先进化工材料关键技术丛书 高纯天然产物绿色生物制造关键技术 天然功能因子 高等院校生物化学化工材料等相关专业应用参考书籍

在过去几十年中，提取法被大范围应用于天然活性因子的制备。随着研究的深入，研究人员们发现一大批性质优异的化合物，如黄酮，糖苷类化合物的苷元等。但是，这些天然功能因子在植物中含量极低，大多以前体形式存在，这极大限制了使用提取法制备此类化合物在工业上的大规模应用。尽管通过化学法水解，如高温酸水解/碱水解等，可以获得这一类活性因子的活性成分，但反应条件苛刻，水解周期长，产物结构容易破坏，造成产量和纯度偏低等问题。此外，化学水解法带来大量含酸碱或高盐废水也对环境造成了巨大的伤害。 因此，随着生物技术的蓬勃发展，绿色温和的生物酶法逐渐成为了天然活性因子绿色生物制造技术的首选。与此同时，随着 20 年代初期合成生物学技术的出现，以葡萄糖、甘油等为原料从头合成一系列天然活性因子的手段也为高效生产具有生物活性和高价值的化学品提供了替代方法。

《高纯天然产物绿色生物制造关键技术》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。
本书基于笔者二十余年的工作积累，是围绕高纯天然产物绿色生物制造关键技术开展科学研究和技术开发的系统总结。全书共十一章，包括绪论，石榴皮制备高纯度安石榴苷和鞣花酸，十字花科植物制备高纯度硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯，大豆皂苷和大豆异黄酮的制备工艺，玉米芯绿色制备低聚木糖、木糖和木糖醇，酶法制备黄芪甲苷和环黄芪醇，酶法制备阿可拉定，酶法制备薯蓣皂素，酶法制备甘油葡萄糖苷，高纯度光甘草定和甘草次酸制备工艺，典型芳香环植物功能因子的异源生物合成。本书所涉及的研究内容为相关领域国际学术前沿的热点，部分成果为原创。
《高纯天然产物绿色生物制造关键技术》是多项国家和省部级科技成果的系统总结，适合生物、化学、化工、材料领域，特别是对高纯天然产物绿色生物制造关键技术感兴趣的科学技术人员阅读，也可作为高等院校生物、化学、化工、材料及相关专业高年级本科生和研究生的教材使用。

袁其朋，北京化工大学教授，博士生导师。教育部长江学者特聘教授。1992年在清华大学获化学工程学士学位，1997年在天津大学获生物化工博士学位。1999年至2000年在澳大利亚新南威尔士大学作访问学者，2001年至2003年赴香港理工大学从事中药方面的研究工作。1997年至今在北京化工大学工作。主要研究领域为：合成生物学及代谢工程，高纯天然产物规模制备及应用基础研究。以第一或通讯作者在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Metabolic Engineering、AIChE Journal、Chemical Engineering Science等期刊发表SCI论文240余篇，授权PCT、中国发明专利60余项。在国内外率先实现了大豆异黄酮、鞣花酸、安石榴苷、莱菔硫烷、莱菔素、熊果苷、5-羟基色氨酸等的工业生产，创造了良好的经济效益。以第一获奖人获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步特等奖1项、一等奖2项、二等奖2项。第十一届中国青年科技奖获得者，科技北京百名领军人才。兼任化工资源有效利用国家重点实验室副主任、科技部合成生物学专项项目组专家、中国化工学会生物化工专业委员会副主任委员、中国生物化学与分子生物学会工业专业分会副理事长、中国纺织工程学会化纤专业委员会副主任委员，享受国务院特殊津贴。

梁浩，北京化工大学教授，博士生导师。2002年获北京化工大学生物化工学士学位，2007年获北京化工大学生物化工博士学位。2014年至2016年在加拿大滑铁卢大学作访问学者。2007年至今在北京化工大学生命科学与技术学院工作，主要从事天然活性成分的生物合成与纳米增效研究。先后开发了莱菔硫烷、甘草次酸、阿克拉定、环黄芪醇和甘油葡萄糖苷等的酶法生产技术和虾青素、光甘草定、植物精油等纳米制剂，作为主要技术负责人参与建成了国内外高纯度莱菔硫烷的生产线。发表论文80余篇，授权中国发明专利6项。作为第二完成人获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（技术发明奖）二等奖1项、中国商业联合会科技进步奖一等奖1项。兼任中国生物发酵产业协会生物发酵美妆原料分会理事、中国药学会制药工程专委会青年委员、全国生物资源提取行业专家委员会委员、北京理化分析测试技术学会青年学术委员会常务理事。

