生物高分子

前言

　　在化學(xué)合成的高分子廣泛滲入人們生活的同時(shí)，其過(guò)分依賴(lài)石油資源的特性和不易降解而造成的環(huán)境問(wèn)題正日益引起人們的憂(yōu)慮。采用生物技術(shù)開(kāi)發(fā)來(lái)自生物質(zhì)的生物高分子已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。生物高分子性質(zhì)多樣、種類(lèi)豐富，其用途十分廣泛，可以制作生物基塑料、生物基纖維、生物醫(yī)用材料、食品添加劑、水處理劑、造紙用化學(xué)品、化妝品、清潔洗滌劑以及建材用品等。 　　微生物合成的高分子是指由微生物發(fā)酵直接獲得的一類(lèi)高分子，聚酯、聚氨基酸和微生物多糖則是目前研究最為活躍的三類(lèi)典型代表，這類(lèi)產(chǎn)品常見(jiàn)的有聚羥基脂肪酸酯、聚谷氨酸、聚賴(lài)氨酸、黃原膠、結(jié)冷膠、威蘭膠、透明質(zhì)酸和細(xì)菌纖維素等。這些生物高分子均是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，因?yàn)橐粊?lái)它們的合成原理大多尚不完全清晰，有待研究闡明的問(wèn)題很多，二來(lái)產(chǎn)品的應(yīng)用開(kāi)發(fā)前景看好。國(guó)內(nèi)外每年有大量關(guān)于微生物合成高分子的學(xué)術(shù)論文發(fā)表，其中不乏有令人振奮的進(jìn)展，如2008年“Nature”期刊上發(fā)表了有關(guān)聚賴(lài)氨酸合成酶分離獲得和合成機(jī)理模型建立的學(xué)術(shù)論文。然而，盡管文獻(xiàn)很多，但都呈零星出現(xiàn)，沒(méi)有一本專(zhuān)業(yè)書(shū)籍將其系統(tǒng)整理，如果能夠從微生物合成高分子的機(jī)理、生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化和應(yīng)用的角度來(lái)系統(tǒng)地介紹，將有利于人們對(duì)微生物合成生物高分子的認(rèn)識(shí)，從中發(fā)現(xiàn)許多共性機(jī)理，生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化和方法也可借鑒。 　　近十年來(lái)，作者一直從事微生物高分子生產(chǎn)與應(yīng)用方面的科學(xué)研究，在科技部重大科技項(xiàng)目“973”、“863”和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，以推進(jìn)這些新型生物高分子的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)為最終目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)室以及與合作企業(yè)進(jìn)行了較系統(tǒng)深入的研究，積累了大量的一線(xiàn)科研資料，以此為基礎(chǔ)，本書(shū)對(duì)這些具有代表性的生物高分子的微生物合成生產(chǎn)原理、工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐以及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的論述。 　　徐虹、李莎、馮小海、朱宏陽(yáng)、吳群、姚俊、張丹、張揚(yáng)、李會(huì)、沈曉波、汪芙蓉、徐錚、樊博參加了本書(shū)的編寫(xiě)與校稿工作；由歐陽(yáng)平凱負(fù)責(zé)全書(shū)的統(tǒng)籌策劃，徐虹負(fù)責(zé)全書(shū)統(tǒng)稿；李莎協(xié)助審閱了第二章、第六章、第七章；天津科技大學(xué)賈士儒教授幫助審閱了第五章；任賁幫助繪制了部分圖表；另外，編寫(xiě)過(guò)程中也參考了部分同行、專(zhuān)家、學(xué)者的研究成果和論著，在此一并表示感謝。 　　盡管作者在本書(shū)中力求注重系統(tǒng)性和完整性，并突出產(chǎn)品的具體應(yīng)用實(shí)踐，但由于編者水平有限，加上涉及的知識(shí)比較前沿，書(shū)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤和不足，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

目前，由于化石資源的日趨枯竭以及人類(lèi)生存對(duì)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求，如何開(kāi)發(fā)生態(tài)協(xié)調(diào)的工藝過(guò)程和產(chǎn)品得到廣大科學(xué)工作者的關(guān)注。化學(xué)合成高分子的大量生產(chǎn)和消費(fèi)，給人類(lèi)生活帶來(lái)了便利和品質(zhì)的提高，但同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。與傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)中的合成高分子相比，生物高分子具有許多優(yōu)良的特性和誘人的功能：具有生物可降解性、生物相容性；直接或間接來(lái)源于生物質(zhì)、而非石油資源，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；可在控制條件下大量生產(chǎn)；可進(jìn)行分子修飾改性。正是由于這些優(yōu)良特性，生物高分子受到了人們的青睞，特別是微生物合成生物高分子的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用逐漸成為研究的熱點(diǎn)。因此生物高分子材料的開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。     本書(shū)將就微生物合成生物高分子的原理與實(shí)踐展開(kāi)論述，為我國(guó)微生物合成生物高分子的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)提供一定的指導(dǎo)。具體內(nèi)容包括緒論以及涉及γ－聚谷氨酸、ε－聚賴(lài)氨酸、結(jié)冷膠類(lèi)多糖、細(xì)菌纖維素、透明質(zhì)酸和聚蘋(píng)果酸等生物高分子開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面的內(nèi)容。    全書(shū)內(nèi)容先進(jìn)、條理清晰，為生物及材料相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高等院校師生們提供了方便的教學(xué)用書(shū)，同時(shí)也可以作為進(jìn)入這一科技前沿的科技工作者研究的基礎(chǔ)資料，并可供從事生物高分子生產(chǎn)和科研的技術(shù)人員、研究人員作為參考書(shū)使用。

