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首都酶制剂产业发展报告2012

2013-01-23 10:18:12 来源: 浏览次数:4503次

一、饲用酶制剂概况

20世纪40年代,微生物α-淀粉酶的液体深层发酵技术实现了工业化生产以来,酶制剂产业已形成一个富有活力的高技术产业。1975年Kemin公司首先推出了世界上第一个商品饲用酶制剂。30年来国外开发的饲用酶制剂至少10多种,如植酸酶、蛋白酶、淀粉酶、β-葡聚糖酶等,欧洲95%以上饲料都添加酶制剂。2003年全球饲料酶制剂产值2.27亿美元,其中诺维信饲料酶制剂产品产值为1.03亿美元,占全球总产值的45%,并在天津设有酶生产车间,在北京设立了研究院,代表了世界最高的酶生产技术和研发水平。饲料酶市场发展趋势和前景吸引了许多研究机构和公司涉足饲料酶领域,包括美国Genecor公司、德国BASF公司、瑞士Roche公司、瑞士Novartis公司、美国 Du Pont公司等,各自都以自己的核心竞争力而占据世界酶领域一席之地。尽管饲料酶制剂开发应用仅有29年历史,但已成为世界饲料添加剂产业中增长最快的部分,近5年年增长率达11%。

20 世纪90年代,以基因工程和蛋白质工程为代表的新技术在酶制剂领域的成功应用,有力推动了酶制剂研发技术和产业发展。目前国际酶制剂工业技术发展有以下特点:①性质优秀的目标酶基因的克隆和表达,随着越来越多的物种基因组的物理图谱和DNA测序的完成和DNA重组技术的完善,以及各种蛋白质结构和功能关系数据的积累,人们在很大程度上能突破天然酶缺陷的限制,通过克隆和改造各种功能基因使其在微生物中高效表达,再通过优化发酵获得廉价优质产品。②酶的遗传修饰,这方面主要特点有二,一是多位点定点突变技术,定点突变是蛋白质工程中采用的重要技术之一,但以往一般每次只能引入单点突变,突变效率较低,所以对多点突变技术研究成为热点。二是酶定向进化技术,通过多代遗传将突变积累起来,可以较好地拓展酶的功能。利用酶的定向进化技术对酶基因进行遗传修饰可能获得具有特殊性能的突变酶及突变菌株。③酶的遗传设计,基因工程的飞速发展为异源蛋白质表达提供了有力手段,应用组建蛋白质结构的新方法能获得自然界并不存在的具有全新结构和功能的蛋白质,其应用前景非常诱人。蛋白质全新设计过程是:先确定设计目标和初始序列,经过结构预测和建模,对序列进行初步修改,然后进行酶基因表达或多肽合成,再经过结构功能检测结果指导修改原先设计。

虽然国内饲用酶研究起步较晚,但在几种重要酶制剂研发领域也取得了较大突破,其中中国农业科学院饲料研究所开发的植酸酶已达到了国际领先水平,单位发酵水平高于国外最高水平2~3倍,占据国内80%以上的市场,堪称行业高技术研发和产业化的典范,为中国饲料酶和整个酶制剂产业的跨越式发展积累了十分宝贵的经验。此外,中国农业科学院饲料研究所、南京农业大学对四大饲料酶类---淀粉酶、非消化多糖酶、蛋白酶、植酸酶的动物营养效果研究作为中国饲料酶应用技术的开创性奠基工作,迄今依然为我国动物营养学界的代表水平。

目前我国饲用酶制剂产量近30000吨,饲用酶制剂产值约占世界饲料酶总产值11%。但国产饲料酶生产应用总体技术水平落后,生产远未形成适度规模。①酶制剂作为饲料用途的二次开发技术还有差距;②饲料酶产品技术含量不高、品种不全、品质不优,基础性研究需要加强;③饲料酶产品价格较低;④饲料酶产品生产企业100余家,企业规模较小;⑤企业间恶性竞争在技术和市场各方面全面展开,急需调整结构、优化品种、适度规模。

