中國酶制劑產業的現狀與未來展望

陳 堅， 劉 龍， 堵國成

（1.江南大學 工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫 214122）

中國酶制劑產業的現狀與未來展望

陳 堅1，2， 劉 龍1，2， 堵國成1，2

（1.江南大學 工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫 214122）

酶是一種專一性極高的生物催化劑，廣泛應用于食品、紡織、飼料、醫藥、造紙等行業領域。作者分析了中國酶制劑產業的發展現狀及其面臨的主要問題，介紹了酶制劑在食品、紡織、飼料等領域的應用，并對中國酶制劑產業的技術發展趨勢進行了展望。

酶制劑；現狀；發展趨勢；食品酶；紡織酶；飼料酶

酶是由活細胞產生的、催化特定生物化學反應的一種生物催化劑。酶制劑是酶經過提純、加工后的具有催化功能的生物制品，主要用于催化生產過程中的各種化學反應，具有催化效率高、高度專一性、作用條件溫和、降低能耗、減少化學污染等特點，其應用領域遍布食品（面包烘烤業、面粉深加工、果品加工業等）、紡織、飼料、洗劑劑、造紙、皮革、醫藥以及能源開發、環境保護等方面。

酶制劑產業是知識密集型高技術產業，是生物工程領域的重要組成部分。目前為止，已報道發現的酶類有3 000多種，但其中已實現大規模工業化生產的只有60多種［1］。據報道，全世界酶制劑市場正以平均11%的速度逐年增長［2］。酶制劑產業的發展前景相當廣闊。中國酶制劑產業經過50多年的長足發展，已進入世界酶制劑生產的大國行列，目前已實現規模化生產的酶制劑達到30種左右。

1 中國酶制劑產業的發展現狀及特點

我國酶制劑工業經歷了起步階段、上升階段及快速發展階段。酶制劑年產量從2005年的48萬t增長到2010年的77.5萬t，復合增長率達到10.1%。由于酶制劑技術的不斷創新，應用領域的不斷延伸和擴展，這使得中國酶制劑行業近年來一直保持10%左右的快速增長。目前，逐步成熟的酶制劑研究及應用技術使中國酶制劑產業正向“高檔次、高活性、高質量、高水平、多領域”方向發展。

1.1 中國酶制劑的種類和應用領域

中國最早的酶制劑工業起于上世紀中葉，生產的產品主要為應用于紡織退漿的BF7658α－淀粉酶。20世紀90年代末，高溫α－淀粉酶和高轉化液體糖化酶開始在酒精、味精、制糖、啤酒等行業廣泛應用。當時中國酶制劑主要以淀粉酶和糖化酶為主，兩者總量占出口總額的80%以上。現在中國酶制劑產品已經更新換代，主要包括以下9大類：糖化酶、淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、植酸酶、半纖維素酶、果膠酶、飼用復合酶、啤酒復合酶等。其中，糖化酶、淀粉酶、植酸酶產量過萬噸；纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶所占比例較小，但增長較快。中國酶制劑的主要應用領域包括：淀粉糖工業、啤酒工業、燃料酒精工業、酒與飲料工業、飼料工業、紡織工業、制藥工業、造紙工業、精細化工工業、洗滌劑工業、皮革工業、焙烤工業、乳制品工業、石油工業等。酶制劑產業在中國正逐步成為獨立行業，促進了國民經濟發展。

1.2 中國酶制劑的產量和進出口狀況

近來，中國酶制劑產業總體生產和銷售形勢較好，產品產量保持了持續增長。中國酶制劑產量從2005年的45萬t增加至2010年的77.5萬t，年產值近100億元，6年平均增長率達10.1%（圖1）。2010年中國酶制劑產量較2009年同比增長12.3%左右（圖1）。國內企業生產的酶制劑主要種類以糖化酶、淀粉酶、植酸酶等為主。

圖1 2005－2010年中國酶制劑產量Fig.1 The production of China enzyme preparation from 2005 to 2010