第一章 绪论 001
第一节 天然产物简介 002
第二节 天然产物的绿色生物制造技术发展历程 008
一、天然产物分离纯化技术 008
二、天然活性因子绿色生物制造技术 010
第三节 天然产物绿色生物制造未来发展的技术展望 015
一、新型绿色溶剂的研究 015
二、糖苷酶的理性改造与设计 016
三、天然产物生物合成中的共培养和动态调控 016
参考文献 017

第二章 石榴皮制备高纯度安石榴苷和鞣花酸 023
第一节 安石榴苷和鞣花酸简介 024
一、安石榴苷 024
二、鞣花酸 027
第二节 高纯度安石榴苷制备关键技术 029
一、石榴皮总单宁提取 030
二、高纯度安石榴苷的制备 035
第三节 高纯度鞣花酸制备关键技术 041
一、以石榴皮为原料制备鞣花酸 041
二、高纯度鞣花酸的制备 043
第四节 鞣花酸和安石榴苷活性研究 046
一、鞣花酸和安石榴苷的抗氧化活性研究 046
二、安石榴苷的抗糖尿病活性研究 048
第五节 小结与展望 053
参考文献 054

第三章 十字花科种子制备高纯度硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯 057
第一节 硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯简介 058
一、十字花科植物 058
二、硫代葡萄糖苷 059
三、异硫氰酸酯 060
第二节 硫代葡萄糖苷制备工艺 062
一、化学合成法和生物合成法 063
二、天然产物提取法 064
第三节 高纯异硫氰酸酯制备工艺 069
一、异硫氰酸酯的制备 069
二、异硫氰酸酯的纯化 074
第四节 异硫氰酸酯的稳态化和活性研究 077
一、异硫氰酸酯的稳定性 077
二、异硫氰酸酯的稳态化 080
三、异硫氰酸酯的活性研究 082
第五节 小结与展望 085
参考文献 086

第四章 大豆皂苷和大豆异黄酮的制备工艺 091
第一节 大豆皂苷和大豆异黄酮简介 092
一、大豆皂苷概述 092
二、大豆异黄酮概述 096
第二节 高纯度大豆皂苷制备关键技术 100
一、树脂法纯化大豆皂苷B 100
二、结晶法纯化大豆皂苷B 102
三、中试放大 103
第三节 利用大孔树脂从大豆糖蜜中回收大豆异黄酮 104
一、大豆糖蜜简介 104
二、大豆糖蜜预处理 105
三、树脂法精制大豆异黄酮 106
四、稀糖蜜生产大豆异黄酮 107
第四节 连续萃取法制备大豆异黄酮 109
一、间歇萃取 109
二、连续逆流萃取 110
三、组合溶剂回流萃取制备大豆黄苷及大豆黄素 111
四、甲醇重结晶制备黄豆黄苷及黄豆黄素 111
第五节 利用扩张床吸附技术从大豆糖蜜中分离纯化大豆异黄酮 112
一、扩张床吸附技术及环糊精介绍 112
二、PGMA-TiO2复合扩张床介质的制备及表征 114
三、PGMA-TiO2-β-CD复合扩张床吸附剂的制备及表征 116
四、应用PGMA-TiO2-β-CD复合扩张床吸附剂纯化大豆异黄酮 118
第六节 小结与展望 121
参考文献 121

第五章 玉米芯绿色制备低聚木糖、木糖和木糖醇 125
第一节 低聚木糖、木糖和木糖醇简介 126
一、低聚木糖简介 126
二、木糖简介 127
三、木糖醇简介 128
第二节 低聚木糖绿色制备关键技术 128
一、木聚糖酶的选择和应用 129
二、低聚木糖生产工艺 130
三、絮凝脱色在低聚木糖分离纯化中的应用 130
第三节 木糖绿色制备关键技术 132
一、半纤维素水解液的组成 132
二、玉米芯半纤维素清洁糖化制备木糖 133
三、木糖的纯化与精制 141
第四节 木糖醇绿色制备关键技术 142
一、木糖醇发酵条件的优化 143
二、半纤维素水解液抑制物对于木糖醇发酵的影响 147
三、利用蒸汽爆破水提液发酵生产木糖醇 151
四、利用亚硫酸水解液发酵生产木糖醇 153
第五节 小结与展望 154
参考文献 155