書(shū)籍目錄

第一章  緒論   第一節(jié)  生物高分子     一、生物高分子的種類(lèi)及性能     二、生物高分子的應(yīng)用與發(fā)展   第二節(jié)  微生物合成生物高分子的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向     一、聚氨基酸類(lèi)高分子     二、微生物多糖     三、聚酯類(lèi)高分子   參考文獻(xiàn) 第二章  γ－聚谷氨酸   第一節(jié)  概述     一、γ－聚谷氨酸的結(jié)構(gòu)與性能     二、γ－聚谷氨酸的應(yīng)用     三、γ－聚谷氨酸生物合成的概況   第二節(jié)  γ－聚谷氨酸的生物合成原理     一、γ－聚谷氨酸合成的關(guān)鍵酶及研究實(shí)例     二、γ－聚谷氨酸的生物合成途徑及研究實(shí)例   第三節(jié)  γ－聚谷氨酸的生產(chǎn)實(shí)踐     一、γ－聚谷氨酸生產(chǎn)菌株的選育及鑒定     二、γ－聚谷氨酸發(fā)酵工藝     三、γ－聚谷氨酸的分離提取及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)   第四節(jié)  γ－聚谷氨酸的應(yīng)用實(shí)踐     一、在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用     二、在化妝品領(lǐng)域中的應(yīng)用     三、在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用     四、吸水樹(shù)脂的制備及農(nóng)業(yè)應(yīng)用初探     五、作為肥料增效劑的初步應(yīng)用研究     六、γ－聚谷氨酸酯類(lèi)衍生物的制備與應(yīng)用   參考文獻(xiàn) 第三章  ε－聚賴(lài)氨酸   第一節(jié)  概述     一、ε－聚賴(lài)氨酸的結(jié)構(gòu)與性能     二、ε－聚賴(lài)氨酸的應(yīng)用     三、ε－聚賴(lài)氨酸生物合成的概況   第二節(jié)  ε－聚賴(lài)氨酸的生物合成原理     一、ε－聚賴(lài)氨酸合成的關(guān)鍵酶     二、ε－聚賴(lài)氨酸代謝途徑分析   第三節(jié)  ε－聚賴(lài)氨酸的生產(chǎn)實(shí)踐     一、ε－聚賴(lài)氨酸生產(chǎn)菌株的選育及鑒定     二、ε－聚賴(lài)氨酸發(fā)酵工藝條件優(yōu)化     三、ε－聚賴(lài)氨酸的分離提取及產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)   第四節(jié)  ε－聚賴(lài)氨酸的應(yīng)用實(shí)踐     一、在食品防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用     二、作為食療劑在保健食品中的應(yīng)用     三、在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用     四、作為吸水樹(shù)脂中的應(yīng)用     五、在生物科學(xué)研究中的應(yīng)用   參考文獻(xiàn) 第四章  結(jié)冷膠類(lèi)多糖   第一節(jié)  概述     一、結(jié)冷膠類(lèi)微生物多糖的結(jié)構(gòu)與性能     二、結(jié)冷膠類(lèi)微生物多糖的應(yīng)用     三、結(jié)冷膠類(lèi)多糖生物合成的概況   第二節(jié)  結(jié)冷膠類(lèi)多糖的生物合成原理     一、結(jié)冷膠類(lèi)多糖合成的關(guān)鍵酶及其基因     二、利用重組DNA技術(shù)提高結(jié)冷膠類(lèi)多糖生產(chǎn)菌的生產(chǎn)能力     三、結(jié)冷膠類(lèi)多糖生物合成機(jī)理   第三節(jié)  結(jié)冷膠類(lèi)多糖的生產(chǎn)實(shí)踐     一、威蘭膠生產(chǎn)菌株的選育     二、威蘭膠發(fā)酵工藝優(yōu)化及規(guī)?；a(chǎn)     三、結(jié)冷膠生產(chǎn)實(shí)例     四、威蘭膠的分離提取   第四節(jié)  威蘭膠的應(yīng)用     一、石油工業(yè)中的應(yīng)用     二、自密實(shí)混凝土添加劑     三、食品添加劑     四、油墨中的應(yīng)用     五、其他領(lǐng)域的應(yīng)用   參考文獻(xiàn) 第五章  細(xì)菌纖維素   第一節(jié)  概述     一、細(xì)菌纖維素的結(jié)構(gòu)與性能     二、細(xì)菌纖維素的應(yīng)用     三、細(xì)菌纖維素生物合成的概況   第二節(jié)  細(xì)菌纖維素的生物合成原理     一、細(xì)菌纖維素合成的關(guān)鍵酶     二、細(xì)菌纖維素的生物合成及調(diào)控   第三節(jié)  細(xì)菌纖維素的生產(chǎn)實(shí)踐     一、細(xì)菌纖維素生產(chǎn)菌株的選育及鑒定     