中國酶制劑出口增加值持續擴大，出口到數十個國家和地區。2010年出口總量達到8.2萬t，出口額達到2.3億美元（圖2）。中國酶制劑產品2010年與2009年相比，出口量及出口額均有所上升，出口量增長21.3%，出口額增長15.0%。其中，粗制凝乳酶及其濃縮物出口量及出口額有所下降，堿性蛋白酶、堿性脂肪酶等出口方面明顯增加，堿性蛋白酶的出口量增長了2倍以上，酶制劑產品的總出口水平良好，提升穩定。

圖2 2005－2010年中國酶制劑出口量Fig.2 Exports of China enzyme preparation from 2005 to2010

中國酶制劑產業種類相對單一，與國外相比還有一定距離。中國需進口一些國內急需但制造尚不及國外的酶類。2010年中國酶制劑進口量達到9 147.8 t，進口額度達到1.28億美元。與2009年相比，2010年酶制劑的進口量與進口額均有微降（表1）。

表1 2009－2010年中國酶制劑進口量Tab.1 Imports of China enzyme preparation from 2009 to 2010

1.3 中國酶制劑生產企業及現狀

通過市場整合，中國酶制劑逐步形成了一個較穩定的生產格局和市場格局，基本告別了無序競爭的現象，進入了良性發展的軌道，出現了一批有特色有規模的重點生產企業，如山東隆大生物工程有限公司、武漢新華揚生物股份有限公司、湖南鴻鷹祥生物工程股份有限公司、湖南尤特爾生化有限公司、青島康地恩生物科技有限公司等。中國酶制劑生產企業有百余家，其中年銷售收入超億元的企業有10家左右。新技術的引進和開發使中國部分酶制劑的品種和質量接近或達到國際先進水平，但一些產品的競爭趨于激烈，如纖維素酶和堿性果膠酶等。酶制劑產業總量保持高增長態勢，但發展出現不均衡現象，一些企業增速達到30%以上，一些企業增速緩慢。價格優勢促進了中國酶制劑應用市場的發展和成熟，市場的成熟進一步促進了企業向規模化和現代化發展。中國酶制劑與國際酶制劑的一流生產企業相比，中國酶制＊劑企業的發酵罐規模偏小，在線控制水平偏低。同時，科研投入能力有限，研發能力有待進一步加強。

2 中國食品酶產業的發展現狀

食品工業已經成為中國國民經濟的支柱產業。2010年中國食品工業總產值達6.2萬億元，占中國生產總值的15.57%。2000至2010年中國食品工業總產值的年平均增長率達20%。伴隨著中國食品工業的持續、穩定、快速發展，中國食品酶制劑市場空間也在迅猛增長，廣泛應用于食品行業各個領域［3］。中國食品酶制劑種類較多，主要包括釀造酶、乳品酶、淀粉酶、蛋白酶、油脂酶、風味酶、果品酶等。其中，碳水化合物用酶、蛋白質用酶、乳品用酶占食品酶制劑的比重較大，所占比例為81.7%（圖3（a））。在食品加工過程中常用的酶制劑主要有以下幾種：木瓜蛋白酶、谷氨酰胺轉胺酶、彈性蛋白酶、溶菌酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、異淀粉酶、纖維素酶、超氧化物歧化酶、菠蘿蛋白酶、無花果蛋白酶、生姜蛋白酶等［4］。中國已批準使用于食品工業的酶制劑有α－淀粉酶、糖化酶、固定化葡萄糖異構酶、木瓜蛋白酶、果膠酶、β－葡聚糖酶、葡萄氧化酶、α－乙酰乳酸脫氨酶等，主要應用于果蔬加工、焙烤、乳制品加工等方面［5］。中國啤酒業發展迅速，啤酒總產量已躍居世界第一位，2006年總產量超過3 000萬噸，這與食品酶在啤酒釀造過程中的應用有密不可分的聯系。淀粉酶行業發展快速，產量成倍增長，品種逐漸增多，至2006年產量已超過500萬噸。新型酶制劑正應用于針劑葡萄糖、液體葡萄糖漿、高麥芽糖漿、果葡糖漿以及各種低聚糖的生產中。淀粉糖替代蔗糖已應用于食品加工、糖果、啤酒及飲料生產中。功能性低聚糖已被人們所接受，淀粉糖對酶制劑的品種和質量提出了更高的要求，新型酶制劑的推出為這些行業提供了發展所需條件。