第六章 酶法制备黄芪甲苷和环黄芪醇 161
第一节 黄芪甲苷和环黄芪醇简介 162
一、黄芪甲苷简介 162
二、环黄芪醇简介 164
第二节 生物法制备黄芪甲苷的关键技术 166
第三节 生物法制备环黄芪醇的关键技术 169
第四节 小结与展望 172
参考文献 173

第七章 酶法制备阿可拉定 175
第一节 淫羊藿及阿可拉定简介 176
一、淫羊藿 176
二、阿可拉定 177
第二节 酶法制备阿可拉定关键技术 178
一、直接提取法 178
二、化学合成法 178
三、酶解法 179
第三节 固定化双酶制备阿可拉定关键技术 185
一、单一酶交联酶聚集体 185
二、双酶交联酶聚集体 189
第四节 小结与展望 194
参考文献 195

第八章 酶法制备薯蓣皂素 199
第一节 薯蓣皂素简介 200
一、薯蓣皂素理化性质 200
二、薯蓣皂素的制备 200
第二节 酶法制备薯蓣皂素工艺 204
一、微生物转化筛选及水解酶分级纯化 204
二、薯蓣皂素水解酶的异源表达及其功能探究 206
三、Rhase-TS和Gluase-TS酶学性质研究及催化残基预测 209
四、酶催化制备薯蓣皂素 216
第三节 小结与展望 219
参考文献 220

第九章 酶法制备甘油葡萄糖苷 225
第一节 甘油葡萄糖苷简介 226
一、甘油葡萄糖苷简介及来源 226
二、甘油葡萄糖苷的功效及市场前景 227
三、甘油葡萄糖苷的制备方法 228
第二节 酶法制备甘油葡萄糖苷关键技术 229
一、蔗糖磷酸化酶的筛选、表达、活性研究 229
二、蔗糖磷酸化酶催化制备2-O-α-甘油葡萄糖苷 230
第三节 固定化酶制备甘油葡萄糖苷关键技术 231
一、Ni-NTA功能化琼脂糖微球特异性吸附固定化蔗糖磷酸化酶 232
二、壳聚糖调控的仿生杂化纳米花自组装固定化蔗糖磷酸化酶 240
第四节 小结与展望 253
参考文献 254

第十章 高纯度光甘草定和甘草次酸制备工艺 259
第一节 光甘草定和甘草次酸简介 260
一、光甘草定简介 260
二、甘草次酸简介 261
第二节 光甘草定绿色制备关键技术 263
一、光甘草定的提取工艺 263
二、光甘草定的分离纯化工艺 265
三、光甘草定纳米复合物的制备 269
第三节 酶法制备甘草次酸关键技术 272
一、甘草次酸的制备方法 272
二、葡萄糖醛酸酶简介 273
三、固定化酶催化制备甘草次酸 274
四、一锅法提取水解甘草酸制备甘草次酸 277
五、甘草次酸纳米复合物的制备 278
第四节 小结与展望 280
参考文献 281

第十一章 典型芳香环植物功能因子的异源生物合成 289
第一节 典型芳香环植物功能因子简介 291
一、芳香环植物功能因子的合成途径 291
二、莽草酸途径 291
三、莽草酸途径中的酶 293
四、莽草酸途径的代谢调控 296
第二节 熊果苷异源生物合成 297
一、熊果苷的生物活性 298
二、熊果苷生物合成途径设计及关键酶的表征 300
三、熊果苷从头合成 302
四、通过将碳通量转入熊果苷生物合成途径实现熊果苷的高水平生产 303
五、熊果苷生物合成的培养条件优化 304
第三节 红景天苷异源生物合成 305
一、红景天苷的用途及生产方式 307
二、共培养工程高效生物合成芳香环植物功能因子 308
三、共培养生物合成红景天苷路径设计 310
四、三种共培养生物合成红景天苷的比较 311
五、红景天苷的扩大生产 313
第四节 5-羟基色氨酸异源生物合成 314
一、5-HTP的用途及生产方法 314
二、转化5-羟基邻氨基苯甲酸生产5-HTP 316
三、利用水杨酸-5-羟基化酶转化AA生成5-HAA 317
四、5-HAA合成的模块化优化 318
五、5-HTP的生物合成 319
第五节 小结与展望 319
参考文献 321

