一． 新型生物材料—多聚羟基烷酸

（一）研究开发的背景

    新材料技术是当今世界新技术革命的一个重要发展方向，将为人类的科技进步提供新的物质基础。世界上每当出现一种重要的新材料，都会引发一场技术与社会进步，历史上铜、铁、铝的出现是如此，不久前出现的塑料、半导体、超导材料是如此，正在兴起的纳米新材料和生物新材料也将会如此。生物新材料是以生物为作用剂，采用生物技术生产的新型生物材料，如多糖、聚脂、蛋白等。这些新型生物材料不仅具有广泛、重要的用途，而且在生产与应用过程中不会造成环境污染，属于当今社会所倡导的生态环境友好型材料。因此研发新型生物材料成为目前科技界的热点课题。 近年来，生物学工作者发现某些细菌能够合成一类叫做多聚羟基烷酸（ PHAs ）的物质。这类物质不仅具有热塑材料的全部优良特性，而且具有良好生物可降解性、生物可再生性、生物相容性、降解产物无毒性及表面可修饰性等性质，这便使之有了非常广泛而重要的用途。不仅可以作为新型热塑材料用于农业、食品、轻工、化工和人们的日常生活中，而且可以用在医疗卫生方面，如手术缝合线、创口敷膜、介入疗法器械等。近来医学组织工程在人工培养器官方面取得了成功，并且证明 PHAs 是体内外培养血管、心瓣、角膜、骨头、胰、肾等器官依着模型 (model) 或支架 (scaffolds) 制作的最理想材料。美国 Metabolix 公司的 Williams S.F 等人于 1998 年就以 PHAs 为框架在体外培养出了患者的自体血管。 2000 年，美国哈佛大学医学院又运用 PHAs 模型成功克隆了心脏瓣膜。近来还发现，分子量在 10 万 Da 左右的纳米级 PHAs 是制作药物缓释剂的理想材料。

（二）研究开发的成果

    我们课题组密切关注国际科学研究的发展前沿，运用生物工程技术和先进的仪器设备，开发出两种 PHAs 新产品。即羟基丁酸和羟基己酸共聚体 [P （ HB-co-HH ） ] 与羟基丁酸和羟基辛酸共聚体 [P （ HB-co-HO ） ] ，已分别申请国家专利。其中 P （ HB-co-HO ）在国内外均无报道，属我们首创。 我们采用自己选育的微生物菌种，应用廉价而来源广泛的生产原料和独特的发酵生产工艺，通过 两阶段代谢调控发酵方式，经 50-65h 的上游发酵过程和独特的下游加工过程，可使 P （ HB-co-HH ）的产量达 15 kg /立方米 -25kg /立方米 ， P （ HB-co-HO ）的产量达 20 kg /立方米 -25kg /立方米 。两种产品的纯度均可达到 98% ，内毒素含量可控制在 4 EU/g~6EU/g 范围，远低于美国 FDA 规定 20EU/g 的国际标准。 P （ HB-co-HH ）和 P （ HB-co-HO ）属于稀有的中长链多聚羟基烷酸，其分子量控制在 10 5 Da 左右，可作为脂质纳米材料用 来制作各种附加值较高的新型热塑材料产品。尤其可用于医疗卫生领域，如免拆手术缝合线、烧伤皮肤敷膜、心脏起博器、人造骨头、药物缓释 / 定点释放包囊和克隆各种器官的医学组织工程支架等。

（三）效益与市场分析

    当今时代是经济发展与环境保护并重的时代，在开发一种新材料或新产品时必须考虑到是否存在环保问题。我们开发的这些生物材料产品，最大的特点是具有生物相容性和生物可降解性。由这类材料制造的产品在使用过程中与人体组织接触不会产生排异反应，使用结束后在一定条件下可被生物分解成二氧化碳和水，不会造成任何环境污染。近几年，随着医学组织工程和药物定向缓释等技术的发展，这类材料诱人的应用前景越发突显出来。因此生产这类新型生物材料不仅会产生良好的社会效益，而且会为企业带来巨大的经济效益。 依据试验数据进行估算，一个年产 13.5 吨 P(HB-co-HH) 或 P(HB-co-HO) 的工厂，需 5立方米的发酵罐 3 台，配备相应的水、电、汽、气、下游加工设备及 500平方米的生产车间，约需投资 170 万元左右。倘若产品质量达到美国 FDA 规定的标准，用作医学组织工程新材料。 P(HB-co-HH) 的出厂值以 60 美元 /kg 计算，年产值为 648 万元人民币，企业每年获得利税 550 万元左右。 P(HB-co-HO) 的出厂值以 80 美元 /kg 计算，年产值为 874 万元人民币，企业每年获得利税 780 万元。从投资方面来讲，如果企业有现成的厂房 , 可减少投资 60 万元，有现成锅炉和变电设施又可减少投资 10 万左右，设备投资不超过 100 万元。建厂和投产速度，从建厂、试产到投产，大约需要 1 年多时间，当然这与厂家的土建量和工作效率有关。 虽然目前 PHAs 的生产成本尚高，但它的优良特性和广泛用途已经充分显示出诱人的发展前景。在当前的国际市场上， PHAs 的销量正在增加，我国已经加入 WTO ，可以很方便地开拓国际市场。由于我国劳动费用和原材料价格较低，因此相信由我国生产的 PHAs 在国内外市场上有强劲的竞争能力。