自从20世纪20~50年代饲用酶制剂就开始在畜禽养殖业中应用,但因酶制剂的生产成本昂贵,一直未能进行商品化生产,直到70年代由于转基因技术和发酵工业得到长足的进步,饲用酶制剂应用才进入了突飞猛进的发展阶段。2004-2010年,全球饲用酶制剂产值保持年均11%的增长率。2010年全球饲料酶制剂产值超过6亿美元,诺维信是饲料酶制剂的龙头企业,占全球饲料酶制剂产值45%。其他从事饲料酶研究的公司还有美国Geneeor公司、德国BASF公司、瑞士Roche公司、瑞士Novartis公司、美国杜邦公司等。根据推算, 2010-2020年全球配合饲料将达到12亿吨,按配合饲料中70%添加0.2%酶制剂和7500元/吨计,预期世界饲料酶潜在年总需求量168万吨,产值15.75亿美元。

2000年我国饲用酶制剂的销售量达到6000吨,2005年我国饲用酶制剂的市场容量已达到2万吨,2010年我国饲用酶制剂产量近4万吨,饲用酶制剂产值约占世界饲料酶总产值11%,饲料酶生产企业约100家。按照我国配合饲料产量年产量1.0亿吨计算,如果饲用酶制剂添加量按0.2%计,全国需要50000吨的饲用酶制剂,而我国目前饲用酶制剂市场生产量尚未达到市场容量。因此,饲用酶制剂在我国还有一定的市场空间和潜力。

二、饲用酶制剂研究开发现状

国外发达国家,许多生物饲料的相关基因已得到克隆并构建了高效的重组生物反应器,已有上十种酶制剂已实现了产业化,如植酸酶、-葡聚糖酶等,并取得了可观的经济效益和社会效益。而我国酶制剂生产与应用仍处于起步阶段,仅有植酸酶是利用基因工程菌株高效生产,多数酶制剂是采用天然和诱变菌株发酵生产,不仅成本高,而且酶的有效性差,应用效果不稳定。

1. 植酸酶研究开发现状

植酸酶的研究从20世纪60年代就已开始,但由于对其认识不足,相对于其他工业用酶发展缓慢,到80年代时,饲料中还几乎不添加任何植酸酶。随着人们对动物营养学、饲料学研究的深入和集约化养殖的形成,植酸酶的良好前景得以体现,同时分子生物学和基因工程技术的发展,使植酸酶的规模化廉价生产成为可能,因此在饲料中应用植酸酶发展极为迅速。大量研究表明,在猪、禽日粮中添加植酸酶,每头猪可增加经济效益40~50元,并可使饲料中磷的利用率提高40%~60% ,粪便中磷的排出量减少30% 一50% 。因此在饲料中添加植酸酶对提高畜禽业生产效益及降低植酸磷对环境的污染有重要意义 。

目前饲料用酶已成为世界工业酶产业中增长速度最快、势头最强劲的一部分,2006年中国酶制剂产值达4.64亿元,其中植酸酶占1.43亿元。2007年国内植酸酶销售12 000 t,销售额达1.44亿元(单位价格降低,为12 kg),用于配合饲料9 300多万t。到2010年,饲料用酶的市场值达到1O亿美元。饲料用酶市场迅速扩大的趋势和广阔前景,吸引了许多研究机构和公司涉足其研究。目前,饲用植酸酶等酶制剂在饲料中得到广泛的推广和应用,其效果已在全世界范围内得到确证。

尽管植酸酶的种类很多,性质各异,应用前景也较大,但是却没有一个真正理想的可用于生产的植酸酶。理论上所谓“理想植酸酶”必须具备以下几个条件:催化效率高、抗蛋白酶水解、很好的热稳定性且价格低廉等。事实上,这种理想的植酸酶到目前还没有报道。

1.1 研究热点

获得优质植酸酶仍然是目前研究开发工作的重点,可以通过以下几种途径继续获得。

(1) 新型优质植酸酶的分离

自然界中微生物所产生的酶具有丰富性和多样性,为了满足饲用植酸酶生产及应用的特殊要求,需要采用各种方法进行资源挖掘,尤其是特殊环境和极端环境的微生物资源。传统的酶或基因分离方法是基于微生物的分离培养,筛选分离单个基因或蛋白质,并序列分析。随着生物技术、基因和蛋白质序列数据库以及生物信息学的发展,新型饲用酶及其编码基因的分离获得效率得到了很大提升。近年来,高通量筛选已经成为基因或酶蛋白分离的主要手段。目前已报道了来源于细菌、真菌、植物及动物的各种不同植酸酶,均表现出多样性的酶学性质

