近日，南京工業大學食品與輕工學院徐虹教授榮獲第三屆全國創新爭先獎章。徐虹創新采用全生物合成方法研制出功能性高分子聚谷氨酸，形成了“從0到1”的全新產業，取得了顯著的經濟和社會效益。
一篇報道后的深思
“高分子家族中有一種類似蛋白結構的新型生物可降解成員聚氨基酸。”徐虹介紹說，聚氨基酸是國內外研究熱點，但其生物合成技術壁壘高。2000年以前，國內在生物高分子聚氨基酸領域的研究還是一片空白。
在閱讀了一篇關于水母的報道后，徐虹不禁產生了疑惑：“是什么讓水母在壓力大、鹽度高的生活環境里仍沒有產生脫水現象?”經研究發現，水母體內含有一種叫做聚谷氨酸的物質。
“味精就是谷氨酸(鈉)，而聚谷氨酸是單分子谷氨酸聚合形成的大分子。”徐虹介紹說，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，具有很強的保水性。
“我們在實驗室里整整花了十年時間，用微生物發酵的方法來生產、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中，大量獲取非常困難。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產權的聚谷氨酸合成研究，填補了行業空白。由此，我國生物合成又增添了一種自主研究的聚氨基酸，并發現了其保水和吸附兩大功效。
建成10萬噸級生產線
徐虹表示，聚谷氨酸的生物合成難度較大，其分子代謝調控復雜，很難獲得高效生產菌種;高黏發酵體系又阻礙溶氧傳質與營養輸送，產物積累少;而且發酵產物組分復雜及分離精制不易實現。這些都不利于其進行產業化。
為解決這些難題，徐虹團隊與南京軒凱生物科技有限公司就生物合成聚谷氨酸的產業化生產開展合作。為了提高菌種生產聚氨基酸的濃度并獲得所要的相對分子質量，研究團隊構建了聚氨基酸精準的合成代謝網絡，發現聚氨基酸生產菌株同時存在聚合酶和降解酶這兩個關鍵酶的特有現象，發明了以降解酶為“開關”調控產物相對分子質量和濃度的育種新技術。
在生產過程中，研究團隊又采用酸化降黏、吸附過濾手段去除蛋白菌體等雜質，并利用超濾濃縮技術，獲得了高純度產品。他們還創新采用醇析—鹽析復合成型技術獲得聚氨基酸晶體，解決了高純度產品獲取、成型以及低值原料高效利用等問題。
這次合作不僅從理論層面上解決了技術難題，還通過分子設計、菌株選育、相對分子質量與構型調控、反應器開發的集成技術，打破了高黏發酵體系低產瓶頸，實現不同相對分子質量、不同構型的高分子生物合成，建成全球首條10萬噸級聚氨基酸生產線，產品出口至歐洲、東南亞等地區。
“2010年開始，聚氨基酸生物制備技術開始進行規模化推廣應用。我們生產的聚谷氨酸產品濃度較國際先進水平提高30%以上，底物轉化率翻了一番還多，提取收率可達90%以上，乙醇用量大幅減少。”南京軒凱生物科技有限公司聯合創始人馮小海說道。
持續拓展應用領域
起初，徐虹帶領團隊圍繞聚谷氨酸在日化用品方面的應用展開了系列研究，發明了可穿戴的水凝膠防曬面膜等。后來，徐虹發現聚谷氨酸也可用作土壤肥料增效劑。農業生產中下雨等原因會使化肥流失，導致化肥不僅利用率不高，還易對環境造成污染。
“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，徐虹帶領團隊專門研究聚谷氨酸對農業的作用，并與江蘇省農科院、南京農業大學展開合作，在水稻、小麥、玉米等作物和瓜果、煙草等經濟作物上進行試驗。結果表明，聚谷氨酸對減少化肥的使用量、增加農作物產量等方面有顯著作用。
未來，徐虹將繼續帶領團隊深耕聚谷氨酸行業，并將其運用到大健康、土壤修復、水處理、飼料以及創傷敷料、手術縫合線等更多領域，讓科研惠及百姓、造福民生。
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