中國食品酶產業發展迅速，2010年中國食品酶總產值達到80億元。中國食品酶每年正以15%的速度成遞增趨勢（圖3（b））。目前中國已建立了較為完備的食品酶制劑生產體系，可以大規模生產包括碳水化合物、蛋白質、乳品深加工酶制劑在內的食品酶制劑。但伴隨著中國食品工業的快速發展，中國酶制劑種類已不能滿足食品工業的需要，酶制劑工業正不斷推出新型酶制劑、復合酶制劑、高活力和高純度特殊酶制劑來滿足日益發展的食品工業需要。

圖3 中國食品酶產值比例及增長Fig.3 Ratio and growth of output of China food enzyme

3 中國紡織酶產業的發展現狀

紡織工業是中國傳統產業和支柱產業，在國內生產總值和外貿出口總值中占有重要比例。中國紡織工業總產值占國民生產總值的12%～15%，是一個對國民經濟有突出貢獻的制造行業。但中國紡織工業總體存在嚴重污染的問題，尤其是在印染加工過程中，傳統工藝耗費大量的水和化學品，同時造成環境污染并破壞生態平衡（圖4（a））。據2010年《第一次全國污染源普查公報》，造紙行業污水排放量和COD總量均為第一，紡織行業分別為第五和第二。因此基于酶技術的紡織生物技術對紡織工業提高產品質量，實現環境友好工藝和生物材料（纖維功能化）加工，從而促進中國傳統紡織產業的升級改造將起到重要的作用。

圖4 紡織物前處理工藝變化及發展趨勢Fig.4 The change and future prospects of textile pre－treatment process in China

20世紀80年代，以淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶等為代表的紡織酶制劑，主要用于織物退漿、牛仔布整理和真絲脫膠等，在工業上得到了廣泛應用，也代表著紡織生物技術開始興起。進入21世紀以后，中國酶制劑在紡織工業中的應用領域逐步擴大，包括纖維改性、原麻脫膠、印染前處理、印染廢水處理、服裝成衣加工等領域。目前，紡織用酶制劑加工工藝已涉及到幾乎所有的紡織濕加工領域，市場規模呈穩定遞增趨勢（圖5）。

圖5 2007－2011年中國紡織用酶制劑市場規模Fig.5 Market of China textile enzyme preparation from 2007 to 2011

實現生態整理、綠色染整成為印染行業的當務之急，此時生物酶退漿處理工藝（圖4（b））應運而生。但普通淀粉酶耐堿性能較差，生物退漿和生物精練工藝不能同時進行，導致工藝復雜、勞動強度大、生產效率低、水耗和能耗較高，降低了產品國際市場競爭力。在紡織物處理過程中，應用堿性淀粉酶可使退漿與精練工藝合并（圖4（c）），此工藝具有如下優點：高預洗滌效果，高織物質量，高預處理效益，低污染，高纖維表面效果，節省時間，更小的織物損壞，極大提高了產品市場競爭力和經濟效益。對織物前處理進行進一步分析發現，將退漿與精練兩步合并，成本并沒有降至最低。如果堿性淀粉酶具有一定的抗過氧化氫能力，則退漿、精練與漂白可合為一步（圖4（d）），這樣既節省了時間，對織物造成的損壞會降至最低，極大提高了經濟效益，是下一步棉織物前處理的發展趨勢。目前無論是在學術界還是工業界，以開發新型高效復合酶制劑用于染整前處理（堿性果膠裂解酶、角質酶等）、織物后整理（腈水合酶、角質酶等）、棉織物漂白（過氧化氫酶）和麻類生物脫膠（果膠酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶等）為主導，包括原料改造、工藝改進、材料改性等內涵的紡織生物技術在國際上形成了新的熱潮。隨著紡織工業節能減排和清潔生產技術的大力推廣，中國紡織用酶制劑將得到更快發展。

