列研究,发明了“可穿戴”的水凝胶防晒面膜等。“用防晒霜为皮肤撑起一张具有优异的生物黏附性和防水性能的‘保护伞’,材料表面结构若发生破损,1分钟内即可恢复原有结构和形态,实现自愈。”南京工业大学教授王瑞介绍说。

下雨等原因会使农业生产中所施化肥流失,导致不仅利用率不高,还易对环境造成污染。“如果把聚谷氨酸添加到化肥中,能否牢牢‘锁’住磷肥、钾肥、氮肥,提高化肥利用率?”徐虹带领团队专门研究聚谷氨酸对农业的作用,并与江苏省农科院、南京农业大学展开合作,在水稻、小麦、玉米等作物和瓜果、烟草等经济作物上进行试验,结果表明聚谷氨酸对减少化肥的使用量、增加农作物产量等方面有显著作用。

徐虹团队面向国家化肥减施、农业提质增效等需求,成功开发出了包括聚谷氨酸、泛菌多糖等在内的十余种具有自主知识产权的微生源生物刺激素产品,其中泛菌多糖为国际首创;与企业合作建成了国内最大的年产10万吨的微生物源生物刺激素生产线。聚谷氨酸、泛菌多糖已应用于100家以上大型肥料与农药企业,包括云天化、新洋丰、河南心连心、湖北鄂中生态等国内农化头部企业,显著推动了化肥农药行业的科技进步。

“近三年,项目产品服务产出1000万吨特种增效肥,中国每5吨增效肥中有1吨使用了该技术成果生产的刺激素产品;研发了‘谷乐丰’品牌系列产品,近三年推广应用超6亿亩次。”徐虹说。

未来,徐虹将继续带领团队深耕聚谷氨酸行业,并将其运用到大健康、土壤修复、水处理、饲料以及创伤敷料、手术缝合线等更多领域,让科研惠及百姓、造福民生。

 
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