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(wù)之一的“工業(yè)酶創(chuàng)制與應(yīng)用”，受到業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注。
“工業(yè)酶制劑是工業(yè)生物技術(shù)中比較成熟且有潛力的核心產(chǎn)業(yè)，具有數(shù)十倍甚至上百倍的下游市場放大效應(yīng)，因此被譽為生物制造產(chǎn)業(yè)的‘芯片’。”中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)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(jīng)進入全球酶制劑生產(chǎn)大國行列，產(chǎn)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(chǎn)大國向強國邁進，還需要擁有更多自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果。
酶制劑應(yīng)用范圍越來越廣
據(jù)孫周通介紹，工業(yè)酶制劑是酶經(jīng)過加工復(fù)配后的具有催化功能的生物制品，主要用于催化不同應(yīng)用場景下的各種化學(xué)反應(yīng)。目前全球已報道發(fā)現(xiàn)的酶類有3000多種，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的酶制劑有60多種。
工業(yè)酶制劑具有催化效率高、專一性好、反應(yīng)條件溫和、能耗低、化學(xué)污染較少等特點，因此其應(yīng)用“朋友圈”不斷擴大，被廣泛應(yīng)用于洗滌、紡織、飼料、食品、果汁加工、乳制品、皮革、造紙、醫(yī)藥、化工等行業(yè)，并且應(yīng)用技術(shù)水平也不斷提高。
“在我國，酶制劑應(yīng)用最廣的行業(yè)就是食品工業(yè)。食用酶制劑的應(yīng)用可以達(dá)到80%，排在世界首位。”孫周通介紹，目前中國已批準(zhǔn)使用于食品工業(yè)的酶制劑達(dá)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(gòu)酶順序作用于淀粉，就可以生產(chǎn)出蔗糖的替代品——高果糖漿。
此外酶制劑還廣泛應(yīng)用于釀酒工業(yè)。“酶制劑用于釀酒，可以提高出酒率、生產(chǎn)效率，酒的風(fēng)味和質(zhì)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(jié)合，會影響葡萄酒香氣，而萜烯從糖中游離出來就能揮發(fā)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(yè)中的一些工藝也會應(yīng)用到酶制劑，比如棉和合成纖維等織物的經(jīng)紗在織造前大都先經(jīng)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(xué)品對纖維的接觸，因此織物要經(jīng)過退漿過程。傳統(tǒng)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(huán)境和經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，動物飼料領(lǐng)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(yǎng)價值，還能起到抗病、防病的效果。
我國酶制劑產(chǎn)量和消費量快速增長
根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2018—2022年中國酶制劑行業(yè)發(fā)展前景及投資風(fēng)險規(guī)避建議報告》，我國酶制劑行業(yè)經(jīng)過長期不斷發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)能夠規(guī)模化生產(chǎn)的酶制劑種類有30多種。2017年，我國酶制劑產(chǎn)量達(dá)到135萬標(biāo)準(zhǔn)噸，2013年—2017年我國酶制劑年復(fù)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(tǒng)計數(shù)字上看，我國酶制劑在產(chǎn)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(rèn)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(xiàn)在的近30%，產(chǎn)品市場競爭力大幅提升，涌現(xiàn)出一批具有競爭力的本土酶制劑生產(chǎn)企業(yè)，比如武漢新華揚、廣州溢多利、山東隆大、青島蔚藍(lán)等。
在飼用酶制劑領(lǐng)域，國內(nèi)酶制劑的研發(fā)水平和發(fā)酵工藝不斷提高，生產(chǎn)成本持續(xù)降低，飼用酶制劑不但完成進口替代，占領(lǐng)了大部分國內(nèi)市場份額，而且成為少數(shù)幾個出口創(chuàng)匯的飼料添加劑品種之一。
據(jù)了解，像溢多利這樣的龍頭企業(yè)，目前在海外市場已取得20個國家官方產(chǎn)品注冊，銷售網(wǎng)絡(luò)遍布泰國、越南、馬來西亞等60多個國家和地區(qū)，在全球各地共取得了18項產(chǎn)品認(rèn)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(shù)酶制劑都存在產(chǎn)量雖多產(chǎn)品卻不強的問題。”孫周通解釋，“雖然我國通過近幾十年的發(fā)展，解決了很多酶制劑從無到有的問題，但產(chǎn)品的性能卻仍有待提高。比如耐高溫淀粉酶國產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)明顯。”
產(chǎn)品性能差的直接后果就是，國產(chǎn)酶制劑企業(yè)成本高利潤低。數(shù)據(jù)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(yè)利潤率低于外企的2—4倍，使國產(chǎn)酶制劑整體競爭優(yōu)勢變小。
提高行業(yè)競爭力要靠技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新
“要想提高我國酶制劑的市場競爭力，技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新要跟上，要擁有更多自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)。”孫周通認(rèn)為，如果菌種和表達(dá)系統(tǒng)一味依賴進口走捷徑，隨著國外對性能優(yōu)良的酶編碼基因、高效表達(dá)體系及綠色應(yīng)用工藝陸續(xù)申請專利保護，我國面臨的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險堪憂。
目前我國在酶制劑方面的創(chuàng)新研究主要圍繞著提高酶制劑催化性能和高效表達(dá)系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(yè)化生產(chǎn)出來，因此高效表達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)建也至關(guān)重要。”孫周通說，通用性強的規(guī)模表達(dá)體系被國際大型公司視為核心競爭力，這也是我們工業(yè)界需要解決的重要問題。
近幾年，隨著我國在創(chuàng)新研究方面的投入，工業(yè)酶制劑領(lǐng)域也取得了不少創(chuàng)新成果。比如中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所姚斌研究員團隊建立了完整的飼用酶基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)平臺，解決了飼用酶性能、成本、知識產(chǎn)權(quán)和可持續(xù)研發(fā)等瓶頸問題，使我國飼用酶迅速發(fā)展成為一個具有國際競爭力的研究領(lǐng)域和社會經(jīng)濟效益顯著的新型產(chǎn)業(yè)。
“在某些領(lǐng)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(yè)起步較晚，研發(fā)技術(shù)水平、經(jīng)驗積累、研發(fā)資金投入以及生產(chǎn)設(shè)備等方面均有不足，制約了我國酶制劑行業(yè)的進一步發(fā)展。”孫周通表示，下一步，我國要針對國內(nèi)所需的重要酶種，比如液態(tài)酶制劑、蛋白酶等繼續(xù)加強新技術(shù)研發(fā)力度，解決工業(yè)酶性能改造、低成本生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)問題。同時，我國酶制劑本土企業(yè)也需加大研發(fā)投入，努力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
孫周通最后強調(diào)，提升行業(yè)整體技術(shù)水平、提高國際競爭力是我國酶制劑行業(yè)未來發(fā)展的重點。