雖然中國紡織酶制劑的生產和應用在過去十幾年已取得了長足發展，但中國紡織酶制劑加工技術在加工理論和加工工藝以及酶制劑的性能方面與世界先進水平仍存在較大差距，主要體現在以下幾個方面：1）國內酶制劑研究、生產單位缺乏對紡織加工領域的認識，不熟悉各種紡織加工的特點，對紡織加工中可能用到的酶處理技術并未引起足夠的重視和興趣。2）紡織行業無法自行開發相應的紡織專用酶制劑，只能采用傳統食品領域生化試劑。由于傳統食品領域生化試劑不適合紡織纖維加工特點和要求，性能上尚存在很大差距，難以實際應用［6］。3）國內紡織酶產品品種少、生產水平低、與紡織工業生產處理適應性差、缺少工業應用研究。市場長久被國外酶制劑公司壟斷，價格居高不下，紡織酶處理工藝在國內一直沒有得到大規模推廣。

4 中國飼料酶產業的發展現狀

飼料酶制劑是近年來伴隨飼料工業和酶制劑工業不斷發展而出現的一種新型飼料添加劑，具有提高養分消化率、提高配合飼料質量穩定性、降低環境污染等作用。作為一類高效、無毒、無副作用和環保性的綠色飼料添加劑，飼料酶制劑已成為世界工業酶產業中增長速度最快、勢頭最強勁的一部分，其應用效果已在世界范圍內得到公認。中國飼料酶制劑自20世紀80年代開始在飼料中添加應用，20世紀90年代中國最早生產的飼料酶制劑商品開始進入市場，至2000年中國飼料酶制劑的年銷售量達到8 000 t以上。近年來中國飼料酶制劑市場規模逐漸擴大，由2006年的4.64億元增加到2010年的6.82億元（圖6），2009年中國國內用于動物飼料添加劑的酶制劑總量超過1萬t，且增長速度迅猛［7］。開發飼料用酶有著重大意義：1）可緩解飼料資源短缺、人畜爭糧的局面，有利于保障糧食安全；2）提供更為安全、優質的動物產品，有利于保障食品安全；3）減輕環境污染，保障養殖業的可持續發展，是一種環保型綠色飼料添加劑。

圖6 2006－2010年中國飼料酶制劑市場規模Fig.6 Market of China feed enzyme preparation from 2006 to 2010

目前中國飼料酶種類有20多種，主要包括：淀粉酶、蛋白酶、木聚糖酶、β－甘露聚糖酶、纖維素酶、β－葡聚糖酶、植酸酶和復合酶等。這些酶制劑可分為兩大類：1）以降解多糖和生物大分子物質為主，包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、糖化酶、纖維素酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶。主要功能是破壞植物細胞壁，使細胞內容物充分釋放出來；2）以降解植酸、β－葡聚糖、果膠等抗營養因子為主，主要包括植酸酶、β－葡聚糖酶和果膠酶，其主要功能是降解細胞壁木聚糖和細胞間質的果膠成分，提高飼料的利用率［8］。

經過多年的發展，中國飼料酶制劑生產企業隊伍逐步壯大，目前國內生產飼料酶制劑的企業有數十家之多。其中生產銷售收入較大的幾家包括：武漢新華揚生物股份有限公司、青島康地恩生物科技有限公司、山東隆大生物工程有限公司、湖南鴻鷹祥生物工程股份有限公司、湖南尤特爾生化有限公司等。

中國飼料酶制劑在應用發展過程中存在一定的問題：1）飼料復合酶制劑生產大多為固態發酵，生產的復合酶制劑質量不穩定，發酵水平和酶蛋白的產量較低；2）中國飼料廠顆粒飼料制粒溫度普遍較高，制粒后復合酶的各種酶活力都有不同程度降低，影響了酶制劑的作用效果；3）微生物發酵生產飼料酶的酶活力不高［8］。

