工業酶制劑的創制及其應用研究

【科研成果簡介】

工業酶制劑的創制及其應用研究

21世紀人類面臨人口與健康、糧食供應、資源枯竭、環境污染等嚴峻挑戰，因此可持續發展已成為當前社會發展的前提，而以可持續發展為特征的現代新文明主要是指生物經濟時代，其核心技術就是工業生物技術.如今，工業生物技術繼醫藥生物技術、農業生物技術之后，掀起了生物技術領域的第三次浪潮，并正促成一個以生物催化和生物轉化為特征，以生物能源、生物化工、生物冶金等為代表的現代工業王國的形成.酶制劑則是生物催化的關鍵，而酶反應則是整個生物加工過程的核心.

工業酶是最重要的工業蛋白質，已經廣泛應用到資源、環境、能源、醫藥、食品、飼料、紡織、化工、新材料、造紙等重大工業領域并實質性地引導了相關應用領域的技術革新與進步.伴隨著全球經濟一體化的浪潮，世界生物技術產業在全球范圍內進行著產品結構的調整，世界酶制劑產業表現活躍，2013年世界酶制劑市場規模達到40億美元，其下游支撐產業的產值是其數十倍甚至數百倍.當前，隨著現代生物技術和工程技術的飛速發展，酶制劑工業正處于新一輪重大技術突破的前沿，并將迎來新的發展高潮.

目前，世界上酶制劑生產公司主要集中在美國、歐洲和日本.國外酶制劑企業研發投入大（10%～14%銷售收入）、技術儲備充分（超過10，000項申請和授權專利），注重合作與交流，密切關注客戶應用需求，努力提高酶制劑實際應用效果，取得了巨大的經濟效益和社會效益.我國酶制劑行業近年來一直保持快速穩定的增長，2013年酶制劑產量達到近100萬（標）噸，產品質量得到大幅提升，生產企業的軟硬件條件也在逐步向國際化標準靠攏，一些重點生產企業從最初的生存期開始轉入發展期，初步具備了一定的國際競爭能力.但從世界酶制劑工業來看，我國酶制劑工業總體仍處于比較落后的地位，整個行業生產規模小、產品單一、結構不合理、技術開發創新力量薄弱、知識產權問題突出，需要進一步形成自己強有力的技術創新體系，實現酶制劑工業的長足發展.

我國工業酶制劑的發展需要迎接諸多挑戰，主要包括：挖掘新酶（豐富酶品種）、獲得好酶（改善酶性能）、高效產酶（降低酶成本）、正確用酶（提升酶效果）.而應對這些挑戰亟需開發的技術主要包括：快速篩選鑒定酶基因、準確有效改造酶分子、高效表達和規模發酵酶蛋白、劑型開發和優化應用酶制劑.我國酶制劑工業應以這些技術為突破口，實現跨越發展.

天津科技大學路福平、王正祥教授所帶領的科研團隊長期從事工業生物催化工程方面的研究工作，尤其在酶工程領域進行了一系列基礎理論和應用方面的研究，在工業酶分子的挖掘與人工進化、酶蛋白高效表達系統的構建與優化、酶制劑的規模化高效制備以及應用方面均取得較大突破，實現了以淀粉酶品、蛋白酶品為代表的多個新酶產品的高效制備與工業規模化生產.淀粉酶品主要應用于以淀粉為原料的食品加工和發酵等行業，是若干工業產品開發與制造的發動機.但我國淀粉酶品特性和活力與國外先進水平存在差距，同類產品多年來一直依賴進口.該團隊在淀粉酶品的創制、綠色制造及應用方面開展了一系列研究工作：（1）通過分子進化結合靶向篩選技術，獲得了具有我國自主知識產權且擁有新特性和表達水平提高的重要淀粉酶品新基因；（2）通過現代分子克隆與遺傳育種等技術，創建了以地衣芽孢桿菌為主、系列高效表達載體為支撐，兼顧其他高表達體系的微生物表達淀粉酶品的新系統；（3）建立了連續流加補充碳源，半連續流加補充氮源，在線檢測控制磷酸鹽以及原位分離發酵等淀粉酶品可控發酵技術；（4）建立了發酵液絮凝新工藝、高效超濾濃縮技術以及噴霧干燥技術，實現了淀粉酶品的高效綠色分離提取制備。與國內外同類技術先進性相比，本成果創制的淀粉酶品的酶學性質、發酵酶活以及其發酵過程、下游提取、產品制造等各項工藝技術均達到和優于國際先進水平.該成果帶動多家生物、食品相關淀粉加工企業經濟效益增長，產品在淀粉糖加工、飼料、果蔬加工、酒精和檸檬酸等行業中應用，達到國外同類酶制劑應用效果，顯著降低了生產和使用成本.同時，該成果顯著提升了我國淀粉酶品生產和應用水平；有力促進了我國酶制劑行業技術創新；打破了國際技術壁壘，改善了重大淀粉酶品國際依存度，節約了外匯支出，具有顯著的經濟和社會效益.該研究成果“重大淀粉酶品的創制、綠色制造及其應用”獲得2013年國家技術發明獎二等獎.目前我國蛋白酶開發、工業化生產技術落后，在品質、品種及應用技術服務方面與國外存在一定的差距，難以充分滿足國內外市場的需求，限制了我國蛋白酶產業的發展.該團隊對蛋白酶的產業化和底物作用特性進行了深入研究，篩選獲得一株高產堿性蛋白酶菌株，發酵活力達到50，000，U/mL以上，建立了堿性蛋白酶提取、精制及制劑的工藝路線，洗滌應用效果理想、穩定，產品性能遠遠優于國內2709堿性蛋白酶，并可替代國外進口產品，實現高活力高堿性蛋白酶的產業化生產；通過可控酶解技術和酶法提取動力學的研究，開發了復合酶高效制備大米寡肽的技術，寡肽純度達到了60%以上；建立肽譜高通量分析技術，在此基礎上通過對常用工業蛋白酶水解肽譜的比較，深入研究了工業蛋白酶的底物特異性，為蛋白酶的理性選擇和復配建立了基礎.相關研究成果達到國際先進水平，并獲得天津市科學技術進步獎.

酶制劑的開發與應用現在仍然是工業生物催化研究的前沿領域，還有很多的理論和技術問題需要研究者探索突破，以便為我國酶制劑工業的技術創新提供重要支撐，對于推動我國酶制劑行業的縱深發展和產業鏈升級意義重大.

供稿：生物工程學院 劉逸寒