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24年前,学成回国的何志敏博士,为了恩师余国琮院士,在天津大学创建起一个新的团队.

12年前,刚刚获得博士学位的齐崴,选择留在导师何志敏教授课题组,继续为这个团队服务.

今天,齐崴教授的身边,也聚集了多位出色的青年教师.光阴轮转之间,他们薪火相传,不断为这个团队引入活水,也浇灌着天津大学酶工程与技术课题组这棵充满生机与活力的树木.

接力发展,延续生机

1990年7月,何志敏老师在意大利拉奎拉大学获得博士学位.学成回国不久,在天津大学化学工程研究所时任所长余国琮院士的鼓励和支持下创立了生化工程课题组.

成立之初,课题组以“生物分子阻滞传递”和“蛋白质分子结构模拟”等生物化工领域前沿性基础理论研究为主研方向,并开展“生化反应-液相色谱分离耦合过程研究及装置研制”等应用基础性科研工作,先后承担5项国家自然科学基金项目,为日后的发展打下了坚实的基础.上世纪90年代末,以天津市导向性重大科技攻关项目“酶法制取低聚甘露糖”为契机,课题组开始向酶工程与技术方向拓展.10年间,先后完成8项国家自然科学基金项目,以及“863”计划项目“多功能酪源活性肽连续酶解制备技术及产品”等多项国家和省部级科研课题.其中,何志敏教授领衔完成的“酶的结构、稳定性及应用基础研究”被授予2000年度天津市自然科学一等奖（排名第一）.

凭借扎实的科研工作,课题组在酶工程与技术领域形成了一套比较完整的研究体系,从发酵产酶到新型酶固定化技术开发,再到酶催化转化应用,同时开展复杂酶反应过程表征与建模的理论研究,从基础到应用,涵盖较广,成为了这个团队发展的主方向.齐崴恰恰赶上了这个时期.

2002年初,生化工程实验室更名为酶工程与技术课题组.与此同时,齐崴也完成了博士学业,并留校任职.“与生物化工结缘,完全是因为恩师何志敏教授.”齐崴说.

而后,面对21世纪生物技术的新发展,课题组牢牢把握国家能源需求等重大问题,力求以之为导向,坚持基础研究为主、转化应用并重的科研思路,以酶工程与生物催化转化技术为核心,以研发高附加值生化产品为目标,以生物质能源、生物基化学品和生物材料为主要研究方向,在前沿课题上开辟新的生长点.依托天津大学化学工程研究所和化学工程联合国家重点实验室两个平台,课题组在酶化工领域已先后承担国家和省部级科研项目40余项,发表SCI、EI论文近200篇,专利40余项,先后培养博士后2人,博士40余名,硕士80余名.在这个不算庞大的团队中,除何志敏和齐崴两位教授外,还有王康、苏荣欣二位副教授,以及王梦凡、黄仁亮两位讲师,团队中入选国家“百千万人才工程”第一、二层次者1人、教育部跨世纪优秀人才1人,新世纪优秀人才2人,北洋青年学者1人,北洋青年骨干教师3人.

有始有终,做线性研究

“酶是一种具有催化功能的蛋白质.做酶化工,应该做一条线、一个系统.”提到课题组的研究,齐崴开始为我们详细介绍.她所说的“一条线”,是从酶的制备开始的.

以β-甘露聚糖酶为例,这是一类能够水解半纤维素中第二大组分异甘露聚糖的内切酶,在医药、食品、饲料、造纸、纺织、印染、洗涤、石油开采及生物技术等诸多领域都有极其广泛的应用.为了更好地制备β-甘露聚糖酶,课题组进行了多尺度的系统研究.在分子水平上,他们完成了β-甘露聚糖酶的基因测序、克隆表达和三维结构同源模建,探讨了酶结构与功能的关系；从细胞研究出发,构建了代谢网络模型,比较重要节点的代谢通量,基于代谢网络计算了酶的最大理论收率；而在反应器尺度上,则建立了发酵动力学模型,开展扩试规模发酵放大试验,经粒子群算法优化获得产酶和产糖的理想生产工艺.