5 中國酶制劑產業存在的問題分析

經過幾十年的發展，中國酶制劑產業從無到有，初步形成一定規模。在發展過程中，由于中國酶制劑產業起步晚，受到國外同行業企業的較大壓力。近年來，中國酶制劑產業發展速度迅猛，取得了明顯進步。但從世界酶制劑工業來看，高新技術在世界酶制劑產業的應用進一步拉大了中國酶制劑產業和世界先進水平的差距。整個行業生產規模小，技術研發力量薄弱，產品相對單一，結構不合理等問題突出。

1）研發投入和研發創新能力不足。中國酶制劑企業用于開發新產品、改進生產工藝的資金平均不到其產品銷售額的4.5%，人員投入也嚴重不足。主要原因是國內酶制劑企業相對規模較小，全行業企業每年研發投入資金總量累計不足1億元人民幣。但由于酶制劑產業屬于技術密集型產業，需要大量資金投入。國外酶制劑企業研發投入一般占總銷售額的10%以上。諾維信公司近3年的研發投入一直維持在銷售總額的13%以上，2010年研發投入折合人民幣為16.9億元左右。研發投入的嚴重不足，導致中國酶制劑企業技術儲備薄弱，發展面臨巨大挑戰。

2）生產工藝及設備水平相對落后。中國酶制劑產業的各項生產技術水平與國外相比存在一定的落后。國內酶制劑生產大多采用較為傳統的發酵、分離提取技術和制劑制備技術，造成資源嚴重浪費、產品純度不高、產品質量偏低等問題。國外酶制劑生產過程中，廣泛采用基因工程、蛋白質工程、人工合成、模擬和定向進化改造等技術。其中，以基因工程和蛋白質工程為主的高科技成果在酶制劑生產領域中已實現產業化，為酶制劑產業帶來革命性的發展。國內在該領域的研究還相對薄弱，自主創新的酶制劑應用技術落后，成為中國國產酶制劑市場進一步擴大的主要限制性因素。

3）酶制劑產品結構不合理、應用深度不夠。中國酶制劑仍以傳統酶制劑種類（糖化酶、淀粉酶、蛋白酶等）為主，缺少高端酶制劑產品，結構不合理。同時，由于品種單一和惡性競爭現象存在，導致中國酶制劑行業經濟效益較差，發展后勁不足。目前，國外酶制劑企業正在大力發展液劑型、顆粒型產品，重視固定化酶的發展。國內酶制劑由于提取技術、工藝和裝備水平相對落后，產品以粗酶為主，質量參差不齊，應用受到限制。國際酶制劑的主流是附加值高的復合酶。復合酶的開發需以酶制劑生產和應用的綜合技術為背景。國內酶制劑公司在生產酶制劑品種應用方面缺乏應用車間及專業研究人員等，缺乏根據原料、工藝和設備情況，通過試驗提出相應解決方案的條件，限制了中國酶制劑產業的進一步快速發展。

6 中國酶制劑產業的民菜趨勢與對策

中國酶制劑產業的下一步的快速發展需要技術創新，只有形成自主強有力的技術創新體系，才可能取得酶制劑產業的長足發展。加強具有自主知識產權的產品及技術研發，加大醫藥用酶制劑、食品加工用酶制劑、紡織工業用酶制劑、飼料工業用酶制劑、生物能源用酶制劑、造紙工業用酶制劑和洗滌工業用酶制劑等酶制劑產品的研發。在酶制劑生產菌種的構建方面，應采用基于組學的酶編碼基因挖掘技術。通過對不同樣品的采集，建立生產多種不同性質酶的微生物庫。在建立的微生物庫中，尋找合適的酶。對合適酶學性質的，采用分子生物學和基因組學等手段，破譯酶編碼基因，進行序列比對。通過基因及其編碼蛋白序列的比對，尋找基因序列與功能之間的規律。根據表達酶的來源、性質及應用，選擇合適載體與宿主，構建高效表達酶的重組菌株。對構建獲得的高效表達的重組菌株，采用發酵過程優化控制策略進行優化，獲得可以高效表達性質合適的酶。

