关于生物酶在医药行业应用的深度调研报告

何为生物酶？

人类对酶的认识是一个漫长的过程。我们的祖先早在几千年前就已经在食品生产和疾病治疗等领域自觉或者不自觉地在利用酶。在夏禹时代就已经掌握了酿酒技术；在周朝人们就会制造饴糖、食酱等食品；在春秋战国时代就懂得用麹来治疗消化不良。我们的祖先不但创造了“酶”这个汉字，而且给出了一个明确的定义：“酶者，酒母也”。这说明我们的祖先在很早以前就对酶已经有了初步的认识。早在1833年人类首次从麦芽中得到了一种可以使淀粉水解生成可溶性糖的物质，并称之为淀粉酶(diastase)，认识到了它的热不稳定性，初步触及到了酶的一些基本问题。在此后的近一百年中，人类虽然认识到了“酶是生物体产生的具有生物催化功能的物质”，但始终未能弄明白酶究竟是一种什么物质。

19世纪50年代，巴斯德(Pasteur)在用酵母进行酒精发酵的研究中发现活酵母细胞内有一种可以将糖发酵生成酒精的物质。1878年库尼(Kuhne)首次将酵母进行酒精发酵的物质称为酶(Enzyme)，这个词汇来自希腊文，其意思是“在酵母中”。萨姆纳(Sumner)在1926年首次从刀豆提取液中分离纯化得到脲酶结晶，并证明它具有蛋白质的性质。在此后的几十年中，近代科学的一系列有关酶的研究结果都证实酶的化学性质是蛋白质，于是人们普遍接受了“酶是具有生物催化功能的蛋白质”这一概念。1982年，切克(Cech)等人发现RNA也具有催化活性，并将这种具有催化活性的RNA称为核酸类酶。RNA具有催化活性的事实就改变了有关酶的概念，这被认为是最近几十年来生物科学领域最令人鼓舞的发现之一。为此，Cech和Altman还共同获得1989年度的诺贝尔化学奖。

生物酶是由活细胞产生的具有生物催化作用的有机物，大部分为蛋白质，也有极少部分为RNA和DNA。

酶催化作用机制

催化剂是具有加速化学反应能力的物质，其自身在化学反应中不发生变化(质量不变，成分也不变)。酶作为催化剂家庭中的一员，有其特殊的属性：

①专一性：每一种生物酶只会有选择地对一种化合物或一类化合物的化学反应起催化作用；

②高效性：酶的催化效率通常比非催化反应高10⁸~10²⁰倍，比一般催化剂高10⁷~10⁷倍；

③低反应条件：在较温和的常温常压下进行；

④活性可调控；

⑤酶本身无毒，无公害，利于环保。但酶反应也有其缺点：提取工艺复杂，价格非常昂贵，反应容易失活，不能重复使用。

酶是高分子化合物，而酶的底物多数是小分子，酶分子中能与底物特异结合并将底物转变成产物的区域，为酶的活性中心。其重要性在于其特有的结构或是多维形状与基团某一部分相匹配，一旦这两部分相结合，在基团分子中特定化学键就像锁被打开一样发生改变。当该反应结束后，酶被释放出来与下一个基团重复反应，依次不断重复。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应(Emzymatic Reaction)。

酶促反应过程示意图

关于酶与底物的作用机制，目前有三种学说：

①锁匙(lock and key)结合假说：由Fisher在1894年提出，酶分子的天然构象是刚性结构的，酶表面具有特定的形状，酶与底物的结合如同一把锁对应一把钥匙一样。

②“三点结合”理论：酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团，酶与底物的结合处至少有三个点。

③诱导-契合学说(induced-fit hypothesis)：1958年Koshland提出酶活性中心的可变性(挠性)。如手与手套的关系，当底物接近酶的活性中心并与之结合时，由于诱导和契合使酶的构象能发生改变，更适合于底物的结合。

生物酶的分类及应用

酶的分类

1961年国际酶学委员会(Enzyme Committee，EC)根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分为6大类：氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类、合成酶类。

酶的应用

生物酶由于其自身卓越的性能，有着极其广泛的应用领域。

生物酶制剂发展历程

国外

人类使用生物酶制剂的时间已达千年之久，工业化生产生物酶也有一百多年的历史。目前已发现酶有5000种左右，其中已经利用的有150种，工业生产的酶约60多种，形成1000多种商业酶制剂。欧洲是酶制剂最发达的地区，酶工程技术在欧洲占有主导地位。近年来日本的酶制剂工业及酶工程产品发展很快。