(2)植酸酶的蛋白质工程

性质优良的植酸酶虽然不容易从自然界中分离,但是随着基因工程和蛋白质工程的发展,现在人们把目光转向植酸酶的蛋白质工程的研究,通过蛋白质工程的手段来改善植酸酶的性质。并且通过该技术结合基因工程的方法,已经成功地实现了部分植酸酶的一个或多个性质的改善和提高。

(3)植酸酶的高效表达

植酸酶作为多种饲料添加剂的一种,决定了它的添加成本必须低廉。为降低植酸酶的生产成本,植酸酶高效表达的研究是必要的。可用的表达系统也是多种多样的,例如,曲霉、木霉、毕赤酵母、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和链霉菌等表达系统。其中在植酸酶的高效表达系统中研究的最多的是甲醇营养型酵母表达系统。

(4) 转基因植物和动物

转基因植物作为植酸酶的表达系统,有着非常诱人的前景。一方面,转基因植物可以直接表达足够的植酸酶来替代在饲料和食品中添加额外的微生物植酸酶,同时在植物根部表达的植酸酶还可以对土壤进行改良;另一方面,转基因植物也可以作为生物反应器用来生产植酸酶。

1.2 自2010年递交申请的植酸酶相关专利

专利名称

来源

一种突变的中性植酸酶及其基因和用途

盐城工学院

合成的植酸酶变体

巴斯夫欧洲公司

一种低温中性组氨酸植酸酶APPA206及其基因和应用

武汉新华扬生物股份有限公司

一种植酸酶包衣微丸及其制备方法 

青岛蔚蓝生物集团有限公司;

潍坊康地恩生物科技有限公司

一种改进的大肠杆菌植酸酶HTP6M及其基因和应用 

青岛蔚蓝生物集团有限公司;

广州优尼科生物科技有限公司

 

一种转中性植酸酶基因重组乳酸杆菌及其制品和应用 

河南科技大学

 

一种检测饲料中植酸酶活性的方法 

武汉新华扬生物股份有限公司

 

一种优化改良的耐高温植酸酶PHYTH及其基因和应用 

广东溢多利生物科技股份有限公司

 

一种耐高温植酸酶基因工程菌的发酵方法

   广州市微生物研究所

 

耐高温膜控型植酸酶微丸及其制备方法 

浙江大学

 

一种新型环保植酸酶热稳定剂 

湖北大学

 

2、国内外植酸酶行业企业格局

目前,国内研究酶制剂的企业主要为北京挑战集团、北京英惠尔生物技术有限公司、北京金英赛得科技有限公司、武汉新华扬生物股份有限公司、北京昕大洋科技发展有限公司、广东溢多利、上海杰隆生物制品股份有限公司、上海纽崔特饲料科技有限公司、四川禾本生物工程有限公司、辽宁华星生物科技有限公司、济南天天香、夏盛实业集团有限公司、杰诺生物酶有限公司、泰安信得利生物工程有限公司等,国外著名公司例如诺维信、帝斯曼、丹尼斯克、德国巴斯夫、德国AB酶制剂公司等。

