近10年內(nèi)全球化學(xué)品產(chǎn)量增加了4倍,，生物催化劑的使用卻讓污染物的排放量減少了20%。環(huán)境重壓之下,，以綠色生物工藝改造傳統(tǒng)的化學(xué)加工業(yè),，就如同“數(shù)碼技術(shù)”取代“膠片技術(shù)”一樣成為必然趨勢。
遺憾的是,，我國至今還沒能建立起一套完整的以生物催化技術(shù)為核心的綠色工業(yè)體系,。
“我國造紙、紡織,、皮革,、有機(jī)化工等領(lǐng)域，仍然以化學(xué)加工為主,，普遍存在高能耗,、高物耗、高水耗等問題,，這些領(lǐng)域也是環(huán)境污染的重點(diǎn)源頭,。”
在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副所長,、工業(yè)酶國家工程實(shí)驗室主任馬延和表示,，我國亟須研制一批具有重要應(yīng)用價值的大宗工業(yè)酶制劑，實(shí)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)解析,、分子改造到規(guī)?；磉_(dá)制備的技術(shù)創(chuàng)新，加快促進(jìn)傳統(tǒng)工藝的綠色轉(zhuǎn)型升級,。
革新傳統(tǒng)工藝
值得注意的是,，近十多年來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,，但資源和能源消耗卻是世界平均水平的2~3倍,，COD（化學(xué)需氧量）排放持續(xù)超高。
COD是在一定的條件下,，采用一定的強(qiáng)氧化劑處理水樣時,，所消耗的氧化劑量。它是表示水中還原性物質(zhì)多少的一個指標(biāo),。水中的還原性物質(zhì)有各種有機(jī)物,、亞硝酸鹽,、硫化物、亞鐵鹽等,，但主要是有機(jī)物,。因此，COD又往往作為衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少的指標(biāo),。COD越大,，說明水體受有機(jī)物的污染越嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計,，我國輕紡和化學(xué)品制造的整體COD排放占全國總排放的60%,，其中造紙占30%、紡織占10%,、制革占5%,。
然而眼前的現(xiàn)實(shí)是，由于造紙,、紡織等上述工業(yè)領(lǐng)域為我國貢獻(xiàn)了7萬億以上的GDP，約占全部GDP的18%,，即使這些領(lǐng)域污染排放量大,，我國也不可能簡單地將其關(guān)閉或轉(zhuǎn)移。
在馬延和看來,，我國工業(yè)領(lǐng)域急需采取更多的綠色技術(shù)與工藝來提升產(chǎn)業(yè)水平,，大幅度節(jié)能減排。而工業(yè)酶在輕紡與化工等工業(yè)過程中的應(yīng)用,，可大大降低化學(xué)品的用量,，降低水耗、物耗,，節(jié)能減排效果顯著,。
例如，在造紙紙漿處理中,，木聚糖酶的應(yīng)用可以減少后續(xù)漂白段25%~35%的用氯量,，減少漂白廢水總有機(jī)氯約30%；在紡織領(lǐng)域,，果膠酶,、脂肪酶、蛋白酶等生物酶精煉與傳統(tǒng)堿精煉相比,，COD排放降低近98%,，能耗降低40%。
從世界范圍來看,，工業(yè)酶在傳統(tǒng)輕工行業(yè),、化學(xué)品制造,、生物煉制等領(lǐng)域的應(yīng)用也在明顯加快，特別是植物纖維加工用酶,，如半纖維素酶,、果膠酶等在棉布加工、紙漿漂白,、廢紙脫墨等方面有了較大發(fā)展,。
馬延和表示，這些工業(yè)酶制劑的應(yīng)用正在推動傳統(tǒng)紡織,、造紙等行業(yè)工藝路線的革新,，實(shí)現(xiàn)能耗、廢棄物排放以及物耗水平的大幅降低,。
開發(fā)新型酶技術(shù)
在馬延和看來,，近年來，工業(yè)酶相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的研究進(jìn)展十分明顯,。例如,，新基因、新酶的挖掘和相關(guān)高通量篩選,、高通量應(yīng)用性能評估技術(shù),；酶的分子改造特別是理性設(shè)計和非理性設(shè)計的結(jié)合等。另外,，酶的化學(xué)修飾和固定化也是工業(yè)酶研發(fā)的一個非?；钴S的領(lǐng)域。
由于工業(yè)酶潛在的商業(yè)價值,，歐美還涌現(xiàn)出一批學(xué)術(shù)型創(chuàng)新公司,，這些公司的技術(shù)水平幾乎與世界頂尖實(shí)驗室同步，而且技術(shù)更商用,、更細(xì)致,、更規(guī)范。
可是反觀我國,，工業(yè)酶制劑依然存在性能差,、成本高、應(yīng)用難等核心技術(shù)問題,，與國外先進(jìn)水平存在較大差距,。
不過，值得一提的是,，我國在酶的資源和改造,、酶的部分應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)水平和發(fā)展勢頭上，依然具有良好的基礎(chǔ)條件,。
據(jù)馬延和介紹,，我國已經(jīng)成功地從極端環(huán)境篩選到了大量的具有優(yōu)良性質(zhì)的工業(yè)用酶,，包括木聚糖酶、漆酶,、果膠酶,、蛋白酶、過氧化氫酶等,，基于基因組序列數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)新酶的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)也得到了較大的進(jìn)展,。
與此同時，我國學(xué)術(shù)界還能夠迅速采用國際上主要的先進(jìn)技術(shù),，如定向進(jìn)化技術(shù)和迭代組合突變技術(shù)等,，并發(fā)展了若干具有國際水平的原創(chuàng)技術(shù)，如細(xì)菌自裂解篩選技術(shù)以及通過體外分子進(jìn)化技術(shù)獲得耐高溫β-葡萄糖苷酸酶,、木聚糖酶,、高活性的α-淀粉酶等。
作為我國工業(yè)酶制劑研發(fā)的領(lǐng)軍人物之一,，馬延和表示,，我國目前正在從化學(xué)工業(yè)過程轉(zhuǎn)型升級對工業(yè)酶的需求出發(fā)，積極開展化工,、紡織,、造紙、制革,、制膠、有機(jī)合成等領(lǐng)域的重大工業(yè)用酶研制及其工程化應(yīng)用研究,。
研究的重點(diǎn)主要包括：工業(yè)酶結(jié)構(gòu)功能解析與分子設(shè)計改造,、蛋白質(zhì)高效表達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建和規(guī)模化發(fā)酵,、酶分子修飾,，以及酶制劑的復(fù)配等關(guān)鍵技術(shù)；研制木聚糖酶,、果膠酶,、過氧化氫酶、蛋白酶,、脂肪酶等新型酶制劑,，提高酶蛋白的工業(yè)適應(yīng)性，降低成本,。