• 1783年，意大利科学家斯巴兰让尼用“金属笼肉块”实验推断胃液中一定含有消化肉块的物质，说明胃具有化学性消化的作用；

• 1836年德国科学家施旺提取胃液中消化蛋白质的物质—胃蛋白酶；

• 1884年日本人Takamine在美国首先生产用于棉布退浆和消化剂的淀粉酶；

• 1926年美国科学家萨姆纳从刀豆种子中提取出脲酶结晶，并证明它是一种蛋白质；

• 上纪纪30年代，科学家相继提取出多种酶的蛋白质结晶，指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质；

• 上世纪60年代随着发酵技术和菌种选育技术的进步，日本酶法生产葡萄糖获得成功，欧洲加酶洗剂开始流行；

• 70年代酶法生产果葡糖浆又获成功，带动了淀粉深加工工业的兴起，工业酶开始大量需要；

• 80年代美国科学家切赫和奥特曼发现少量RNA也具有催化作用；

• 80年代以后，遗传工程被广泛用于产酶菌种之改良，酶制剂市场迅速增长。

国内

我国生物酶制剂起步较晚，大规模生产始于1965年无锡酶制剂厂的成立。初步由于基础技术的突破，我国生物酶制剂品种迅速增加，应用领域逐步拓宽，生物酶制剂产业取得了较快的发展。近年来由于西方菌种专利垄断，国内简单复配型的技术改进已无前进空间，加上大量项目简单重复建设，导致我国酶制剂产品结构不合理、技术含量较低、产品低端、产能过剩、市场竞争激烈。

2017年1月，中国生物发酵产业协会发布“全国酶制剂行业十强企业”，生产的酶制剂占据我国酶行业近九成：

截至 2015年，我国酶制剂行业生产的产品已有20多个原酶品种(糖化酶、植酸酶、α-淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、果胶酶、脂肪酶、β-淀粉酶、真菌淀粉酶、普鲁兰酶、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶、甘露聚糖酶、半乳糖苷酶、α-乙酰乳酸脱羧酶、乳糖酶、凝乳酶、角质酶等)。五大酶种占酶制剂总产量 79%，其中糖化酶为 30%、植酸酶为22%、淀粉酶为 14%、蛋白酶为 7%，纤维素酶为6%。产品应用于淀粉糖工业、纺织工业、饲料工业、酒精工业、啤酒工业、果汁果酒工业、面食制品加工、皮革工业、造纸工业等多个领域。

我国酶制剂行业面临的主要问题如下：

①研发资金、人员投入不足，研发能力差，国外酶制剂公司在研发上的资金投入约为其销售额的10%左右，国内公司很多不到1%；

②设备落后，生产水平较低，多数工厂还沿用硫酸按盐析工艺或发酵液直接喷雾干燥工艺；

③酶的品种还比较单一，由不同原酶组成具有不同用途的复合酶制剂发展滞后，不能满足市场的需要。我国生产的酶制剂一直都是未经除菌操作的粉状粗酶制剂，这在国外已经淘汰。国外大多生产的是液型酶制剂，并且经过严格的除菌操作，使用安全、纯度较高。

④酶制剂生产过程存在三废对环境的污染问题，比如生产1T液体糖化酶(100000U/mL)可产生COD(化学需氧量)高达5000mg/L以上的废水10T。

针对这样的背景，调整我国酶制剂产品结构也是迫在眉睫。产品结构调整要从我国产业的实际出发，从以下几方面着手。首先，搞好现有产品的升级换代。如，糖化酶和淀粉酶等我国主要产品，要尽快提高发酵水平，降低生产成本，改进产品质量，符合国内外应用和安全的需要，增加产品剂型，满足国内外多方面的应用需求，以增强竞争力。其次，要在新领域，特种领域开发新品种。中国酶制剂除继续加强在食品领域，饲料领域的应用开发外，将侧重在生物漂白、生物制浆、生物制革、生物脱硫等旨在清洁生产、节能、降耗、减排等领域的应用开发。这些领域涉及的酶品种相对多样，达数十种，几乎涉及酶学分类中的六大酶类，除水解酶外，还有氧化还原酶、异构酶、转移酶等。再则，除开发单一酶产品的多用途外，还要重点开发复合酶、多元复合酶，以及与此相配套的特殊使用工艺。只有调整产品结构，使之多样化，我国酶制剂产业才能健康可持续发展。