3.科研院所(中国农业科学院饲料研究所)饲用酶制剂相关研究成果

相关领域主要科研成果

序号

成果名称

鉴定单位

技术水平

鉴定时间

1

安全肉生产用天然饲料添加剂技术研究

农业部

国际先进水平

2005

2

高表达黑曲霉菊粉内切酶基因工程酵母

农业部

国际领先水平

2003

3

高温中性植酸酶的研制及其在鱼类上的应用

农业部

国际领先水平

2000

4

高效表达植酸酶的基因工程酵母

农业部

国际领先水平

1998

5

硫色曲霉β-甘露聚糖酶在毕赤酵母中的高效分泌

表达研究

农业部

国际领先水平

2006

相关领域取得的发明专利技术

序号

专利名称

类别

专利号

1

一种β-1,3-1,4-葡聚糖酶基因和地衣芽孢杆菌EGW039

授权专利

ZL01134381.8

2

产生果糖转移酶的新菌株及其生产低聚果糖的方法

授权专利

ZL00100443.3

3

在转基因植物中表达耐热植酸酶

授权专利

ZL02125940.2

4

一种新的植酸酶的克隆和表达

授权专利

ZL0610076540.3

5

一种新的植酸酶及其编码基因以及包含该酶的细胞和

饲料添加剂

授权专利

ZL0710120342.7

6

一种光谱、耐高温的高比活植酸酶及其编码基因和表达

授权专利

ZL01142162.2

7

一种中性植酸酶、编码该酶的基因以及含有该酶的饲料

授权专利

ZL00134591.5

8

植酸酶及其基因的克隆和表达

授权专利

ZL97121731.9

9

一种禽类饲料添加剂

授权专利

ZL03148122.1

10

高比活木聚糖酶的表达载体

申请专利

200510070745.6

11

一种耐热、抗蛋白酶的酸性-中性木聚糖酶及其基因

申请专利

01142163.0

12

一种β-甘露聚糖酶及其编码基因和应用

申请专利

200510085377.2

13

α-半乳糖苷酶基因、其编码蛋白及其制备方法和应用

申请专利

200610080455.4

 

三、北京生产饲料产业发展状况

  1. 北京挑战集团

挑战集团创立于1997年,是由中国农业科学院创办的大型高新技术股份制农业企业,集科研开发、生产经营、技术服务、国内国际贸易于一体,以高科技含量的饲料和饲料添加剂为主要发展方向。集团投资成立了北京挑战生物技术有限公司、北京挑战牧业科技股份有限公司、思科福生物技术有限公司等企业,为集团的腾飞奠定了坚实的基础。集团以国家饲料研究所等为坚实后盾,汇集业界著名科研技术专家多名,其中博士生导师2名、博士9名,技术力量雄厚,并严格按ISO9001、ISO22000、HACCP、GMP标准建立起了质量安全控制体系。密集的人才优势、严格的生产管理,有效的保证了集团产品质量的优越和稳定。

集团注重科技创新,现已研制开发出30多个系列的300余种产品,拥有“挑战”、“神州绿源”、“特节”等多个品牌,主要产品植酸酶、甜菜碱、肉美佳、复合多维、二甲酸钾、富红素、畜禽水产复合预混料、浓缩料、配合饲料等。集团的产品具有较高的科技附加值和广泛的市场适用性,在用户中享有良好的声誉,深受用户好评。集团在全国各地建立了完善的销售网络,覆盖全国30个省、自治区,并远销欧美及东南亚地区的30多个国家,销量遥遥领先,现已发展成为行业内高科技企业的领头羊,为我国饲料行业的科技进步和发展做出了突出贡献。

集团在行业内率先倡导绿色安全理念,多次受到农业部等相关机构的表彰,先后获得了“中国饲料科技进步与应用奖”、“国家科学技术进步奖”、“中国著名品牌”、“中国饲料行业信得过产品”、“中国饲料企业五十强”等多项荣誉,在社会上享有较高的声誉。

公司已在北京、天津、温州、济南、齐齐哈尔建立了自己的生产和研发基地。

代表性产品:  植酸酶、挑战耐高温植酸酶、挑战包被型植酸酶、木聚糖酶、挑战β-葡聚糖酶、 挑战β-甘露聚糖酶、挑战α-半乳糖苷酶、挑战淀粉酶、甜菜碱、复合多维、浓缩型复合酶、 特节酶、 杂粕型复合酶、水产型复合酶、小麦型复合酶、 禽用复合酶、 乳猪用复合酶、 育肥猪用复合酶。

企业技术创新能力:

承担的主要科研项目

项  目  名  称

项目来源

1

二甲酸钾新产品中试

2005年国家农业科技成果转化资金项目

2

饲用基因工程酶新产品中试

2007年国家农业科技成果转化资金项目

3

蛋鸡安全高效预混合饲料添加剂技术集成与产业化示范

“十一五国家科技支撑计划课题”高效安全新型饲料研制与产业化开发子课题

4

新型饲用酶制剂产业化示范

“十一五国家科技支撑计划课题”高效安全新型饲料研制与产业化开发子课题

5

安全饲料添加剂二甲酸钾规模化生产与示范

2007年度北京市高成长企业自主创新科技专项资金

相关领域主要研究成果

序号

成  果  名  称

获奖年度

获奖类别

1

饲用基因工程酶研究与新产品开发

2006

农科果鉴字[2006]第039号

2

新型饲料添加剂二甲酸钾的研制

2006

农科果鉴字[2006]第010号

3

二甲酸钾(福尔)