二．真菌系列产品

    真菌是有着重要开发价值的一大类微生物资源，蕴藏着许多已知和未知的生物活性物质。这些物质常常在人类营养、健康、医疗及其他方面具有极其重要应用价值。然而，开发生产真菌产品，单纯依靠采集自然界的野生菌体往往受到自然资源不足的限制，固态发酵生产的方式又比较原始落后，难以实现大规模的工业化生产，因此我们应用发酵工程技术，进行了液态发酵生产工艺的研究，并成功开发出羊肚菌粉、灵芝发酵粉、红曲霉粉等发酵产品。现简单介绍如下：

（一）羊肚菌粉

    稀有山珍羊肚菌是一种食用兼药用价值很高的大型真菌。在食用方面，其不仅含有 19 种常见氨基酸，而且含有顺 -3- 氨基 - 脯氨酸、 2- 氨基 - 异丁酸等特别稀有的氨基酸。羊肚菌具有特殊愉快的香味，因此使其味道鲜美而成为食用菌中的极品。在药用方面，羊肚菌性平，味甘，能益肠胃，化痰理气，是一味良好的传统中药。近年来，随着科学技术的发展，科学工作者从分子水平深入研究了羊肚菌保健功能的分子机制，发现羊肚菌具有提高机体免疫力和抑制肿瘤的功能。此外，羊肚菌富含 B 族维生素和有机锗，有着延缓衰老进程，美容益寿之功效。 然而迄今为止，人工栽培羊肚菌的技术尚未成熟，因此我们进行了羊肚菌的液态发酵研究，生产出了羊肚菌粉。发酵水平达到干菌丝粉 30kg/立方米 。经初步鉴定羊肚菌粉与子实体有着类似的功效，既可以作为食品添加剂加强食品营养，也可以制成口服液提高病人的免疫力，还可以加工制作美容化妆品。 依据试验数据进行估算，一个年产 27 吨羊肚菌粉的工厂，需 10立方米的发酵罐 3 台，配备相应的水、电、汽、气、下游加工设备及 500平方米的生产车间，约需投资 240 万元左右。羊肚菌粉出厂价以 300 元 /kg 计算，年产值为 810 万元人民币，企业每年获得利税 686 万元。

（二）灵芝多糖

    灵芝（ Ganoderma lucidum ）属于担子菌纲多孔菌科灵芝属，是一种药、食两用真菌，在我国已有二千多年的药用历史。现代药学研究证明灵芝的主要有效成份是灵芝多糖，灵芝多糖具有提高机体免疫力、消除体内自由基、抗肿瘤、抗放射、抗衰老、提高肝脏解毒功能、利胆清热、活血化瘀的功效。经过大量的临床和药理分析表明，灵芝多糖对心血管疾病、糖尿病、慢性支气管炎、慢性肝炎、神经衰弱等疾病均有不同程度的疗效。 我们采用发酵法生产灵芝多糖，其产量在 60h 达到了 2.208kg/立方米 ，并建立了独特的发酵与提取工艺。 依据试验数据进行估算，一个年产 3.6 吨灵芝多糖的工厂，需10立方米的发酵罐3台，配备相应的水、电、汽、气、下游加工设备及500平方米的生产车间，约需投资 240 万元左右。灵芝多糖出厂价以 1000 元 /kg 计算，年产值为 430 万元人民币，企业每年获得利税 200 万元。

（三）红曲霉粉

    红曲霉以其能产生大量红曲色素而得名。红曲自古以来在我国一直用于食品的着色，特别是肉制品的着色。由于合成色素对人体具有诱发癌症等毒副作用而逐渐被禁用，人们正在致力于天然色素特别是生物色素的研究与开发，红曲霉产生的红曲色素便是一种良好的天然色素。此外， 1979 年，日本的 Endo 等发现了红曲霉能够产生有效降低人体胆固醇的物质——莫纳可林 K 。 传统的固态发酵生产方式，主要缺点是：发酵周期较长，人力投入大，生产效率低，生产能力和产品质量参差不齐。目前适用于红曲固态发酵的设备还处于研发阶段，尚未解决长时间发酵而不污染杂菌的问题。而液态发酵法具有规模大，自动化程度高，人力成本低，生产过程中易控制杂茵污染等显著优点。我们利用实验室自主分离的红曲霉进行液态发酵，在 40 小时内其生物量可达 4.09 ％，建立了从菌种到发酵，再到分离纯化的工艺技术。