生物酶的市场需求

据Grand View Research在2016年7月公布的《工业酶制剂未来八年的发展报告》：2015年全球酶制剂市场产值为46.2亿美元，近年来，食品饮料(特别是功能食品)和纺织品等市场的急速扩增为工业酶制剂的市场发展提供强劲助力。生物酶制剂市场主要集中在欧美地区，目前世界上影响力较大的三家酶制剂厂为丹麦的Novo公司(占48%左右)、美国的杜邦公司(约占20%左右)、DSM(6%)。全球各地区在需求呈现较大差异，欧洲和北美地区对工业酶的需求量最大，占据80%，而中国仅占9.4%。

美国工业酶制剂市场未来几年的产品收入分布

在功能食品领域，工业酶消耗量将随着促进消化和提高营养产品市场需求的增加体现出最为显著的扩增，该领域占据最大的市场份额。在洗涤去污领域，生产菌株的优化和低温去污的提升将为洗涤剂厂商创造未来八年持续的市场增长。在动物饲料领域，酶制剂的辅助添加有效提高饲料产品的消化率和营养价值，因此也将呈现前所未有的增长。消耗量较大主要酶制剂包括以下产品：食品饮料：烘焙食品的淀粉酶、果汁饮料的糖类水解酶、酒类酿造和奶酪生产；个人护理和化妆品：皮肤修复面霜、牙膏、漱口水和增白剂等。

①糖酶Carbohydrase是工业酶制剂最大的单一产品，在2015年全球 53 29253 53 15535 0 0 3305 0 0:00:08 0:00:04 0:00:04 3305业酶制剂消耗量整体比重占46%以上，主要体现在食品饮料领域对糖浆的处理和益生元的生产上。②蛋白酶将在2016年到2024年以年均8%的速率增长，主要体现在洗涤去污产品的生产上。发达国家在洗涤去污蛋白酶消耗量上将呈现饱和趋势。

③北美市场的工业酶制剂仍将占据主导市场，2015年市场份额占34%；其中以美国和加拿大食品加工的工业酶消耗量为主体。新的增长点将体现在功能食品、个人护理和纺织品上。

④亚太地区将是未来八年最快增长的区域，年均增长率为10%，主要体现在食品领域的发展。同时，中国、韩国、泰国、日本和印度将是区域内增长最快的国家，除了食品领域还包括个人护理、皮革、纸浆和废水处理等。

工业上使用的酶制剂基本上分为二类：一类是水解酶类，包括淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶、果胶酶、蛋白酶、乳糖酶等，占有市场销售额的75％以上。目前约有60％以上已用基因改良菌株生产的，NOVO公司使用的菌种有80％是基因重组菌株。第二类是非水解酶，占市场销售额10％左右，并有逐年增大的倾向，主要是分析试剂用酶和医药工业用酶。食品工业中，用于淀粉加工用酶所占比例仍是最大，为15％；其次是乳制品工业，占14％。酶在食品、纺织、制革工业等传统的应用虽然已相当广泛，技术上也已很成熟，但是仍在不断发展。

据中国生物发酵产业协会统计，2014年我国酶制剂商品产量21.9万T，企业产值28亿元(不包括外资企业)。2015年我国的酶制剂产量逾120万吨(包括外资企业)，国内市场对酶制剂产品的需要达到136.72万吨，市场规模达256亿元，预计至2022年中国酶制剂产品的市场规格将达到522亿元。

生物酶制剂产品发展周期

根据酶制剂产品发展周期分析图，生物酶制剂行业仍有较强的吸引力，其用于医药及污水处理的生物酶还处于成长期。其产品成功的关键因素：菌种研发水平及生产工艺水平、产品生产成本等。

生物酶行业盈利性分析

整个行业的盈利水平在10-20%之间，但整个行业已呈白热化竞争态势，主要由于70%以上的生产能力为低端大类酶种，领先企业在20%左右。

生物酶在医药领域的应用

酶在医药领域主要用于：①疾病诊断；②疾病治疗；③药物生产。

疾病诊断

酶可应用于疾病诊断：①通过酶活力变化进行疾病诊断；②用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断。

