關於生物酶在醫藥行業應用的深度調研報告

作者：言午

何為生物酶？

人類對酶的認識是一個漫長的過程。我們的祖先早在幾千年前就已經在食品生產和疾病治療等領域自覺或者不自覺地在利用酶。在夏禹時代就已經掌握了釀酒技術；在周朝人們就會製造飴糖、食醬等食品；在春秋戰國時代就懂得用麹來治療消化不良。我們的祖先不但創造了「酶」這個漢字，而且給出了一個明確的定義：「酶者，酒母也」。這說明我們的祖先在很早以前就對酶已經有了初步的認識。早在1833年人類首次從麥芽中得到了一種可以使澱粉水解生成可溶性糖的物質，並稱之為澱粉酶(diastase)，認識到了它的熱不穩定性，初步觸及到了酶的一些基本問題。在此後的近一百年中，人類雖然認識到了「酶是生物體產生的具有生物催化功能的物質」，但始終未能弄明白酶究竟是一種什麼物質。

19世紀50年代，巴斯德(Pasteur)在用酵母進行酒精發酵的研究中發現活酵母細胞內有一種可以將糖發酵生成酒精的物質。1878年庫尼(Kuhne)首次將酵母進行酒精發酵的物質稱為酶(Enzyme)，這個辭彙來自希臘文，其意思是「在酵母中」。薩姆納(Sumner)在1926年首次從刀豆提取液中分離純化得到脲酶結晶，並證明它具有蛋白質的性質。在此後的幾十年中，近代科學的一系列有關酶的研究結果都證實酶的化學性質是蛋白質，於是人們普遍接受了「酶是具有生物催化功能的蛋白質」這一概念。1982年，切克(Cech)等人發現RNA也具有催化活性，並將這種具有催化活性的RNA稱為核酸類酶。RNA具有催化活性的事實就改變了有關酶的概念，這被認為是最近幾十年來生物科學領域最令人鼓舞的發現之一。為此，Cech和Altman還共同獲得1989年度的諾貝爾化學獎。

生物酶是由活細胞產生的具有生物催化作用的有機物，大部分為蛋白質，也有極少部分為RNA和DNA。

酶催化作用機制

催化劑是具有加速化學反應能力的物質，其自身在化學反應中不發生變化(質量不變，成分也不變)。酶作為催化劑家庭中的一員，有其特殊的屬性：

專一性：每一種生物酶只會有選擇地對一種化合物或一類化合物的化學反應起催化作用；

高效性：酶的催化效率通常比非催化反應高108~1020倍，比一般催化劑高107~107倍；

低反應條件：在較溫和的常溫常壓下進行；

活性可調控；

酶本身無毒，無公害，利於環保。但酶反應也有其缺點：提取工藝複雜，價格非常昂貴，反應容易失活，不能重複使用。

酶是高分子化合物，而酶的底物多數是小分子，酶分子中能與底物特異結合并將底物轉變成產物的區域，為酶的活性中心。其重要性在於其特有的結構或是多維形狀與基團某一部分相匹配，一旦這兩部分相結合，在基團分子中特定化學鍵就像鎖被打開一樣發生改變。當該反應結束後，酶被釋放出來與下一個基團重複反應，依次不斷重複。酶催化的生物化學反應，稱為酶促反應(Emzymatic Reaction)。

酶促反應過程示意圖

關於酶與底物的作用機制，目前有三種學說：

鎖匙(lock and key)結合假說：由Fisher在1894年提出，酶分子的天然構象是剛性結構的，酶表面具有特定的形狀，酶與底物的結合如同一把鎖對應一把鑰匙一樣。

「三點結合」理論：酶能夠區分對稱分子中等價的潛手性基團，酶與底物的結合處至少有三個點。

誘導-契合學說(induced-fit hypothesis)：1958年Koshland提出酶活性中心的可變性(撓性)。如手與手套的關係，當底物接近酶的活性中心並與之結合時，由於誘導和契合使酶的構象能發生改變，更適合於底物的結合。

生物酶的分類及應用

1.酶的分類

1961年國際酶學委員會(Enzyme Committee，EC)根據酶所催化的反應類型和機理，把酶分為6大類：氧化還原酶類、轉移酶類、水解酶類、裂解酶類、異構酶類、合成酶類。

