首页
> 新闻中心 > 专题报道 > 2020年专题 > 高校优势学科服务江苏高质量发展 > 经典案例
江南大学 :鲜衣玉食酿造“酶”好生活
发布日期:2020-01-16 10:30 浏览次数: 字体:[ ]

酶是一类极为重要的生物催化剂,由于酶的作用,生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。酶能发挥什么作用呢?同一批原材料的肉制品,口感不同、营养程度不同、保质期不同,是因为在食品加工过程中使用的酶不一样;同样颜色的衣服,穿在身上触感不同、亮度不同、褪色程度不同,也是因为在纺织物染整加工过程中用的酶不一样。

酶制剂应用领域全面涵盖洗涤、食品加工、能源、农业和医药等行业,国内酶制剂企业特别是大型企业的技术创新需求因此不断增加而且越来越迫切。围绕 “如何挖掘到具有应用价值的新酶、如何获得可规模化应用的好酶、如何实现工业化规模地产酶、如何在实际工业过程中合理地用 酶”等酶制剂工业研发的科学问题,江南大学生物工程学院陈坚教授团队、徐岩教授团队、吴敬教授团队等,围绕纺织、食品加工领域多种关键用酶进行基因挖掘、分子改造、高效表达、发酵优化和工业化生产与应用,坚持 “将科研论文写在祖国大地上”,从实际生产中寻找问题,提炼课题,再通过双方密切协作将科研成果转化为企业蓬勃的生产力,创制和发展了多种纺织酶、食品酶及其制备工艺,打破了国际酶制剂公司多项垄断,为我国纺织酶和食品酶产业的发展做出了突出贡献。

传承 “发酵”精神,创新行业重要科技成果

江南大学生物工程学院优秀的团队传承着已经浸润到血液里的 “善于实践,勇于创新”的“发酵” 精神,既有十年一剑、埋头苦干的扎实,也有越挫越勇、敢闯敢创的魄力,完成了一个又一个技术创新,取得了一项又一项科技成果。丙酮酸的生产技术获得了发酵工业世界领先的日本味之素公司的青睐;团队拥有多个涵盖纺织酶、食品酶、基因鉴定、分子改造、高效表达、发酵优化、复配和应用的专利,纺织酶、食品酶授权发明专利数排国内第一;在合作企业应用并实现工业化生产所新增销售超7亿元、利税2亿元,并带动多家生物、食品相关的淀粉、果蔬加工、酒精和柠檬酸生产企业经济效益的增长;与浙江海正、宜兴协联、安徽金种子、江苏一乙等企业签下了经费总额超千万元的科技合作项目。

相关研究成果获2011年高等学校科学技术进步一等奖 1项、中国轻工业联合会科学技术发明一等奖1项、2012年国家技术发明二等奖1项、2013年国家技术发明二等奖1项和2014年中国专利金奖。2017年9月,江南大学轻工技术与工程学科入选 “双一流”建设学科名单。2017年11月,陈坚教授当选中国工程院院士。

创制和发展多种纺织酶和食品酶,生物方法显身手

《第一次全国污染源普查公报》显示,纺织工业产生的污水量和COD值分别居各行业的第五位和第二位,染整加工能耗和污水排放量分别占纺织工业的65%和90%。使用生物方法,开发用于棉织物染整前处理的酶制剂和食品酶制剂,能够解决能耗高、环保难等问题,是国际公认的必然趋势。制造干酪的凝乳酶,过去是从小牛皱胃中提取的,为了满足世界干酪的生产,每年需要宰杀4000多万头小牛。而现在,采用基因工程技术,把小牛皱胃中凝乳酶的基因转移至大肠杆菌或酵母菌中,便可通过微生物发酵广泛生产凝乳酶了。

