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〔新華社客戶(hù)端江蘇頻道〕創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先獎(jiǎng)|南京工業(yè)大學(xué)徐虹:科研精神是守得云開(kāi)見(jiàn)月明
“科研精神就是耐住寂寞,守得云開(kāi)見(jiàn)月明?!痹谀暇┕I(yè)大學(xué)食品與輕工學(xué)院徐虹教授看來(lái),致力于功能性生物高分子材料及其應(yīng)用研究是一個(gè)光榮的使命。

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(yáng)平凱院士攻讀博士學(xué)位。多年來(lái),她一直深耕生物化工領(lǐng)域,創(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。
徐虹教授說(shuō):“未來(lái),我將繼續(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(xiàn)等更多領(lǐng)域,讓科研成果惠及百姓、造福民生?!?/p>

一篇關(guān)于水母報(bào)道的閱讀思索,填補(bǔ)行業(yè)空白
功能性高分子與國(guó)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(lài)石油資源,存在不可降解等問(wèn)題。“高分子家族中有一種類(lèi)似蛋白結(jié)構(gòu)的新型生物可降解成員聚氨基酸?!毙旌缃榻B,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(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn),但其生物合成技術(shù)壁壘高。在2000年以前,國(guó)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(lái)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(méi)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(tīng)起來(lái)很熟悉?”談及聚谷氨酸,徐虹笑著說(shuō),“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?!本酃劝彼崾蔷G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(lái)生產(chǎn)、提取聚谷氨酸?!毙旌缯f(shuō),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,他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(guó)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(guó)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(wàn)噸生產(chǎn)線(xiàn),實(shí)現(xiàn)從0到1的突破
“要實(shí)現(xiàn)聚氨基酸的產(chǎn)業(yè)化,滿(mǎn)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?!毙旌缃淌诒硎?,聚谷氨酸是一類(lèi)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(yíng)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(kāi)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)菌株的同時(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(guó)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(kāi)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(wèn)題。
在生產(chǎn)過(guò)程中,研究團(tuán)隊(duì)又采用酸化降粘、吸附過(guò)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(wèn)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(guò)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(kāi)發(fā)的集成技術(shù),突破了高粘發(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(wàn)噸級(jí)聚氨基酸、泛菌多糖生產(chǎn)線(xiàn),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(kāi)始,聚氨基酸生物制備技術(shù)開(kāi)始進(jìn)行規(guī)?;茝V應(yīng)用,我們生產(chǎn)的聚谷氨酸產(chǎn)品濃度較國(guó)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(shuō)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(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

不斷拓展綠色生物制造應(yīng)用領(lǐng)域,賦能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)
聚氨基酸適用性廣泛,其中,聚賴(lài)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(kāi)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(kāi)了系列研究,發(fā)明了“可穿戴”的水凝膠防曬面膜等?!霸谟行枰牡胤酵可戏罆袼?,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?!闭n題組王瑞教授介紹說(shuō),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(guò)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?!叭绻丫酃劝彼崽砑拥交手?,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(zhuān)門(mén)研究聚谷氨酸對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的作用,并與江蘇省農(nóng)科院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)展開(kāi)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(guó)家化肥減施、農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效等需求,成功開(kāi)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(guó)際首創(chuàng)。團(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作建成了國(guó)內(nèi)最大的年產(chǎn)10萬(wàn)噸的微生物源生物刺激素生產(chǎn)線(xiàn),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(guó)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(wàn)噸特種增效肥,中國(guó)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(lè)豐’品牌系列產(chǎn)品,近3年推廣應(yīng)用超6億畝次?!毙旌缃淌诮榻B。(韋瑋 楊芳 閆瑞 盧雨辰 邢知潔 朱秋勤)
2023年5月30日《新華社客戶(hù)端江蘇頻道》:https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11527441



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