半纖維素酶高效生產(chǎn)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

主要完成人：

江正強，楊紹青，閆巧娟，劉燕靜，李斌，李延嘯，郭慶文，張偉，王興吉，夏蕊蕊

主要完成單位：

中國農(nóng)業(yè)大學，北京瓜爾潤科技股份有限公司，華中農(nóng)業(yè)大學，山東隆科特酶制劑有限公司，山東龍力生物科技股份有限公司

提名單位：中國輕工業(yè)聯(lián)合會

中國農(nóng)業(yè)大學教授江正強主持的“半纖維素酶高效生產(chǎn)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”項目獲2018年度國家科學技術(shù)進步獎二等獎。半纖維素資源的高效生物轉(zhuǎn)化及利用具有重大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，是目前國際上研究的熱點和難點，該項目圍繞半纖維素的生物轉(zhuǎn)化，在半纖維素水解酶的發(fā)掘、高效制備、益生元轉(zhuǎn)化及應(yīng)用等方面開展了長期、系統(tǒng)研究，取得了系列創(chuàng)新性成果，攻克了半纖維素資源高效利用的技術(shù)難題。項目成果及相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用于山東龍力生物科技股份有限公司和蒙牛乳業(yè)有限公司等50多家企業(yè)，項目打破了國際跨國公司在半纖維素酶生產(chǎn)及益生元轉(zhuǎn)化應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，帶動了我國發(fā)酵、食品、飲料等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟、社會效益和生態(tài)效益。

半纖維素作為第二豐富的可再生資源，具有結(jié)構(gòu)復雜性和多樣性，其益生元轉(zhuǎn)化是國際上研究的熱點和難點；而酶制劑作為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，是食品工業(yè)等快速發(fā)展的催化劑。半纖維素酶主要包括木聚糖酶、甘露聚糖酶和葡聚糖酶，在半纖維素生物轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。益生元作為腸道微生態(tài)調(diào)節(jié)劑對提高國民健康水平具有重要意義。我國在半纖維素酶及益生元等方面起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)業(yè)發(fā)展還存在諸多技術(shù)瓶頸，該項目在國家杰出青年科學基金、863計劃等支持下，經(jīng)過10余年攻關(guān)，取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，主要創(chuàng)新點如下：

一是發(fā)掘了11種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型半纖維素酶，闡明了其酶學特性和催化作用機制，為工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。開發(fā)了半纖維素酶高通量定向篩選技術(shù)，從6000多份樣本中選育出13株高產(chǎn)半纖維素酶的優(yōu)良菌株，如米黑根毛霉CAU432等?？寺”磉_20個半纖維素酶基因，發(fā)掘出11種具有自主知識產(chǎn)權(quán)和優(yōu)良酶學性質(zhì)的半纖維素酶，豐富了我國半纖維素酶品種。率先解析了5個半纖維素酶的晶體結(jié)構(gòu)，闡明了催化作用機制。

二是解決了高效制備半纖維素酶的難題，突破了半纖維素酶工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。采用密碼子優(yōu)化、多尺度優(yōu)化和代謝流調(diào)控等高效表達7種性能優(yōu)秀的半纖維素酶，創(chuàng)立了“三高（高底物轉(zhuǎn)化率、高生產(chǎn)強度和高產(chǎn)量）”新型高密度發(fā)酵技術(shù)，發(fā)酵產(chǎn)酶水平達到國際上同類酶的最高水平。耐高溫木聚糖酶的產(chǎn)酶水平（80360單位/毫升）比野生型提高10.5倍、甘露聚糖酶（85200單位/毫升）和葡聚糖酶（55300單位/毫升）的產(chǎn)酶水平分別為國際上同類酶最高報道的3.5和3.6倍。

三是發(fā)明了半纖維素高效預處理技術(shù)耦合半纖維素酶轉(zhuǎn)化益生元產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，攻克了半纖維素資源高效利用的技術(shù)難題。針對我國益生元產(chǎn)業(yè)化技術(shù)落后的問題，根據(jù)不同半纖維素結(jié)構(gòu)創(chuàng)立了高效預處理方法耦合特異性半纖維素酶生產(chǎn)益生元技術(shù)。利用高溫蒸汽爆破玉米芯耦合耐高溫木聚糖酶水解，顯著提高低聚木糖的生產(chǎn)效率（30%）和品質(zhì)（木二糖和三糖達70%）；開發(fā)醇促降解等預處理協(xié)同特異性甘露聚糖酶生產(chǎn)高品質(zhì)魔芋甘露寡糖技術(shù)（產(chǎn)品中聚合度小于7的甘露寡糖達80%，同類產(chǎn)品僅50%左右）；創(chuàng)新性集成連續(xù)逆流提取同步酶解工藝制備瓜爾膠可溶性膳食纖維，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了瓜爾膠系列益生元的工業(yè)化生產(chǎn)。

該項目發(fā)表論文75篇（其中SCI收錄52篇）；申報國家發(fā)明專利30項，其中授權(quán)20項；授權(quán)實用新型專利4項；制定國家和行業(yè)標準2項以及產(chǎn)品企業(yè)標準6項。項目產(chǎn)品推廣至國內(nèi)乳品、飲料、功能食品及飼料等不同領(lǐng)域50余家企業(yè)應(yīng)用。目前，半纖維素酶國內(nèi)市場占有率從5%提升至30%以上；低聚木糖市場占有率達85%以上。近三年15家企業(yè)累計新增銷售額約76.6億元，新增利潤約11.6億元。獲得中國輕工聯(lián)合會科技進步一等獎1項和國家專利優(yōu)秀獎1項，推動了我國酶制劑和益生元制品行業(yè)發(fā)展和技術(shù)進步。