2.酶的應用

生物酶由於其自身卓越的性能，有著極其廣泛的應用領域。

生物酶製劑發展歷程

1.國外

人類使用生物酶製劑的時間已達千年之久，工業化生產生物酶也有一百多年的歷史。目前已發現酶有5000種左右，其中已經利用的有150種，工業生產的酶約60多種，形成1000多種商業酶製劑。歐洲是酶製劑最發達的地區，酶工程技術在歐洲佔有主導地位。近年來日本的酶製劑工業及酶工程產品發展很快。

1783年，義大利科學家斯巴蘭讓尼用「金屬籠肉塊」實驗推斷胃液中一定含有消化肉塊的物質，說明胃具有化學性消化的作用；

1836年德國科學家施旺提取胃液中消化蛋白質的物質—胃蛋白酶；

1884年日本人Takamine在美國首先生產用於棉布退漿和消化劑的澱粉酶；

1926年美國科學家薩姆納從刀豆種子中提取出脲酶結晶，並證明它是一種蛋白質；

上紀紀30年代，科學家相繼提取出多種酶的蛋白質結晶，指出酶是一類具有生物催化作用的蛋白質；

上世紀60年代隨著發酵技術和菌種選育技術的進步，日本酶法生產葡萄糖獲得成功，歐洲加酶洗劑開始流行；

70年代酶法生產果葡糖漿又獲成功，帶動了澱粉深加工工業的興起，工業酶開始大量需要；

80年代美國科學家切赫和奧特曼發現少量RNA也具有催化作用；

80年代以後，遺傳工程被廣泛用於產酶菌種之改良，酶製劑市場迅速增長。

2.國內

我國生物酶製劑起步較晚，大規模生產始於1965年無錫酶製劑廠的成立。初步由於基礎技術的突破，我國生物酶製劑品種迅速增加，應用領域逐步拓寬，生物酶製劑產業取得了較快的發展。近年來由於西方菌種專利壟斷，國內簡單復配型的技術改進已無前進空間，加上大量項目簡單重複建設，導致我國酶製劑產品結構不合理、技術含量較低、產品低端、產能過剩、市場競爭激烈。

2017年1月，中國生物發酵產業協會發布「全國酶製劑行業十強企業」，生產的酶製劑佔據我國酶行業近九成：

截至 2015年，我國酶製劑行業生產的產品已有20多個原酶品種(糖化酶、植酸酶、α-澱粉酶、蛋白酶、纖維素酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶、果膠酶、脂肪酶、β-澱粉酶、真菌澱粉酶、普魯蘭酶、葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶、甘露聚糖酶、半乳糖苷酶、α-乙醯乳酸脫羧酶、乳糖酶、凝乳酶、角質酶等)。五大酶種占酶製劑總產量 79%，其中糖化酶為 30%、植酸酶為22%、澱粉酶為 14%、蛋白酶為 7%，纖維素酶為6%。產品應用於澱粉糖工業、紡織工業、飼料工業、酒精工業、啤酒工業、果汁果酒工業、麵食製品加工、皮革工業、造紙工業等多個領域。

我國酶製劑行業面臨的主要問題如下：

研發資金、人員投入不足，研發能力差，國外酶製劑公司在研發上的資金投入約為其銷售額的10%左右，國內公司很多不到1%；

設備落後，生產水平較低，多數工廠還沿用硫酸按鹽析工藝或發酵液直接噴霧乾燥工藝；

酶的品種還比較單一，由不同原酶組成具有不同用途的複合酶製劑發展滯後，不能滿足市場的需要。我國生產的酶製劑一直都是未經除菌操作的粉狀粗酶製劑，這在國外已經淘汰。國外大多生產的是液型酶製劑，並且經過嚴格的除菌操作，使用安全、純度較高。

酶製劑生產過程存在三廢對環境的污染問題，比如生產1T液體糖化酶(100000U/mL)可產生COD(化學需氧量)高達5000mg/L以上的廢水10T。

針對這樣的背景，調整我國酶製劑產品結構也是迫在眉睫。產品結構調整要從我國產業的實際出發，從以下幾方面著手。首先，搞好現有產品的升級換代。如，糖化酶和澱粉酶等我國主要產品，要儘快提高發酵水平，降低生產成本，改進產品質量，符合國內外應用和安全的需要，增加產品劑型，滿足國內外多方面的應用需求，以增強競爭力。其次，要在新領域，特種領域開發新品種。中國酶製劑除繼續加強在食品領域，飼料領域的應用開發外，將側重在生物漂白、生物製漿、生物製革、生物脫硫等旨在清潔生產、節能、降耗、減排等領域的應用開發。這些領域涉及的酶品種相對多樣，達數十種，幾乎涉及酶學分類中的六大酶類，除水解酶外，還有氧化還原酶、異構酶、轉移酶等。再則，除開發單一酶產品的多用途外，還要重點開發複合酶、多元複合酶，以及與此相配套的特殊使用工藝。只有調整產品結構，使之多樣化，我國酶製劑產業才能健康可持續發展。

