生物制造產業亟待增強版“芯片” 酶制劑應用范圍越來越廣

從統計數字上看，我國酶制劑在產量和消費量上增長都很快，但是由于我國整體市場體量非常大，因此還有非常大的提升空間。

孫周通

中國科學院天津工業生物技術研究所研究員

近日，在科技部生物中心組織開展的“綠色生物制造”重點專項2020年度申報項目答辯評審中，6大任務之一的“工業酶創制與應用”，受到業內普遍關注。

“工業酶制劑是工業生物技術中比較成熟且有潛力的核心產業，具有數十倍甚至上百倍的下游市場放大效應，因此被譽為生物制造產業的‘芯片’。”中國科學院天津工業生物技術研究所孫周通研究員5月17日接受科技日報記者采訪時表示，目前，我國已經進入全球酶制劑生產大國行列，產量提升了，但在性能方面仍與世界水平存在一定差距。未來我國從酶制劑生產大國向強國邁進，還需要擁有更多自主知識產權的創新成果。

酶制劑應用范圍越來越廣

據孫周通介紹，工業酶制劑是酶經過加工復配后的具有催化功能的生物制品，主要用于催化不同應用場景下的各種化學反應。目前全球已報道發現的酶類有3000多種，實現規模化生產的酶制劑有60多種。

工業酶制劑具有催化效率高、專一性好、反應條件溫和、能耗低、化學污染較少等特點，因此其應用“朋友圈”不斷擴大，被廣泛應用于洗滌、紡織、飼料、食品、果汁加工、乳制品、皮革、造紙、醫藥、化工等行業，并且應用技術水平也不斷提高。

“在我國，酶制劑應用最廣的行業就是食品工業。食用酶制劑的應用可以達到80%，排在世界首位。”孫周通介紹，目前中國已批準使用于食品工業的酶制劑達50多種。比如淀粉的深加工，將α-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖異構酶順序作用于淀粉，就可以生產出蔗糖的替代品——高果糖漿。

此外酶制劑還廣泛應用于釀酒工業。“酶制劑用于釀酒，可以提高出酒率、生產效率，酒的風味和質量也明顯提高。”孫周通表示，比如葡萄酒中芳香化合物萜烯與糖結合，會影響葡萄酒香氣，而萜烯從糖中游離出來就能揮發出香氣。用β-葡萄糖苷酶作用于各種萜烯葡萄糖苷，能使萜烯游離，強化葡萄酒的香氣。

在紡織行業中的一些工藝也會應用到酶制劑，比如棉和合成纖維等織物的經紗在織造前大都先經過漿紗處理，漿料在染制過程中會影響織物的濕潤性，并阻礙化學品對纖維的接觸，因此織物要經過退漿過程。傳統退漿工藝都是用酸堿，而采用淀粉酶進行退漿，可以改性漂白，使織物更加柔軟。

隨著環境和經濟社會發展的需求，動物飼料領域刺激著全球酶制劑市場需求增長。“在我國，對飼用酶制劑的需求也明顯增多。特別是2020年我國飼料全面禁止添加抗生素后，很多抗生素都將由酶替代。”孫周通介紹，用木聚糖酶、植酸酶、葡萄糖氧化酶等處理過的飼料，不僅能提高飼料營養價值，還能起到抗病、防病的效果。

我國酶制劑產量和消費量快速增長

根據新思界產業研究中心發布的《2018—2022年中國酶制劑行業發展前景及投資風險規避建議報告》，我國酶制劑行業經過長期不斷發展，現階段已經能夠規模化生產的酶制劑種類有30多種。2017年，我國酶制劑產量達到135萬標準噸，2013年—2017年我國酶制劑年復合增長率為10%，我國酶制劑市場消費量在全球總量中的占比為9%以上。

“從統計數字上看，我國酶制劑在產量和消費量上增長都很快，但是由于我國整體市場體量非常大，因此還有非常大的提升空間。”孫周通認為。

令人感到欣喜的是，我國酶制劑市場份額在全球的比重已由“十二五”初期的不足10%提升到現在的近30%，產品市場競爭力大幅提升，涌現出一批具有競爭力的本土酶制劑生產企業，比如武漢新華揚、廣州溢多利、山東隆大、青島蔚藍等。

在飼用酶制劑領域，國內酶制劑的研發水平和發酵工藝不斷提高，生產成本持續降低，飼用酶制劑不但完成進口替代，占領了大部分國內市場份額，而且成為少數幾個出口創匯的飼料添加劑品種之一。

據了解，像溢多利這樣的龍頭企業，目前在海外市場已取得20個國家官方產品注冊，銷售網絡遍布泰國、越南、馬來西亞等60多個國家和地區，在全球各地共取得了18項產品認證。

“盡管在飼用酶制劑方面我國取得了一定突破，但我國大多數酶制劑都存在產量雖多產品卻不強的問題。”孫周通解釋，“雖然我國通過近幾十年的發展，解決了很多酶制劑從無到有的問題，但產品的性能卻仍有待提高。比如耐高溫淀粉酶國產每毫升效價1萬個單位，國際水平是3萬個單位;堿性蛋白酶，國產每毫升效價20萬個單位，國際水平是40萬個單位，性能差距還是相當明顯。”

產品性能差的直接后果就是，國產酶制劑企業成本高利潤低。數據顯示，我國酶制劑制造成本占銷售額的70%—80%，而國外僅占30%—35%，企業利潤率低于外企的2—4倍，使國產酶制劑整體競爭優勢變小。

提高行業競爭力要靠技術研發創新

“要想提高我國酶制劑的市場競爭力，技術研發創新要跟上，要擁有更多自主知識產權的創新技術。”孫周通認為，如果菌種和表達系統一味依賴進口走捷徑，隨著國外對性能優良的酶編碼基因、高效表達體系及綠色應用工藝陸續申請專利保護，我國面臨的知識產權風險堪憂。

目前我國在酶制劑方面的創新研究主要圍繞著提高酶制劑催化性能和高效表達系統這兩個問題展開。

孫周通介紹，提高效價就是提高酶的催化性能，通過在大自然中篩選和基于對大數據的挖掘，尋找更加高效的酶，或者通過對酶進行改造，以提高它們的性能。“獲得催化性能高的酶后，還需要通過工業化生產出來，因此高效表達系統的構建也至關重要。”孫周通說，通用性強的規模表達體系被國際大型公司視為核心競爭力，這也是我們工業界需要解決的重要問題。

近幾年，隨著我國在創新研究方面的投入，工業酶制劑領域也取得了不少創新成果。比如中國農業科學院飼料研究所姚斌研究員團隊建立了完整的飼用酶基礎研究和產品開發技術平臺，解決了飼用酶性能、成本、知識產權和可持續研發等瓶頸問題，使我國飼用酶迅速發展成為一個具有國際競爭力的研究領域和社會經濟效益顯著的新型產業。

“在某些領域的酶制劑取得突破，讓我們看到了希望，但我國酶制劑行業起步較晚，研發技術水平、經驗積累、研發資金投入以及生產設備等方面均有不足，制約了我國酶制劑行業的進一步發展。”孫周通表示，下一步，我國要針對國內所需的重要酶種，比如液態酶制劑、蛋白酶等繼續加強新技術研發力度，解決工業酶性能改造、低成本生產和應用開發等關鍵技術問題。同時，我國酶制劑本土企業也需加大研發投入，努力發展具有自主知識產權的創新技術，調整產品結構，提高產品質量。

孫周通最后強調，提升行業整體技術水平、提高國際競爭力是我國酶制劑行業未來發展的重點。