工业酶制剂的创制及其应用研究

【科研成果简介】

工业酶制剂的创制及其应用研究

21世纪人类面临人口与健康、粮食供应、资源枯竭、环境污染等严峻挑战，因此可持续发展已成为当前社会发展的前提，而以可持续发展为特征的现代新文明主要是指生物经济时代，其核心技术就是工业生物技术.如今，工业生物技术继医药生物技术、农业生物技术之后，掀起了生物技术领域的第三次浪潮，并正促成一个以生物催化和生物转化为特征，以生物能源、生物化工、生物冶金等为代表的现代工业王国的形成.酶制剂则是生物催化的关键，而酶反应则是整个生物加工过程的核心.

工业酶是最重要的工业蛋白质，已经广泛应用到资源、环境、能源、医药、食品、饲料、纺织、化工、新材料、造纸等重大工业领域并实质性地引导了相关应用领域的技术革新与进步.伴随着全球经济一体化的浪潮，世界生物技术产业在全球范围内进行着产品结构的调整，世界酶制剂产业表现活跃，2013年世界酶制剂市场规模达到40亿美元，其下游支撑产业的产值是其数十倍甚至数百倍.当前，随着现代生物技术和工程技术的飞速发展，酶制剂工业正处于新一轮重大技术突破的前沿，并将迎来新的发展高潮.

目前，世界上酶制剂生产公司主要集中在美国、欧洲和日本.国外酶制剂企业研发投入大（10%～14%销售收入）、技术储备充分（超过10，000项申请和授权专利），注重合作与交流，密切关注客户应用需求，努力提高酶制剂实际应用效果，取得了巨大的经济效益和社会效益.我国酶制剂行业近年来一直保持快速稳定的增长，2013年酶制剂产量达到近100万（标）吨，产品质量得到大幅提升，生产企业的软硬件条件也在逐步向国际化标准靠拢，一些重点生产企业从最初的生存期开始转入发展期，初步具备了一定的国际竞争能力.但从世界酶制剂工业来看，我国酶制剂工业总体仍处于比较落后的地位，整个行业生产规模小、产品单一、结构不合理、技术开发创新力量薄弱、知识产权问题突出，需要进一步形成自己强有力的技术创新体系，实现酶制剂工业的长足发展.

我国工业酶制剂的发展需要迎接诸多挑战，主要包括：挖掘新酶（丰富酶品种）、获得好酶（改善酶性能）、高效产酶（降低酶成本）、正确用酶（提升酶效果）.而应对这些挑战亟需开发的技术主要包括：快速筛选鉴定酶基因、准确有效改造酶分子、高效表达和规模发酵酶蛋白、剂型开发和优化应用酶制剂.我国酶制剂工业应以这些技术为突破口，实现跨越发展.

天津科技大学路福平、王正祥教授所带领的科研团队长期从事工业生物催化工程方面的研究工作，尤其在酶工程领域进行了一系列基础理论和应用方面的研究，在工业酶分子的挖掘与人工进化、酶蛋白高效表达系统的构建与优化、酶制剂的规模化高效制备以及应用方面均取得较大突破，实现了以淀粉酶品、蛋白酶品为代表的多个新酶产品的高效制备与工业规模化生产.淀粉酶品主要应用于以淀粉为原料的食品加工和发酵等行业，是若干工业产品开发与制造的发动机.但我国淀粉酶品特性和活力与国外先进水平存在差距，同类产品多年来一直依赖进口.该团队在淀粉酶品的创制、绿色制造及应用方面开展了一系列研究工作：（1）通过分子进化结合靶向筛选技术，获得了具有我国自主知识产权且拥有新特性和表达水平提高的重要淀粉酶品新基因；（2）通过现代分子克隆与遗传育种等技术，创建了以地衣芽孢杆菌为主、系列高效表达载体为支撑，兼顾其他高表达体系的微生物表达淀粉酶品的新系统；（3）建立了连续流加补充碳源，半连续流加补充氮源，在线检测控制磷酸盐以及原位分离发酵等淀粉酶品可控发酵技术；（4）建立了发酵液絮凝新工艺、高效超滤浓缩技术以及喷雾干燥技术，实现了淀粉酶品的高效绿色分离提取制备。与国内外同类技术先进性相比，本成果创制的淀粉酶品的酶学性质、发酵酶活以及其发酵过程、下游提取、产品制造等各项工艺技术均达到和优于国际先进水平.该成果带动多家生物、食品相关淀粉加工企业经济效益增长，产品在淀粉糖加工、饲料、果蔬加工、酒精和柠檬酸等行业中应用，达到国外同类酶制剂应用效果，显著降低了生产和使用成本.同时，该成果显著提升了我国淀粉酶品生产和应用水平；有力促进了我国酶制剂行业技术创新；打破了国际技术壁垒，改善了重大淀粉酶品国际依存度，节约了外汇支出，具有显著的经济和社会效益.该研究成果“重大淀粉酶品的创制、绿色制造及其应用”获得2013年国家技术发明奖二等奖.目前我国蛋白酶开发、工业化生产技术落后，在品质、品种及应用技术服务方面与国外存在一定的差距，难以充分满足国内外市场的需求，限制了我国蛋白酶产业的发展.该团队对蛋白酶的产业化和底物作用特性进行了深入研究，筛选获得一株高产碱性蛋白酶菌株，发酵活力达到50，000，U/mL以上，建立了碱性蛋白酶提取、精制及制剂的工艺路线，洗涤应用效果理想、稳定，产品性能远远优于国内2709碱性蛋白酶，并可替代国外进口产品，实现高活力高碱性蛋白酶的产业化生产；通过可控酶解技术和酶法提取动力学的研究，开发了复合酶高效制备大米寡肽的技术，寡肽纯度达到了60%以上；建立肽谱高通量分析技术，在此基础上通过对常用工业蛋白酶水解肽谱的比较，深入研究了工业蛋白酶的底物特异性，为蛋白酶的理性选择和复配建立了基础.相关研究成果达到国际先进水平，并获得天津市科学技术进步奖.

酶制剂的开发与应用现在仍然是工业生物催化研究的前沿领域，还有很多的理论和技术问题需要研究者探索突破，以便为我国酶制剂工业的技术创新提供重要支撑，对于推动我国酶制剂行业的纵深发展和产业链升级意义重大.

供稿：生物工程学院 刘逸寒