生物酶的市場需求

據Grand View Research在2016年7月公布的《工業酶製劑未來八年的發展報告》：2015年全球酶製劑市場產值為46.2億美元，近年來，食品飲料(特別是功能食品)和紡織品等市場的急速擴增為工業酶製劑的市場發展提供強勁助力。生物酶製劑市場主要集中在歐美地區，目前世界上影響力較大的三家酶製劑廠為丹麥的Novo公司(佔48%左右)、美國的杜邦公司(約佔20%左右)、DSM(6%)。全球各地區在需求呈現較大差異，歐洲和北美地區對工業酶的需求量最大，佔據80%，而中國僅佔9.4%。

美國工業酶製劑市場未來幾年的產品收入分布

在功能食品領域，工業酶消耗量將隨著促進消化和提高營養產品市場需求的增加體現出最為顯著的擴增，該領域佔據最大的市場份額。在洗滌去污領域，生產菌株的優化和低溫去污的提升將為洗滌劑廠商創造未來八年持續的市場增長。在動物飼料領域，酶製劑的輔助添加有效提高飼料產品的消化率和營養價值，因此也將呈現前所未有的增長。消耗量較大主要酶製劑包括以下產品：食品飲料：烘焙食品的澱粉酶、果汁飲料的糖類水解酶、酒類釀造和乳酪生產；個人護理和化妝品：皮膚修復面霜、牙膏、漱口水和增白劑等。

糖酶Carbohydrase是工業酶製劑最大的單一產品，在2015年全球工業酶製劑消耗量整體比重佔46%以上，主要體現在食品飲料領域對糖漿的處理和益生元的生產上。蛋白酶將在2016年到2024年以年均8%的速率增長，主要體現在洗滌去污產品的生產上。發達國家在洗滌去污蛋白酶消耗量上將呈現飽和趨勢。

北美市場的工業酶製劑仍將佔據主導市場，2015年市場份額佔34%；其中以美國和加拿大食品加工的工業酶消耗量為主體。新的增長點將體現在功能食品、個人護理和紡織品上。

亞太地區將是未來八年最快增長的區域，年均增長率為10%，主要體現在食品領域的發展。同時，中國、韓國、泰國、日本和印度將是區域內增長最快的國家，除了食品領域還包括個人護理、皮革、紙漿和廢水處理等。

工業上使用的酶製劑基本上分為二類：一類是水解酶類，包括澱粉酶、纖維素酶、脂肪酶、果膠酶、蛋白酶、乳糖酶等，佔有市場銷售額的75％以上。目前約有60％以上已用基因改良菌株生產的，NOVO公司使用的菌種有80％是基因重組菌株。第二類是非水解酶，佔市場銷售額10％左右，並有逐年增大的傾向，主要是分析試劑用酶和醫藥工業用酶。食品工業中，用於澱粉加工用酶所佔比例仍是最大，為15％；其次是乳製品工業，佔14％。酶在食品、紡織、製革工業等傳統的應用雖然已相當廣泛，技術上也已很成熟，但是仍在不斷發展。

據中國生物發酵產業協會統計，2014年我國酶製劑商品產量21.9萬T，企業產值28億元(不包括外資企業)。2015年我國的酶製劑產量逾120萬噸(包括外資企業)，國內市場對酶製劑產品的需要達到136.72萬噸，市場規模達256億元，預計至2022年中國酶製劑產品的市場規格將達到522億元。

生物酶製劑產品發展周期

根據酶製劑產品發展周期分析圖，生物酶製劑行業仍有較強的吸引力，其用於醫藥及污水處理的生物酶還處於成長期。其產品成功的關鍵因素：菌種研發水平及生產工藝水平、產品生產成本等。

