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【中国科学报】当明胶“邂逅”新型蛋白酶
  发布时间:2014-05-13    供稿部门:
  新型蛋白酶法制备明胶工艺对于资源利用和环境维持都有重要意义,同时对于现有骨素处理和明胶提取设备具有很好的兼容性。此外,在生产方面,无需额外添加独特工艺设备,传统工艺的工厂可以快速转化为使用酶法工艺,便于扩大生产规模。

中国科学院天津工业生物技术研究所的研究人员正在做实验

  明胶是胶原的水解产物,广泛应用于医药、食品、纺织、化工、电子、造纸、印刷等30多个行业,化学制备法一直是明胶生产的传统工艺。近年来,随着对各类酶的研究进展与绿色工艺的革新,酶法制备明胶工艺成了研究者不断探索的新方向。
  近日,中国科学院天津工业生物技术研究所研究员宋诙带领研究组,通过对土壤样品宏基因组测序,发现了一种能够用于明胶制备的新型蛋白酶,并以该酶为基础对蛋白酶法制备明胶工艺进行了优化。
  宋诙告诉《中国科学报》,新型蛋白酶法制备明胶工艺对于资源利用和环境维持都有重要意义,同时对于现有骨素处理和明胶提取设备具有很好的兼容性。此外,在生产方面,无需额外添加独特工艺设备,传统工艺的工厂可以快速转化为使用酶法工艺,便于扩大生产规模。
  工艺需不断优化
  2010年世界明胶需求量约为44.5万吨,预计未来五年明胶需求增长率可达到年均增长9%。由于客观原因,我国传统骨明胶制备工业多集中于骨资源丰富地区,如内蒙古、青海、甘肃等地。
  同时,由于传统骨明胶制备工艺要经历多次浸酸、水洗、浸灰、中和等步骤,对淡水需求量极大,而上述地区的淡水资源却十分缺乏。地区资源与传统工艺的局限限制了明胶工业的发展,对明胶工艺的革新提出了迫切的要求。
  20世纪80年代,酶法制备明胶工艺出现,明胶制造酶法工艺主要是采用生物酶作用于动物的骨或皮,降解其中的胶原大分子生产明胶。
  据宋诙介绍,通过利用酶法制备骨明胶,可以省略多次酸碱水洗步骤,简化为酸、酶处理一步反应,缩短了工艺流程,还能够减少90%以上的淡水消耗量,同时节约了大量能源和酸碱试剂。
  “由于其可缩短生产周期、减少环境污染、易于自动化控制及细化明胶品质,是明胶制备技术的发展趋势。”中国科学院天津工业生物技术研究所基因工程与微生物应用技术研究组的研究人员谭明补充道。
  但是,酶法制备明胶还存在着一些不足。首先,目前酶解使用的蛋白酶提取自动植物(如动物内脏、木瓜、菠萝等),其制备过程存在污染和耗能问题。其次,动植物来源的蛋白酶产品稳定性有待提高,酶活性低。第三,蛋白酶活性容易受水解产物的影响,容易失去活性。此外,酶法制备明胶还存在形成的胶原水解产物专一性差,影响了明胶产品质量;明胶制备过程中途需要人为大幅调节pH值等问题,限制了酶法制备明胶工艺的发展。
  新型蛋白酶助力绿色工艺
  在上述背景下,中国科学院天津工业生物技术研究所基因工程与微生物应用技术的研究队伍将目光投向了明胶酶法制备中新型酶的研究。
  宋诙认为,上述酶法制备明胶的不足是由蛋白酶本身的局限造成的,但是目前国内外市场上都还没有专用于明胶制备的高温蛋白。
  因此,宋诙的研究团队从极端土壤环境里能生存的微生物中提取相关基因,然后对得到的高温蛋白酶进行特异性分子改造并进行了外源表达,得到了大量工业蛋白酶。
  随后,他们从获得的新蛋白酶里进行筛选研究,对一些可能制备明胶的蛋白酶进行初步检测,通过工艺过程和产品指标等综合评价,寻找到了一种酶法制备明胶效果较优的新型蛋白酶。
  同时,宋诙的研究团队对酶法制备明胶的工艺进行了革新,将后续的提胶过程由传统的多道提胶工艺改为两道提胶。在运用该新型蛋白酶制备明胶的工艺中,第一道提胶占明胶得率达12%,已接近传统酸碱法多道提胶步骤的得率总和,该新型蛋白酶法制备明胶的总得率也超过了传统方法的14%~15%,达到17%。
  宋诙介绍说,相对于传统酸碱法制备的明胶,酶法明胶的蛋白电泳条带更集中,更单一,所得明胶的冻力值可达250 bloomg以上,黏度值可达4.0 mPa·s,与传统法相当。明胶总生产周期从60多天缩短到5天,减少90%淡水用量,同时减少大量能源和化学制剂消耗,实现了明胶制备的绿色工艺。
  产业化还需“说服”厂家
  据悉,宋诙的研究团队下一步要做的是根据明胶的技术指标(冻力、黏度、透过率),对温度特性、pH 特性、作用效率等蛋白质特性继续进行分子改造。
  “我们还要优化最佳酶的复配方案,探索和优化应用于明胶绿色酶法制备工艺的复合酶配方,优化新型酶生物制备明胶工艺,并与合作企业一起进行工艺的放大及工业化生产示范。整个工艺成熟到能投产,还需要1~2年时间。”宋诙说。
  瞄准酶法制备明胶产业化的还有中科院的另一支研究队伍,据该研究团队一位不愿透露姓名的研究员介绍,该研究团队的酶法明胶生产工艺已在宁夏、内蒙古等省区开展了工业化实验和实施,部分企业产品已经上市形成销售,并将进一步在其他地区进行推广。
  但是,这位研究员认为,对于酶法制备明胶工艺而言,要想在产业化进程中完全替代传统化学工艺,还有一段很长的路要走。
  该研究员指出,在产业化中,酶法制备还有一些重要问题,如酶法制备明胶生产工艺的稳定性,酶法明胶在食品、药品等下游企业中的接受和认可过程等。
  宋诙表示,目前大部分明胶制备厂家采用传统化学法,如果改成酶法,需要给企业证明新工艺能带来巨大的经济效益。
  “要改造传统工艺和建立新的生产线,许多企业不能接受这个风险,而当前一些大企业没有太大竞争压力,对工艺革新的兴趣不大,因此,如何进一步证明酶法工艺能带来巨大价值,对我们来说是一个挑战。”宋诙强调。
(原载于《中国科学报》 2014-05-13 第8版 生物)
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