索引 330

丛书（第二批）序言
材料是人类文明的物质基础，是人类生产力进步的标志。材料引领着人类社会的发展，是人类进步的里程碑。新材料作为新一轮科技革命和产业变革的基石与先导，是“发明之母”和“产业食粮”，对推动技术创新、促进传统产业转型升级和保障国家安全等具有重要作用，是全球经济和科技竞争的战略焦点，是衡量一个国家和地区经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志。目前，我国新材料研发在国际上的重要地位日益凸显，但在产业规模、关键技术等方面与国外相比仍存在较大差距，新材料已经成为制约我国制造业转型升级的突出短板。
先进化工材料也称化工新材料，一般是指通过化学合成工艺生产的、具有优异性能或特殊功能的新型材料。包括高性能合成树脂、特种工程塑料、高性能合成橡胶、高性能纤维及其复合材料、先进化工建筑材料、先进膜材料、高性能涂料与黏合剂、高性能化工生物材料、电子化学品、石墨烯材料、催化材料、纳米材料、其他化工功能材料等。先进化工材料是新能源、高端装备、绿色环保、生物技术等战略新兴产业的重要基础材料。先进化工材料广泛应用于国民经济和国防军工的众多领域中，是市场需求增长最快的领域之一，已成为我国化工行业发展最快、发展质量最好的重要引领力量。
我国化工产业对国家经济发展贡献巨大，但从产业结构上看，目前以基础和大宗化工原料及产品生产为主，处于全球价值链的中低端。“一代材料，一代装备，一代产业。”先进化工材料因其性能优异，是当今关注度最高、需求最旺、发展最快的领域之一，与国家安全、国防安全以及战略新兴产业关系最为密切，也是一个国家工业和产业发展水平以及一个国家整体技术水平的典型代表，直接推动并影响着新一轮科技革命和产业变革的速度与进程。先进化工材料既是我国化工产业转型升级、实现由大到强跨越式发展的重要方向，同时也是保障我国制造业先进性、支撑性和多样性的“底盘技术”，是实施制造强国战略、推动制造业高质量发展的重要保障，关乎产业链和供应链安全稳定、绿色低碳发展以及民生福祉改善，具有广阔的发展前景。
“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”关键核心技术是国之重器，要靠我们自力更生，切实提高自主创新能力，才能把科技发展主动权牢牢掌握在自己手里。新材料是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域。作为新材料的重要方向，先进化工材料具有技术含量高、附加值高、与国民经济各部门配套性强等特点，是化工行业极具活力和发展潜力的领域。我国先进化工材料领域科技人员从国家急迫需要和长远需求出发，在国家自然科学基金、国家重点研发计划等立项支持下，集中力量攻克了一批“卡脖子”技术、补短板技术、颠覆性技术和关键设备，取得了一系列具有自主知识产权的重大理论和工程化技术突破，部分科技成果已达到世界领先水平。中国化工学会组织编写的“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）正是由数十项国家重大课题以及数十项国家三大科技奖孕育，经过200多位杰出中青年专家深度分析提炼总结而成，丛书各分册主编大都由国家技术发明奖、国家科技进步奖获得者及国家重点研发计划负责人等担纲，代表了先进化工材料领域的最高水平。丛书系统阐述了高性能高分子材料、纳米材料、生物材料、润滑材料、先进催化材料及高端功能材料加工与精制等一系列创新性强、关注度高、应用广泛的科技成果。丛书所述内容大都为专家多年潜心研究和工程实践的结晶，打破了化工材料领域对国外技术的依赖，具有自主知识产权，原创性突出，应用效果好，指导性强。
创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。科技命脉已成为关系国家安全和经济安全的关键要素。丛书编写以服务创新型国家建设，增强我国科技实力、国防实力和综合国力为目标，按照《中国制造2025》《新材料产业发展指南》的要求，紧紧围绕支撑我国新能源汽车、新一代信息技术、航空航天、先进轨道交通、节能环保和“大健康”等对国民经济和民生有重大影响的产业发展，相信出版后将会大力促进我国化工行业补短板、强弱项、转型升级，为我国高端制造和战略性新兴产业发展提供强力保障，对彰显文化自信、培育高精尖产业发展新动能、加快经济高质量发展也具有积极意义。

中国工程院院士：薛群基
2023年5月