三．细菌多糖

（一）研究背景

    目前，微生物多糖越来越受到人们的重视，已成为科技界研究的热点课题。所以如此，最重要的原因在于它有着广泛而重要的用途。它既可作为乳化剂、成膜剂、润滑剂、悬浮剂等用于石油化工方面；又可作为增稠剂、稳定剂、胶凝剂、水化剂等用于食品生产方面；更可作为免疫增强剂和生物新材料用于医疗卫生方面，其应用范围横跨 20 多个行业，显示出诱人的发展前景。 近年来，开发微生物多糖的研究不断加强，主要得益于对其免疫功能的认知。人们在应用化学药物治疗疾病的过程中，逐渐发现化学药物不仅对人体副作用大，容易引起不良反应，而且长期反复使用会诱发病原菌产生抗药性，导致治疗失败。此外，诸如爱滋病、癌症这样的病毒病与肿瘤病目前尚未找到对机体副作用小而对病原体杀伤力强的相应化学药物。于是人们在大力寻找免疫增强剂，通过机体自身免疫力来战胜疾病。微生物多糖就是一类无毒、高效、无残留的免疫增强剂，能够提高机体的非特异性免疫和特异性免疫反应，增强对细菌、真菌、寄生虫及病毒的抗感染能力和对肿瘤的杀伤能力，具有良好的防病治病效果。 微生物多糖的生产不受资源、季节、地域和病虫害条件的限制，而且周期短，工艺简单，易于实现生产规模大型化和管理技术自动化。近几年，世界上微生物多糖的产量每年都保持 10 ％的增长速度，其年产值可达 50 — 100 亿美元。 微生物多糖的种类繁多，依生物来源分为细菌多糖、真菌多糖和藻类多糖，按分泌类型分为胞内多糖与胞外多糖。从开发生产微生物多糖的角度出发，比较上述类型的微生物多糖，培养细菌与真菌更为容易，提取胞外多糖更为便捷。就是说细菌和真菌胞外多糖更容易实现大规模产业化生产。 我国开展微生物多糖的研究较晚，而且多集中在食用菌多糖开发方面，对细菌多糖的研究报道极少。在我国已投入工业化生产的微生物多糖产品只有黄原胶 (Xanthan gum) 与热凝多糖 (Curdlan) 等少数几个品种，而且产量不足我国市场需求的 1/3 ，大部分需要依靠进口。我国自主开发的微生物多糖免疫剂多为植物多糖（如黄芪多糖）和食用菌多糖（如香菇多糖），由于这些多糖均为胞内多糖，产物含量低，生产成本高，市场售价高得惊人， 1mg / 支的多糖针剂价格高达 50 元～ 200 元。

（二）研究成果

    近来，我们实验室发现一株细菌能够大量合成细菌多糖，并研究建立了该细菌多糖的深层液态发酵工艺。研究结果表明，经过 48 小时发酵生产，多糖产量可达到 10kg/立方米 ，产品纯度可达 98% 以上。经初步分析，该多糖是一种同型多聚糖，分子量为 23000Da 。经小鼠试验证明，该多糖能显著增加小鼠的碳粒廓清指数，增强小鼠血清抗绵羊红细胞抗体凝集效价，并能刺激小鼠脾淋巴细胞的转化。说明该多糖对机体的非特异免疫、体液免疫和细胞免疫都有较好的增强作用。

    依据试验数据进行估算，一个年产 9 吨细菌多糖的工厂，需 5立方米 的发酵罐 3 台，配备相应的水、电、汽、气、下游加工设备及 500平方米 的生产车间，约需投资 230 万元左右。多糖产品出厂价平均以 1250 元 /kg 计算，年产值为 1125 万元人民币。年生产成本不超过 190 万元，企业每年获得利税 935 万元。

    研究结果表明，该菌株合成的细菌多糖用途比较广泛，可以用在化工、食品、化妆品和免疫医疗方面。此外，上述试验还表明，采用发酵工程方式生产该细菌多糖不仅可行，而且效率高、成本低。

四.高糖化酶活菌株及其酶制剂生产技术

    我们对黑曲霉 As3.4309 菌株进行了诱变育种，选得一株高糖化酶活菌株 IN7-31 。该菌株生长快、产生色素少、无霉味、糖化酶活力高，产酶性状稳定。

单位介绍与合作希望

    课题组所在单位为山西大学生物技术研究所，创建于 1994 年 4 月， 1996 年被批准为山西省生物工程开放实验室， 1998 年成为山西省生物化学与分子生物学重点建设学科单位， 2003 年与山西大学分子工程研究所一道成为山西大学化学生物学与分子工程教育部重点实验室。本所拥有生物化学与分子生物学和微生物学硕士学位授予权、生物化学与分子生物学博士学位授予权，在生物技术方面具有较强的研究实力与研究环境。在长期的教学与科研活动中，我们形成了一支能够紧密跟踪国际学科前沿动态，在很高的起点上开展工作的强有力的研究团队。多年来，我所在微生物学、发酵工程、蛋白质工程、基因工程等生物技术领域进行了诸多项目的研究工作。在微生物的分离纯化、分类鉴定、代谢分析、发酵工艺研究、发酵设备配套等方面积累了丰富的经验，具备了一整套国内一流的先进设备和研究技术与手段。 欢迎企业界、科研界朋友与我们联系，或采用我们的新产品生产技术增加企业经济效益，或与我们合作开展新产品的开发研究。具体合作形式可以面谈。

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