疾病治疗

药用酶的生产是指生产可用于预防和治疗疾病的酶。

L-天冬酰胺酶是第一种用于治疗白血病的酶。因为癌细胞生长时需要天冬酰胺，而L-天冬酰胺酶可以切断天冬酰胺的供给，对白血病的治疗有显著疗效。

药物生产

酶法制药是指利用酶的催化作用而制造出具有药用功效的物质的技术过程。

已商业化生产的酶催化工艺

目前，用在精细化学品生产上的生物催化剂市场不超过2 -3亿美元，仅为酶制剂总市场的5％。生物催化剂市场的很大部分是垄断或半垄断的。这些催化剂常被提供给某个独家用户。例如，意大利的Do Bi-Sclavo公司就专为该国的Recordati公司生产能拆分D/L一对羟苯基甘氨酸的乙内酰脲酶。相对于酶制剂工业的其它部分，生物催化剂产品的销售极为零散，几乎还没有某种生物催化剂产品的市场超过100万美元的。只有B-内酰胺酶类(如青霉素或头孢菌素酰胺酶)是个突出的例外，其市场约为1～2亿美元，占生物催化剂市场的50%。

中国制药绿色酶法之路

绿色酶法技术关键在两个环节，一是找到合适的酶，二是找到酶发挥其活性的环境。也许有不止一个酶是适合的，但是能让其发挥活性，起到媒介作用则很难。

头孢氨苄是抗生素中的一个主要品种，我国头孢氨苄年产量超过两千吨，随着头孢氨苄被纳入国家基本药物目录，未来其需求还将持续增长。2009年12月8日，国际原料药巨头荷兰帝斯曼公司当日正式对外宣布，其使用绿色酶法工艺生产的头孢氨苄原料药“DSM纯安”在淄博公司正式上线投产，这是帝斯曼1996年成功开发出头孢氨苄绿色酶法技术后首次将之引入中国。由于绿色酶法主要原料为酸、碱和酶，几乎不使用其他任何特殊的化学品，完全不使用致癌化学物质二氯甲烷，因此在生产中不使用可能具有致癌作用的化学溶剂，有机溶剂的使用量降低了90%，在化学法工艺中使用较多的化工原料四甲基胍，在绿色酶法技术中也不再使用，污水COD的排放量减少了80%。若使用“DSM纯安”生产每40000万粒头孢氨苄胶囊，即可减少5.5公斤二氯甲烷的使用量。另外，由于没有残留溶剂，其纯度也会更高，药品的毒性和不良反应率都将大大降低。

头孢氨苄的酶法合成路线

2013年2月，帝斯曼又成功推出酶法制头孢克洛，二代口服头孢菌素。

2012年9月华北制药取得酶法生产头孢氨苄阶段性成果：中试放大产品质量符合药典标准，2013年2月华北制药又投资建设绿色酶法阿莫西林项目，产能达2400吨，之后华北制药升级整合青霉素类产业链，令其享誉海内外的传统领域。

绿色酶法技术不仅仅是安全环保的代名词，其背后还有成本的优势，而这正是我国原料药突围低附加值的利器。以头孢氨苄为例，年产量以2000吨计，如果全部采用绿色酶法技术，可以减少近17000吨有机溶剂和化工原料的使用和排放。在能源消耗上，酶法工艺大约是化学工艺的一半。如果全部使用绿色酶法技术，头孢氨苄生产二氧化碳排放量可减少10,000吨～12,000吨。此外，在生产成本中，化学溶酶占据着90%的份额，因此采用酶法技术就意味着大幅降低化工原料与能源消耗方面的成本。相对于头孢氨苄的绿色酶法技术的渴望，国内企业更关注阿莫西林酶法技术何时登录中国，而帝斯曼方面也透露此事还在考虑之中。“重要的是知识产权保护，这是帝斯曼谨慎的关键因素。”一位业内人士说。目前，帝斯曼已在全球范围内(包括中国)取得了绿色酶法技术多项专利，但是“解密”的一天终将到来。

展望

我国还未成为酶制剂生产强国，尤其在医疗酶制剂开发生产上，远远落后于欧美发达国家水平。根据酶制剂产品发展周期，生物酶制剂行业仍有较强的吸引力，其用于医药及污水处理的生物酶还处于成长期。

中国生物酶行业的发展趋势：部分工业生物酶大宗化；饲料酶迅速发展；液体洗涤剂的发展带来洗涤剂酶的发展。2015年由国家多部门联合制定的《战略性新兴产业分类》，将生物酶产品列入目录中，其在战略新兴目录的代码为3.1.5，该产品国民经济行业代码产品代码为26150401。将生物酶列入国家战略新兴产业目录，表明国家对该产品战略意义及发展前景的认可。

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