微生物聚羟基脂肪酸酯

第1章　绪论 001

1.1　聚羟基脂肪酸酯概述 004

1.2　PHA的生理功能 007

1.3　PHA的单体组成和分类 008

1.4　PHA及单体的读写规则 010

1.5　PHA的材料学性质 012

1.6　PHA的应用 014

1.7　我国研究和开发PHA的基础 017

1.8　PHA研究发展过程中重要事件和人物 020

参考文献 023

第2章　PHA生物合成代谢途径 025

2.1　PHA生物合成代谢途径概述 026

2.1.1　主要的生物合成代谢途径 026

2.1.2　其他的生物合成代谢途径 029

2.2　PHA生物合成相关基因 030

2.3　PHA生物合成的关键 031

2.3.1　PHA聚合酶的分类 031

2.3.2　PHA聚合酶编码基因在基因组中的排列方式 032

2.3.3　PHA聚合酶的结构特征 034

2.3.4　对PHA聚合酶催化机制的推测 036

2.3.5　PHA聚合酶基因的克隆方案 036

2.4　PHA颗粒和PHA颗粒结合蛋白 038

2.4.1　PHA颗粒 038

2.4.2　PHA颗粒的结构 039

2.4.3　PHA颗粒的组装 040

2.4.4　PHA颗粒形成的计算机模拟 042

2.4.5　PHA颗粒表面结合蛋白 044

2.4.6　体外人工制备的PHA颗粒 048

2.4.7　PHA颗粒的应用 052

2.5　PHA生物合成代谢途径作为生物技术工具 060

2.5.1　PHA生物合成代谢途径对微生物生理状况的影响 060

2.5.2　PHA生物合成代谢途径调节了生物的代谢流 061

2.5.3　PHA生物合成代谢途径提高了微生物的抗逆性 062

2.5.4　PHA生物合成基因在工业微生物中的应用 063

参考文献 066

第3章　常见PHA的微生物发酵生产和提取 069

3.1　短链PHA的发酵生产 070

3.1.1　利用野生菌生产PHB及PHBV 070

3.1.2　利用重组大肠杆菌生产PHB及PHBV 076

3.1.3　新型短链PHA的生产 079

3.2　中长链PHA的发酵生产 083

3.2.1　利用嗜油假单胞菌生产中长链PHA 083

3.2.2　利用恶臭假单胞菌生产中长链PHA 083

3.2.3　利用其他假单胞菌生产中长链PHA 086

3.2.4　利用重组大肠杆菌合成中长链PHA 086

3.3　短链和中长链PHA共聚酯的发酵生产 088

3.3.1　利用气生单胞菌生产短链和中长链PHA共聚酯 088

3.3.2　利用假单胞菌生产短链和中长链PHA共聚酯PHBHA 093

3.3.3　利用短链PHA生产菌生产短链和中长链PHA共聚酯PHBHA 095

3.4　PHA均聚物的生产 099

3.4.1　短链PHA均聚物的生产 099

3.4.2　中长链PHA均聚物的生产 100

3.5　PHA的提取纯化原则及其工艺 101

3.5.1　PHA提取纯化方法的开发原则 101

3.5.2　短链PHA的提取纯化方法 103

3.5.3　中长链PHA的提取纯化方法 106

参考文献 107

第4章　PHA的其他生产方式和非常见PHA 111

4.1　利用活性污泥生产PHA 112

4.1.1　概述 112

4.1.2　利用活性污泥生产PHA的代谢机制 112

4.1.3　活性污泥中积累的PHA的种类 113

4.1.4　活性污泥生产PHA的工艺 113

4.1.5　活性污泥及其他混合培养积累PHA的微生物研究 114

4.1.6　活性污泥生产PHA的研究展望 115

4.2　利用转基因植物生产PHA 116

4.2.1　利用转基因植物生产PHA的概述 116

4.2.2　在植物细胞质中合成PHB 117

4.2.3　在植物质体中合成PHB 117

4.2.4　在植物线粒体或过氧物酶体中合成PHB 119

4.2.5　在植物中合成PHBV 119