在研发过程中,首先培养微生物种群,然后对其进行指定性的 “刺激”,才会产生衍生物酶,根据酶的特性还要对其进行分子改造,这是一个极其复杂而又要求精细的研究和实验过程。团队深耕实践,开展了基因挖掘与分子改造,创制了多种纺织印染前处理加工用酶、淀粉加工用酶、肉制品加工用酶、面粉加工用酶,显著提升了工业应用适应性,为实现其工业应用奠定了基础。其中,纺织印染前处理加工用酶中的细菌来源的角质酶基因是国内外首次报道,完善了角质酶家族基因图谱,揭示了真菌和细菌角质酶的不同起源及演变规律,在国际酶制剂领域具有显著的学术影响。

除了在新酶基因挖掘及新酶创制方面取得了突出成绩,研究团队在酶分子改造方面也做出了重要贡献,如在国际上首次开发了融合自组装双亲短肽提高酶热稳定性和催化效率的方法,为开发具有一定普适性和简便性的酶分子改造策略奠定了良好的基础。通过使用该方法,食品酶中的碱性淀粉酶、环糊精葡萄糖基转移酶、脂肪氧合酶、碱性果胶酶等的酶活力提高了数倍。

纺织酶可使衣物更健康,生产更环保,食品酶可使食物更美味,加工更绿色,二者影响着衣着内的中国人、舌尖上的中国人,这不再只是 “物质文化需要”,而是人民在新时代对美好生活的更高追求。

开发和研制多种关键酶制剂生产技术,破除垄断有实招 

长期以来,国内大多数酶制剂企业只能生产量大、价低的产品,国内食品酶制剂关键生产技术和市场长期被国外公司垄断,针对核心技术制约发展的现状,核心怎么突破,怎样才能最大限度地节约成本并创造更大的经济效益呢?

“关键核心技术要不来、买不来、讨不来。”生物工程学院研究团队的实验一直在进行,实验参数不断被调整,一代一代地改进菌株,一罐一罐地调整参数……几代科研人员的接力努力,积雪囊萤,水滴石穿,终于不断完善了发酵工艺,找到了最优化发酵策略,使得耐酸性高温α-淀粉酶、普鲁兰酶、真菌α-淀粉酶、CGT酶的发酵水平提高了30%以上,而综合成本降低了15%,这些酶制剂的工业化生产填补了国内空白,打破了杰能科公司的长期垄断。

就像袁隆平在海南的茫茫稻海发现那一颗影响世界的种子那样,团队寻遍各种微生物,终于通过高通量筛选的方法,选育得到一株高产谷氨酰胺转氨酶的菌株,优化发酵条件后使得酶活从10U/mL提高到42U/mL,价格从400元/kg下降到80元/kg,国际市场占有率达到70%以上,国内市场占有率达90%以上,彻底打破了日本公司的垄断。

团队还开发了高效的面粉加工用脂肪酶、葡萄糖氧化酶和脂肪氧合酶的生产和应用技术,强筋增白功效显著,被广泛应用于面粉加工行业,替代了严重危害人体健康的化学改良剂,打破了诺维信公司的长期垄断。

针对工程菌产酶的特性,研究团队深入研究了酶跨膜分泌途径限速步骤、膜透性与分泌相关性,提出了基于细胞 “内膜硬化”的酶合成与分泌相协调的酶高效分泌新理论,通过控制合成强度,强化跨膜转运,协调高效合成与快速分泌,实现酶的高效胞外表达。应用该策略,实现了多种工业酶的高产量、高产率,如将普鲁兰酶、α-葡萄糖苷酶、高温酸性淀粉酶、谷氨酰胺转肽酶、角质酶、蔗糖异构酶的表达水平分别提高了43.6倍、33倍、12.5倍、10.3倍、8.8倍和4.8倍。

自力更生是中华民族自立于世界民族之林的奋斗基点,自主创新是攀登世界科技高峰的必由之路。一直以来,团队笃行自主创新之路,肩负助推中国制造加速向中国创造转型升级的使命,不断突破一个个技术壁垒,推出里程碑式的产品,为中国智造带来新动力。

前进的步伐愈加坚定,不忘初心,牢记使命,他们一直在路上……

Produced By 大汉网络 大汉版通发布系统