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生物制造产业亟待增强版“芯片”

来源:科技日报2021-05-19 09:50

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  从统计数字上看,我国酶制剂在产量和消费量上增长都很快,但是由于我国整体市场体量非常大,因此还有非常大的提升空间。

  孙周通

  中国科学院天津工业生物技术研究所研究员

  近日,在科技部生物中心组织开展的“绿色生物制造”重点专项2020年度申报项目答辩评审中,6大任务之一的“工业酶创制与应用”,受到业内普遍关注。

  “工业酶制剂是工业生物技术中比较成熟且有潜力的核心产业,具有数十倍甚至上百倍的下游市场放大效应,因此被誉为生物制造产业的‘芯片’。”中国科学院天津工业生物技术研究所孙周通研究员5月17日接受科技日报记者采访时表示,目前,我国已经进入全球酶制剂生产大国行列,产量提升了,但在性能方面仍与世界水平存在一定差距。未来我国从酶制剂生产大国向强国迈进,还需要拥有更多自主知识产权的创新成果。

  酶制剂应用范围越来越广

  据孙周通介绍,工业酶制剂是酶经过加工复配后的具有催化功能的生物制品,主要用于催化不同应用场景下的各种化学反应。目前全球已报道发现的酶类有3000多种,实现规模化生产的酶制剂有60多种。

  工业酶制剂具有催化效率高、专一性好、反应条件温和、能耗低、化学污染较少等特点,因此其应用“朋友圈”不断扩大,被广泛应用于洗涤、纺织、饲料、食品、果汁加工、乳制品、皮革、造纸、医药、化工等行业,并且应用技术水平也不断提高。

  “在我国,酶制剂应用最广的行业就是食品工业。食用酶制剂的应用可以达到80%,排在世界首位。”孙周通介绍,目前中国已批准使用于食品工业的酶制剂达50多种。比如淀粉的深加工,将α-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖异构酶顺序作用于淀粉,就可以生产出蔗糖的替代品——高果糖浆。

  此外酶制剂还广泛应用于酿酒工业。“酶制剂用于酿酒,可以提高出酒率、生产效率,酒的风味和质量也明显提高。”孙周通表示,比如葡萄酒中芳香化合物萜烯与糖结合,会影响葡萄酒香气,而萜烯从糖中游离出来就能挥发出香气。用β-葡萄糖苷酶作用于各种萜烯葡萄糖苷,能使萜烯游离,强化葡萄酒的香气。

  在纺织行业中的一些工艺也会应用到酶制剂,比如棉和合成纤维等织物的经纱在织造前大都先经过浆纱处理,浆料在染制过程中会影响织物的湿润性,并阻碍化学品对纤维的接触,因此织物要经过退浆过程。传统退浆工艺都是用酸碱,而采用淀粉酶进行退浆,可以改性漂白,使织物更加柔软。

  随着环境和经济社会发展的需求,动物饲料领域刺激着全球酶制剂市场需求增长。“在我国,对饲用酶制剂的需求也明显增多。特别是2020年我国饲料全面禁止添加抗生素后,很多抗生素都将由酶替代。”孙周通介绍,用木聚糖酶、植酸酶、葡萄糖氧化酶等处理过的饲料,不仅能提高饲料营养价值,还能起到抗病、防病的效果。

  我国酶制剂产量和消费量快速增长

  根据新思界产业研究中心发布的《2018—2022年中国酶制剂行业发展前景及投资风险规避建议报告》,我国酶制剂行业经过长期不断发展,现阶段已经能够规模化生产的酶制剂种类有30多种。2017年,我国酶制剂产量达到135万标准吨,2013年—2017年我国酶制剂年复合增长率为10%,我国酶制剂市场消费量在全球总量中的占比为9%以上。

  “从统计数字上看,我国酶制剂在产量和消费量上增长都很快,但是由于我国整体市场体量非常大,因此还有非常大的提升空间。”孙周通认为。

  令人感到欣喜的是,我国酶制剂市场份额在全球的比重已由“十二五”初期的不足10%提升到现在的近30%,产品市场竞争力大幅提升,涌现出一批具有竞争力的本土酶制剂生产企业,比如武汉新华扬、广州溢多利、山东隆大、青岛蔚蓝等。

  在饲用酶制剂领域,国内酶制剂的研发水平和发酵工艺不断提高,生产成本持续降低,饲用酶制剂不但完成进口替代,占领了大部分国内市场份额,而且成为少数几个出口创汇的饲料添加剂品种之一。

  据了解,像溢多利这样的龙头企业,目前在海外市场已取得20个国家官方产品注册,销售网络遍布泰国、越南、马来西亚等60多个国家和地区,在全球各地共取得了18项产品认证。

  “尽管在饲用酶制剂方面我国取得了一定突破,但我国大多数酶制剂都存在产量虽多产品却不强的问题。”孙周通解释,“虽然我国通过近几十年的发展,解决了很多酶制剂从无到有的问题,但产品的性能却仍有待提高。比如耐高温淀粉酶国产每毫升效价1万个单位,国际水平是3万个单位;碱性蛋白酶,国产每毫升效价20万个单位,国际水平是40万个单位,性能差距还是相当明显。”

  产品性能差的直接后果就是,国产酶制剂企业成本高利润低。数据显示,我国酶制剂制造成本占销售额的70%—80%,而国外仅占30%—35%,企业利润率低于外企的2—4倍,使国产酶制剂整体竞争优势变小。

  提高行业竞争力要靠技术研发创新

  “要想提高我国酶制剂的市场竞争力,技术研发创新要跟上,要拥有更多自主知识产权的创新技术。”孙周通认为,如果菌种和表达系统一味依赖进口走捷径,随着国外对性能优良的酶编码基因、高效表达体系及绿色应用工艺陆续申请专利保护,我国面临的知识产权风险堪忧。

  目前我国在酶制剂方面的创新研究主要围绕着提高酶制剂催化性能和高效表达系统这两个问题展开。

  孙周通介绍,提高效价就是提高酶的催化性能,通过在大自然中筛选和基于对大数据的挖掘,寻找更加高效的酶,或者通过对酶进行改造,以提高它们的性能。“获得催化性能高的酶后,还需要通过工业化生产出来,因此高效表达系统的构建也至关重要。”孙周通说,通用性强的规模表达体系被国际大型公司视为核心竞争力,这也是我们工业界需要解决的重要问题。

  近几年,随着我国在创新研究方面的投入,工业酶制剂领域也取得了不少创新成果。比如中国农业科学院饲料研究所姚斌研究员团队建立了完整的饲用酶基础研究和产品开发技术平台,解决了饲用酶性能、成本、知识产权和可持续研发等瓶颈问题,使我国饲用酶迅速发展成为一个具有国际竞争力的研究领域和社会经济效益显著的新型产业。

  “在某些领域的酶制剂取得突破,让我们看到了希望,但我国酶制剂行业起步较晚,研发技术水平、经验积累、研发资金投入以及生产设备等方面均有不足,制约了我国酶制剂行业的进一步发展。”孙周通表示,下一步,我国要针对国内所需的重要酶种,比如液态酶制剂、蛋白酶等继续加强新技术研发力度,解决工业酶性能改造、低成本生产和应用开发等关键技术问题。同时,我国酶制剂本土企业也需加大研发投入,努力发展具有自主知识产权的创新技术,调整产品结构,提高产品质量。

  孙周通最后强调,提升行业整体技术水平、提高国际竞争力是我国酶制剂行业未来发展的重点。

[ 责编:武玥彤 ]
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