“得到酶是第一步.相对来说,酶还是比较娇气的,要应用到工业化中必定要进行修饰.”所以,围绕如何提高酶制剂的酶活、产量与稳定性等产品工程核心问题,课题组系统开展了吨级发酵生产与提取纯化的规模化试验,通过天津市重大科技攻关项目、天津市科技攻关重点项目、中石油大港油田公司科研项目等多项研究,获得了具有自主知识产权的酶制剂发酵与纯化工业性生产工艺,中试规模发酵酶活居国内领先水平.为工业、饲料、食品行业制得的不同级别的酶制剂产品,也通过了饲料与食品行业标准检测,并成功拓展应用于大港油田实井压裂采油工艺及功能性低聚糖的连续酶解制备,为我国工业酶制剂增加了一个新品种,带动了相关领域清洁生产技术的应用.

这个过程其实并不容易,作为新一代工业生物技术的主体,生物催化转化以酶促反应为核心,进行物质间转化.然而,在苛刻的工业反应条件下,游离酶极易失活,大大限制了其适用空间.如何提高酶的活性与稳定性就成为生物催化领域的中心议题.

为此,课题组将纳米技术与生物技术结合,开展了新型交联酶聚体（CLEAs）技术开发和反胶团中酶稳定性研究等工作；提出了CLEAs一步固载法、多孔化CLEAs、骨架化CLEAs、糖类添加剂保护、囊化多酶CLEAs等一系列固定化酶新方法,使酶制剂稳定性与重复利用性大幅提高.同时课题组还构建了一系列新型反胶团体系,并对反胶团介质中酶的稳定性、催化特性、反应动力学及反应器开发等进行了系统研究,以期使反胶团酶的活性和稳定性达到工业化要求.

勇于尝试,拓展应用前景

“有基础研究,也有应用拓展”,这是课题组一直以来的研究宗旨.在他们看来,没有转化到工业中的技术是没有意义的,两者并重才能柳暗花明.“在应用研究方面,现在组里分为几大类.”齐崴开始一一介绍.

一是生物活性肽的制备.活性肽是生命体的基石和新药研发的源泉.酪蛋白作为牛乳中含量最高的蛋白质,不仅含有人体全部必需氨基酸,而且还是近十类百余种活性多肽的有效肽源,功能涵盖免疫调节、自由基清除、矿物质载体、抗癌、抑菌、溶栓、降压等.体外酶解制备的相关多肽既可作为保健品食用,进一步纯化还可作为安全性极高的潜在药物.课题组成功开发了酶解与膜滤集成并组合离子交换层析,连续、稳定、高效一体化制取多种高附加值活性肽的新工艺,成功研制出用于多肽酶法制备的“反应―分离―反冲”多级酶膜耦合反应器及自控系统,获多项发明专利授权,产品达到国家保健品通用标准,相关产品抗菌肽可应用于动物抗菌药物和饲料添加剂,替代目前广泛使用的多种抗生素,解决人、畜出现的耐药性问题,具有很好的应用前景.另一方面是生物质能源领域.“自然界中含量最高的可再生资源就是纤维素”.基于这个出发点,课题组希望利用酶催化技术和糖平台技术,将木质纤维素转化为生物燃料和生物基化学品,尤其是燃料乙醇.通过近8年的工作积累,课题组围绕纤维素乙醇生产过程中的预处理、酶解糖化、同步糖化发酵/共发酵等关键技术环节,开发了多种过程强化技术,在酶作用机理分析和新型反应器设计方面取得了多项成果.这些工作,在一定程度上将有助于可再生新能源的开发.

“不止如此,对于抗生素、香精香料等高附加值产品,都可以采用酶催化来取代传统化工中的反应.”事实上,课题组已成功开发了β-甘露聚糖酶、β-半乳糖苷酶、低聚甘露糖、低聚半乳糖、活性多肽等多种特色产品.“酶法制备相关功能性产品的最大优势就是高效、温和、环保、节能.”

的确如此,低聚甘露糖产品的原料是可食用的魔芋粉,催化剂是课题组自主研发的绿色β-甘露聚糖酶制剂.天然药物和保健品制备更是如此,例如：课题组采用“酶法强化提取与树脂纯化精制”新工艺制得了“酶解/水提”丹参素粗品、“大孔树脂吸附洗脱”的丹参素纯品,以及酶法辅助乙醇提取的丹参酮产品,实现了丹参水溶性和脂溶性成分的综合利用,获得多项国家发明专利授权；而采用酶法皂化辅助提取法,则可以从烟叶中制得高纯茄尼醇产品.在天然保健品开发中,大豆异黄酮可以借助酶法辅助碱醇提取工艺,结合溶剂萃取与水洗精制,从大豆中高效提取；茶多酚则可用纤维素酶、果胶酶等辅助溶剂提取工艺高效制得.香精香料产品也可在脂肪酶的催化作用下绿色合成制备.上述工艺

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