在工業酶性質改造方面，應采用基于酶結構功能相關性的酶分子改造技術。對編碼酶氨基酸的基因序列進行擴增、分析，通過易錯PCR技術，構建具有不同性質酶的基因文庫。從基因文庫中，篩選、獲得具有優良性質的工業酶。同時，可以根據對酶分子結構及氨基酸序列功能進行分析方式，根據對酶特定酶學性質的需求，采用定點突變的方式，改造酶分子的關鍵區域，達到改變酶學性質的目的。將改造后工業酶的基因序列通過重組的方式，在表達宿主中高效表達，獲得具有高催化效率、特定沒酶學性質的工業酶。

在工業酶高效表達系統構建方面，采用基于DNA重組技術的工業酶高效分泌型表達系統的構建技術。通過篩選的方式，獲得高效分泌信號肽。將高效分泌信號肽與酶目的基因序列及載體重組，獲得帶有高效分泌信號肽和目的基因序列的重組載體。通過分子生物學手段，改造分子伴侶系統及分泌表達元件，提高表達分泌系統的分泌能力。對酶調控途徑進行分析，改造酶調控途徑，提高酶合成效率。

在工業酶分泌發酵調控方面，采用基于跨膜轉運理論的工業酶分泌發酵調控技術。通過分子生物學手段，轉錄翻譯合成酶蛋白。通過對酶蛋白分子及細胞膜的研究，確定酶蛋白分子跨膜運輸機理，構建細胞膜透性與酶分子分泌機制模型。采用共表達等策略，在分子水平改善細胞膜通透性，強化酶蛋白分子轉運途徑，提高酶分泌效率。

在酶制劑復配方面，應采用基于反應作用機理的酶復配及應用評價技術。通過研究酶與底物的作用機理，分析底物微觀結構變化。采用產單一酶多菌種／產多種酶單一菌種混合發酵策略，應用數學模型模擬獲得最佳復配方案。同時，應注重挖掘新型酶助劑，進一步提高酶制劑的性能和應用效率。加快酶制劑后處理，推進膜分離技術、顆粒酶造粒技術及發酵廢液后處理技術的研發、推廣和應用。

此外，要通過爭取國家在酶制劑行業的立項支持，盡快建立起一些具有一定規模和一定研究水平的酶制劑研發基地，并形成科研生產一條龍體系，加快科研成果的產業化。技術創新基地的建設當以企業為主體，在國家政府支持的同時融入包括高校在內的多方力量，以求在高新技術領域實現一些重大突破，使我國在世界酶制劑市場保持一定的競爭優勢。加快酶制劑行業國家工程研究中心與企業技術中心建設，鼓勵和支持銷售規模過億元的企業，或通過組建技術創新聯盟，或通過建立自己的酶制劑應用研究中心，加強應用技術研究。加強酶制劑行業公共技術創新服務平臺建設，加大平臺為企業和政府的服務力度，聚集資源，優勢組合，營造酶制劑行業積極向上的創新氛圍和高效運轉的支撐系統。

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Current Status and Prospects of Enzyme Preparation Industry in China

CHENJian1，2，LIULong1，2，DUGuo－cheng1，2
（1.Key Laboratory of Industrial Biotechnology，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Enzyme is a biological catalyst with high specificity and has been widely used in food，

textile，feed，pharmaceutical，paper and other industries.In this review，the current status and the existing problems of enzyme preparation industry in China were firstly analyzed，and then the applications of enzyme in food，textile，feed and other industries were summarized，

and finally the development prospects of enzyme industry were outlined.

enzyme preparation，present status，trend，food enzyme，textile enzyme，feed enzyme

TQ 925

A

1673－1689（2012）01－001－07

2012－01－10

國家863計劃項目（2011AA100905）。

陳堅（1962－），男，江蘇揚州人，工學博士，教授，博士研究生導師，國家杰出青年基金獲得者，主要從事食品生物技術和生化工程研究。Email：jchen＠jiangnan.edu.cn