二、發(fā)酵生產(chǎn)工藝     三、產(chǎn)物的純化和結(jié)構(gòu)表征   第四節(jié)  細(xì)菌纖維素的應(yīng)用研究     一、在食品工業(yè)中的應(yīng)用     二、在造紙工業(yè)中的應(yīng)用     三、在高級(jí)音響設(shè)備振動(dòng)膜上的應(yīng)用     四、在醫(yī)用材料中的應(yīng)用     五、在化妝品工業(yè)中的應(yīng)用     六、其他應(yīng)用     七、前景與展望   參考文獻(xiàn) 第六章  透明質(zhì)酸   第一節(jié)  概述     一、透明質(zhì)酸的結(jié)構(gòu)與性能     二、透明質(zhì)酸的應(yīng)用     三、透明質(zhì)酸生物合成的概況   第二節(jié)  透明質(zhì)酸的生物合成原理     一、HA合成的關(guān)鍵酶     二、 HA的生物合成及調(diào)控   第三節(jié)  透明質(zhì)酸的生產(chǎn)實(shí)踐     一、微生物發(fā)酵法生產(chǎn)HA的實(shí)例     二、透明質(zhì)酸的分離純化   第四節(jié)  透明質(zhì)酸的應(yīng)用研究     一、在醫(yī)藥方面的應(yīng)用     二、在化妝品中的應(yīng)用     三、在健康食品和美容方面的應(yīng)用     四、最新應(yīng)用研究   參考文獻(xiàn) 第七章  聚蘋(píng)果酸   第一節(jié)  概述     一、聚蘋(píng)果酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)     二、聚蘋(píng)果酸的應(yīng)用     三、聚蘋(píng)果酸生物合成的概況   第二節(jié)  聚蘋(píng)果酸的合成原理     一、化學(xué)合成法制備聚蘋(píng)果酸的原理     二、生物合成法制備聚蘋(píng)果酸的原理   第三節(jié)  聚蘋(píng)果酸的生產(chǎn)實(shí)踐     一、聚蘋(píng)果酸生產(chǎn)菌株的選育及鑒定     二、聚蘋(píng)果酸的生產(chǎn)工藝     三、產(chǎn)物的純化和結(jié)構(gòu)表征   第四節(jié)  聚蘋(píng)果酸的應(yīng)用研究     一、作為藥物載體的應(yīng)用     二、作為生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用     三、作為結(jié)構(gòu)性高分子材料方面的用途     四、其他用途   參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　許多微生物在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中，能夠合成附著在細(xì)胞表面或分泌到胞外溶液中的無(wú)定形黏液，此即為微生物胞外多糖（exopolysaccharide，EPS），又稱(chēng)微生物代謝膠。微生物多糖按其化學(xué)結(jié)構(gòu)不同可分為同型多糖和異型多糖。同型多糖的結(jié)構(gòu)只是由葡萄糖單位連接而成，而異型多糖的結(jié)構(gòu)中除單糖外還含有有機(jī)酸，其中糖基單位常為葡萄糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖和巖藻糖等，有機(jī)酸常為葡萄糖醛酸和甘露糖醛酸或丙酮酸等，因此又稱(chēng)為酸性多糖。　　微生物多糖是一類(lèi)重要的生物高分子，它以其分子結(jié)構(gòu)多樣性、獨(dú)特的物理學(xué)和流變學(xué)特性以及使用安全性，在工業(yè)生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。20世紀(jì)80年代繼黃原膠之后，美國(guó)Kelco公司陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一組新型的微生物多糖即結(jié)冷膠類(lèi)多糖，包括結(jié)冷膠（Gellan gum S-60）、威蘭膠（Welan gum S-130）、鼠李糖膠（Rhamsan gum S-194）、S-88、S-198、S-7、S-657和NW-11，它們具有相同的四糖重復(fù)單元主鏈結(jié)構(gòu)：D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖和L-鼠李糖，只是側(cè)鏈基團(tuán)數(shù)目和位置有些細(xì)微的區(qū)別。這些相同的和不同的結(jié)構(gòu)特征相組合，不僅使結(jié)冷膠類(lèi)多糖成為微生物多糖結(jié)構(gòu)和功能研究豐富的資源，而且也賦予了每一成員獨(dú)特且有用的物理性能。人們普遍認(rèn)為結(jié)冷膠類(lèi)多糖是近年來(lái)最具商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ奈⑸锒嗵恰?/pre>








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