4.2.6　在植物中合成中长链PHA 120

4.2.7　转基因植物生产PHA的研究展望 121

4.3　非常见PHA 122

4.3.1　非常见PHA概述 122

4.3.2　具有功能性侧链基团的MCL-PHA的研究 122

4.3.3　带新型主链结构PHA的生产和应用 130

参考文献 133

第5章　PHA的结构与性能 137

5.1　概述 138

5.2　PHA的分子结构 139

5.2.1　PHA的分类与特性 139

5.2.2　PHA分子结构的测定方法 140

5.3　PHA的凝聚态结构 143

5.3.1　PHA材料凝聚态结构的信息 143

5.3.2　PHA的结晶行为 146

5.3.3　光学手段检测PHA结构 148

5.3.4　X射线衍射 151

5.3.5　二次谐波（SHG）的研究 153

5.3.6　红外光谱的研究 157

5.3.7　介电谱的研究 163

5.3.8　固态NMR的研究 164

5.3.9　太赫兹技术在PHA的应用 165

5.4　PHA的物理性能 166

5.4.1　PHA的热性能 166

5.4.2　力学性能 169

5.4.3　光电性能 170

5.5　PHA的化学性质 171

5.5.1　PHA的热降解行为 171

5.5.2　PHA的水解 174

5.5.3　PHA的环境降解 175

5.5.4　PHA的酶降解 175

5.6　PHA的化学改性 179

5.7　PHA的加工 181

5.7.1　PHA的溶液加工 181

5.7.2　PHA的热加工 182

5.8　PHA性能的改进 184

5.8.1　加工工艺的改进 184

5.8.2　PHA的共混改性 188

参考文献 189

第6章　手性羟基脂肪酸的生产和应用 195

6.1　手性羟基脂肪酸的概述 196

6.2　手性羟基脂肪酸的主要生产方法 196

6.2.1　化学方法直接合成手性羟基脂肪酸 196

6.2.2　化学方法降解聚羟基脂肪酸酯 197

6.2.3　生物酶法降解聚羟基脂肪酸酯 198

6.2.4　生物转化法生产手性羟基脂肪酸 201

6.2.5　利用基因工程菌直接生物合成手性羟基脂肪酸 202

6.3　手性羟基脂肪酸单体及低聚体的主要应用 205

6.3.1　手性羟基脂肪酸作为昂贵化合物合成的手性起始原料 205

6.3.2　利用手性羟基脂肪酸合成内酯、环状低聚物、树状及

手性线状聚合物 206

6.3.3　手性羟基脂肪酸的生理作用 207

6.3.4　手性羟基脂肪酸的潜在药用价值 207

6.4　前景和展望 208

参考文献 208

第7章　PHA在医药领域的研究和应用 211

7.1　PHA及其降解产物的医用研究历史概述 212

7.2　PHA作为手术器械材料的研究 214

7.2.1　手术缝合线 215

7.2.2　防粘连膜 217

7.3　PHA作为组织工程支架材料的研究进展 218

7.3.1　心血管组织工程 218

7.3.2　骨组织工程 221

7.3.3　软骨组织工程 223

7.3.4　神经导管组织工程 225

7.3.5　食管组织工程 227

7.3.6　皮肤组织工程 228

7.3.7　PHA作为组织工程支架材料的前景和展望 228

7.4　PHA作为药物载体材料研究 229

7.5　PHA降解产物的医疗保健作用研究 238

7.5.1　低聚物和单体的细胞相容性研究 238

7.5.2　HB单体对骨质疏松症的治疗研究 239

7.5.3　HB单体对糖尿病的治疗研究 240

7.5.4　HB单体对神经退行性疾病的治疗研究 240

7.5.5　PHA降解产物作为药物的前景与展望 242

参考文献 242

第8章　PHA在塑料工业及其他领域的研究和应用 247

8.1　生物可降解塑料简介 248

8.2　生物可降解塑料的分类 249

8.3　PHA在塑料工业领域的研究和应用 250

8.3.1　对PHA降解性能的改性 251