生物酶行業盈利性分析

整個行業的盈利水平在10-20%之間，但整個行業已呈白熱化競爭態勢，主要由於70%以上的生產能力為低端大類酶種，領先企業在20%左右。

生物酶在醫藥領域的應用

酶在醫藥領域主要用於：疾病診斷；疾病治療；藥物生產。

1.疾病診斷

酶可應用於疾病診斷：通過酶活力變化進行疾病診斷；用酶測定物質的量的變化進行疾病診斷。

2.疾病治療

藥用酶的生產是指生產可用於預防和治療疾病的酶。

L-天冬醯胺酶是第一種用於治療白血病的酶。因為癌細胞生長時需要天冬醯胺，而L-天冬醯胺酶可以切斷天冬醯胺的供給，對白血病的治療有顯著療效。

.藥物生產

酶法製藥是指利用酶的催化作用而製造出具有藥用功效的物質的技術過程。

已商業化生產的酶催化工藝

目前，用在精細化學品生產上的生物催化劑市場不超過2 -3億美元，僅為酶製劑總市場的5％。生物催化劑市場的很大部分是壟斷或半壟斷的。這些催化劑常被提供給某個獨家用戶。例如，義大利的Do Bi-Sclavo公司就專為該國的Recordati公司生產能拆分D/L一對羥苯基甘氨酸的乙內醯脲酶。相對於酶製劑工業的其它部分，生物催化劑產品的銷售極為零散，幾乎還沒有某種生物催化劑產品的市場超過100萬美元的。只有B-內醯胺酶類(如青黴素或頭孢菌素醯胺酶)是個突出的例外，其市場約為1～2億美元，占生物催化劑市場的50%。

中國製藥綠色酶法之路

綠色酶法技術關鍵在兩個環節，一是找到合適的酶，二是找到酶發揮其活性的環境。也許有不止一個酶是適合的，但是能讓其發揮活性，起到媒介作用則很難。

頭孢氨苄是抗生素中的一個主要品種，我國頭孢氨苄年產量超過兩千噸，隨著頭孢氨苄被納入國家基本藥物目錄，未來其需求還將持續增長。2009年12月8日，國際原料葯巨頭荷蘭帝斯曼公司當日正式對外宣布，其使用綠色酶法工藝生產的頭孢氨苄原料葯「DSM純安」在淄博公司正式上線投產，這是帝斯曼1996年成功開發出頭孢氨苄綠色酶法技術後首次將之引入中國。由於綠色酶法主要原料為酸、鹼和酶，幾乎不使用其他任何特殊的化學品，完全不使用致癌化學物質二氯甲烷，因此在生產中不使用可能具有致癌作用的化學溶劑，有機溶劑的使用量降低了90%，在化學法工藝中使用較多的化工原料四甲基胍，在綠色酶法技術中也不再使用，污水COD的排放量減少了80%。若使用「DSM純安」生產每40000萬粒頭孢氨苄膠囊，即可減少5.5公斤二氯甲烷的使用量。另外，由於沒有殘留溶劑，其純度也會更高，藥品的毒性和不良反應率都將大大降低。

頭孢氨苄的酶法合成路線

2013年2月，帝斯曼又成功推出酶法制頭孢克洛，二代口服頭孢菌素。

2012年9月華北製藥取得酶法生產頭孢氨苄階段性成果：中試放大產品質量符合藥典標準，2013年2月華北製藥又投資建設綠色酶法阿莫西林項目，產能達2400噸，之後華北製藥升級整合青黴素類產業鏈，令其享譽海內外的傳統領域。

綠色酶法技術不僅僅是安全環保的代名詞，其背後還有成本的優勢，而這正是我國原料葯突圍低附加值的利器。以頭孢氨苄為例，年產量以2000噸計，如果全部採用綠色酶法技術，可以減少近17000噸有機溶劑和化工原料的使用和排放。在能源消耗上，酶法工藝大約是化學工藝的一半。如果全部使用綠色酶法技術，頭孢氨苄生產二氧化碳排放量可減少10,000噸～12,000噸。此外，在生產成本中，化學溶酶佔據著90%的份額，因此採用酶法技術就意味著大幅降低化工原料與能源消耗方面的成本。相對於頭孢氨苄的綠色酶法技術的渴望，國內企業更關注阿莫西林酶法技術何時登錄中國，而帝斯曼方面也透露此事還在考慮之中。「重要的是知識產權保護，這是帝斯曼謹慎的關鍵因素。」一位業內人士說。目前，帝斯曼已在全球範圍內(包括中國)取得了綠色酶法技術多項專利，但是「解密」的一天終將到來。

展望

我國還未成為酶製劑生產強國，尤其在醫療酶製劑開發生產上，遠遠落後於歐美髮達國家水平。根據酶製劑產品發展周期，生物酶製劑行業仍有較強的吸引力，其用於醫藥及污水處理的生物酶還處於成長期。

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