郭燕川：研發酶法明膠的“帶頭人”

◎ 文/李云山

郭燕川：研發酶法明膠的“帶頭人”

◎ 文/李云山

可持續發展是我國科技發展永恒的主題，環境保護問題在現階段和今后很長一段時間內將日益突出，發展節能、綠色的生產工藝是大勢所趨。結合新技術，開發明膠的制備工藝，以提高生產效率，實現清潔生產是明膠行業的發展趨勢，而由郭燕川博士領銜的中科院理化技術研究所明膠室團隊研發的酶法制膠工藝，有望為明膠制造工藝帶來一場新的革命。

明膠的前世今生，科技創新引領節能之路

明膠是從骨、皮、肌腱、膜及其它動物結締組織的生膠質（又稱膠原）中提取出來的蛋白質，它是一種具有水溶性、能凝凍的膠體物質。這種獨特的結構特點，決定了明膠具有許多優良的物理化學性質（如親水性、膠凍性、成膜性、表面活性等）而被廣泛應用于許多領域，如作為食品、醫藥包裝（膠囊殼、片劑糖衣）的重要原料，近年來，隨著人們對明膠的認識不斷加深，其應用逐漸拓展至功能食品、醫療器械等高附加值產業。

骨明膠工業已有約200年歷史，一直沿用傳統堿法工藝制備。但采用該工藝面臨生產周期長、效率低——根據季節氣候的不同，從50到60天；用水量大——每生產1噸明膠需耗水400-500噸（相應煤和電消耗也大）；污染環境——大量廢酸和浸灰水需要龐大的污水處理系統來處理等問題。傳統工藝明膠生產對水電資源的過分依賴和對環境的嚴重污染，使企業面臨巨大的環保壓力。在提倡節能減排的今天，這些傳統的制備方法已經遠不能適應當今國家環境保護的高標準要求。因此，尋找新的清潔環保的方法，是明膠產業發展的必然。

針對傳統方法的不足，研究者開始對酶法制膠進行研究。用酶處理使膠原溶解并經熱變性而成為明膠的方法稱為酶法。酶法明膠制備新工藝從根本上解決了傳統工藝的三大缺陷，使生產周期縮短為傳統工藝的二十分之一（2-3天），耗水量減少約50%，特別是沒有氫氧化鈣堿廢液排放，減少污染，節約大量的治污排污費用。在節能、環保日益嚴格的大環境下，傳統工藝的明膠制造企業急需技術升級為企業帶來更加廣闊的發展空間。

不斷進取，做最優秀的研發團隊

一直以來，國內外對酶法明膠技術的研究都還停留在實驗階段，未能進入工業化應用。自中科院理化技術研究所與寧夏公司共同完成酶法骨質明膠技術的工業化生產后，我國因此成為世界上第一個完成酶法明膠工業生產實施的國家，突破了現有傳統明膠生產工藝，開創了明膠技術新時代。

中科院理化技術研究所明膠室在明膠領域有近40年的研究基礎，2016年被認定為中國輕工業明膠重點實驗室，同年理化所被授予“中國日用化工協會明膠分會第八屆理事會常務理事單位”。研究組主要圍繞膠原、明膠、膠原肽開展研究工作，在研發、試驗、項目建設的數年時間里，鍛煉了一支隊伍、成長了一批人才。

1999年，理化所明膠研究組開始進行酶法明膠生產工藝的系統研究，由老中青三代科技人員組成科研團隊，經過十幾年的艱苦拼搏，立足基礎研究，強化工程技術開發，相繼突破了酶解配方與工藝控制、酶解工藝配套設備開發、其他配套輔助工藝開發等技術難題，解決了從實驗探索走向成熟生產的關鍵技術。2002年，8公斤的實驗室中試研究成果通過了中科院科技成果鑒定。鑒定委員會認為：該項目的完成是明膠生產中一次重大突破，屬國際領先水平。短短幾年的時間里，研究組就把該工藝從“國內領先”做到了“國際領先”，這不僅是量的積累，更是一個質的飛躍。2012年，在中科院理化所廊坊科技園區完成實驗室中試車間建設，主要是搭建單批次500立升的自動化中試制備實驗系統，包括骨粒磨粉設備選型、骨粉預處理罐、純水系統、熱水系統、酶解反應罐、棉餅處理、樹脂交換處理系統、一級、二級膜濃縮系統、干燥系統等的確立。總計進行中試實驗上百次，完成了骨料預處理系統開發和酶解反應系統的探索和優化，以及酶法明膠其它分離等后處理工序的設備選型和工藝參數優化，為進一步擴大生產奠定了基礎。

酶法明膠設備

全面技術攻關，精心培育市場

一項重大技術創新，可以推動一場技術革命；一場技術革命，可以引領一個行業乃至多個領域的科學變革。可以預見，酶法制膠工藝的開發成功將給明膠工業注入巨大活力。2014年10月，酶法明膠制造技術實現了工業化生產，在寧夏鑫浩源生物科技股份有限公司建成了1000噸/年酶法骨明膠生產示范線，成果通過寧夏省科技成果鑒定。公司2015年在新三版成功掛牌。2016年，在寧夏鑫浩源公司完成了3000噸/年規模的生產運行。目前酶法明膠產品已銷售至食品、照相、藥用輔料等行業。該項目獲得中國產學研創新成果優秀獎和寧夏省科技進步三等獎。目前已與埃塞俄比亞當地研究所和企業開展合作，著手在埃塞進行3000噸/年明膠廠建設。

但是理化所的成員沒有松懈和停下腳步，在他們看來，明膠行業剛剛步入綠色發展、低碳發展的新時期。“這只是萬里長征邁出了第一步，能夠實現批量化連續生產，有市場有效益，才是真正的成功。”

我國酶法制膠研究經過近五十年的努力，已取得了巨大進步。隨著明膠越來越多的功能性被發現以及對明膠質量要求的逐步提高，酶法制膠的強大優勢必然會吸引越來越多的明膠工作者投身這項研究中來。希望這項高效、節能、綠色的新技術能夠在明膠生產實踐中得到全面推廣應用，為我國明膠行業的可持續發展作出貢獻。

人物簡介

郭燕川，現任中科院理化所研究員、中國科學院理化所明膠研究室主任、中科院理化所杭州研究院生物基材料中心主任、中科院理化所生物材料與應用技術研究中心副主任、中國輕工業明膠重點實驗室主任、中國輕工業協會明膠分會科技委主任、《明膠科學與技術》雜志副主編、美國化學會/中國化學會會員。長期致力于生物酶解過程及在明膠、殼聚糖等生物制品工業生產中的應用研究，明膠及膠原蛋白肽及其衍生物在健康與醫療領域的應用研究，和生物活性陶瓷材料研制及在硬組織修復領域的應用研究。共承擔國家863、科技部國際合作專項、北京市科技計劃、國家自然科學基金、中科院重點部署等研究課題10余項，企業橫向項目10余項。所負責的酶法明膠生產工藝技術項目，是中國科學院重點部署項目和中科院理化所“十三五”重點培育項目。2010年在中科院理化所獲物理化學博士學位，2010年至2011年作為訪問學者在加州大學洛杉磯分校基礎醫學院從事分子生物學研究工作。發表論文100余篇，SCI收錄40余篇, 申請中國專利40項（授權20項）、美國專利3項（授權2項），獲中國產學研創新成果獎1項、寧夏省科技進步三等獎1項。