8.3.2　PHA用于塑料包装业的可能性 254

8.3.3　PHA类产品用于食品包装业的可能性 255

8.4　PHA类产品用于塑料业的经济性评价 256

8.5　PHA在其他领域的应用 257

参考文献 258

第9章　PHA的产业化和展望 259

9.1　PHA的产业化 260

9.2　从石油塑料到生物可降解塑料 265

9.3　常见生物可降解塑料的性质及生产历史 266

9.3.1　聚乳酸 266

9.3.2　第一代商业化PHA材料PHB 267

9.3.3　第二代商业化PHA材料PHBV 270

9.3.4　第三代商业化PHA材料PHBHHx 271

9.3.5　第四代商业化PHA材料的研究进展及瓶颈 272

9.4　世界主要PHA生产企业 273

9.5　我国PHA研究生产情况 277

9.6　PHA的科学研究前景 281

9.6.1　研究短链PHA的发酵生产前景和展望 281

9.6.2　中长链PHA的发酵生产的前景和展望 282

9.6.3　短链中长链共聚的PHA发酵和生物合成的前景和展望 283

参考文献 284

附录　部分菌种拉丁文-中文译文对照表 285

本书为《天然高分子基新材料》丛书之一。微生物生物基材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)进入市场多年了，但由于石油基塑料价格一直稳定，昂贵的PHA市场一直很小。所以，未来必须通过新技术降低PHA的生产成本，或者开发功能性的PHA来提高其价值。我国PHA领域的研究在世界范围内是最活跃的，基础研究活跃开展，进一步促进了我国PHA产业发展，我国目前具有世界最多的PHA生产企业。这为PHA产业链形成做好了技术和物质储备。 但是，由于目前页岩气的大规模开采，石油价格在短时间内不会有大的波动，所以石油材料（塑料）价格也不会有大的波动。未来PHA大规模产业化竞争性还有赖于产业链的形成，包括把PHA应用来作为材料的产业，把 PHA用来作为医用生物材料。以及把废水中的PHA作为燃料的产业，还有把PHA单体作为药物、药物中间体以及手性化学品的产业等。总之，PHA产业化之路才刚刚开始，要克服的困难还很多。毫无疑问，随着人们对可持续发展的日益重视，PHA生物产业不久将引来大发展的时机。【作者简介】陈国强教育部“长江学者”特聘教授，博士生导师　　1985年毕业于华南理工大学，1989年获得奥地利格拉茨(Graz)工业大学博士学位。1990―1994年在英国诺丁汉(Notthingham)大学和加拿大阿尔伯达(AIberta)大学做博士后研究，1997年被聘为清华大学教授，现为国家“973”项目首席科学家。　　 长期从事“微生物和生物材料”的研究。在国际学术期刊上共发表微生物技术和生物材料相关论文200多篇，论文(WebofScience)被他人引用超过5200次(H指数为41)。　　获得授权专利27项，35个公开专利，有的技术已经在数家公司用于大规模生产微生物塑料聚羟基脂肪酸酯(PHA)。现担任国际国内学术期刊ournal of Biotechnology，Microbial Cell Factories和 Biotech-nology Journal以及《中国生物工程学报》副主编。另担任Current Opinions ln Biotechnology，AppliedMicrobiology and Bioeechnology和Biomaterials等8个英文期刊编委。曾获得的荣誉包括教育部长江学者特聘教授(2004)、第八届中国青年科技奖(2004)、自然科学基金委国家杰出青年(2002)、纽伦堡国际发明奖(2003)、国家发明二等奖(排名第一)(2002)、谈家祯生命科学创新奖(2011)、茅以升科技奖(2004)、教育部高校青年教师奖等(2004)、首届闵恩泽“能源化工杰出贡献奖”(2013)。还曾连续6年获得清华大学学生“良师益友”的光荣称号，连续7年获得清华大学高论文他引次数和影响力的“纪念梅贻琦学术论文奖”。