2005

新饲证字(2005)03号

4

新型饲料添加剂二甲酸钾

2006

国家重点新产品2006GR326001

5

新型饲料添加剂二甲酸钾的研制

2009

中国农业科学院科学技术进步二等奖

相关领域取得的发明专利

序号

专利名称

类别

专利号

1

一种生产二甲酸钾的方法

授权专利

ZL200410042487.6

2

一种甘露聚糖酶及其编码基因与应用

授权专利

ZL200510103125.8

3

一种α-半乳糖苷酶及其编码基因

申请专利

200910093200.5

4

一种肉质改良剂及其制备方法与应用

申请专利

200910088465.6

5

一种低蛋白氨基酸平衡日粮及其制备方法与应用

申请专利

200910089972.1

6

产纤维素酶的菌剂及其应用

申请专利

200910076651.8

7

表达非淀粉多糖复合酶的重组巴氏毕赤酵母菌及其应用

授权专利

ZL200910083481.6

9

一种利用毕赤酵母制备酵母氨基酸的方法

申请专利

201010102088.X

10

一种提高啤酒酿造工艺稳定性的方法及其专用复合酶

申请专利

200910078831.X

11

一种以重组毕赤酵母高效发酵制备木聚糖酶的工艺

申请专利

201010184296.9

12

一种高温酸性木聚糖酶XYN10J88及其基因和应用 

申请专利

201010194840.8

标准制定情况

序号

标  准  名  称

标准号

标准类别

1

天然矿物质饲料通则

GB/T 22144-2008

国家标准

2

饲料  二甲酸钾

进行中

国家标准

2、北京昕大洋科技发展有限公司

北京昕大洋科技发展有限公司由中国农科院饲料界、生物界的专家于1999年联手创建,注册于中关村国家级高科技园区。公司集科学研究、产品研发、生产经营于一体;拥有一支以研究员、博士、硕士等,具有丰富实践经验的国内外著名专家、学者为核心的科技研发和技术服务队伍;与中国农科院生物技术研究所、中国科学院、德国哥廷根大学等知名、专家学者都建立了紧密的技术合作、技术交流与产品合作;已通过ISO9001质量体系、HACCP食品安全体系认证和FAMI-QS体系认证。获得多项植酸酶专利技术。昕大洋在人才、技术、科研上的优势为产品设计思路的创新奠定了基础;为学科间的优势互补创造了条件;为研发、生产出高科技含量的产品提供了保证。 

北京昕大洋怀安研发生产综合基地坐落于河北省怀安县。怀安综合基地占地50多亩,总建筑面积达11000平米,其年产各类饲料酶、微生态制剂产能达30000吨以上。代表性产品为植酸酶。

发明专利:包衣微丸植酸酶及其制备方法

3、北京英惠尔生物技术有限公司

自2000年成立之日起,紧密围绕生物营养技术,倾力开发预混料、微生态、复合酶和动物营养品,是中国一流的生物营养企业。英惠尔目前拥有3个生产基地、包括英惠尔生物、成都力穗等九家控股或参股子公司。按专业化运作模式,形成八个事业部即:农牧事业部、水产预混料事业部、畜禽预混料事业部、添加剂事业部、复合酶事业部、国际事业部、水产养殖事业部,微生态制剂事业部。
  公司拥有一批生物技术、动物营养与饲料科学等方面国内外享有盛名的专家。聚焦于农牧行业生物营养产品的研发,科研人员比例达到11%,科研投入占到公司收入的3-4%,公司从2000年底成立以来,持续科研投入,每年研发出1-2个新产品,有力地促进了养殖业健康发展,得到业内广泛的认可和支持。

四、植酸酶技术发展趋势分析

1、国际

国外跨国公司由于其技术实力雄厚,在饲料市场推出了一系列突破创新并具有良好前景的产品,产品质量稳定可靠,在市场上极具竞争力。在酶制剂方面,国外跨国公司主要采用基因工程化技术,包括分子设计、基因表达、蛋白质化学、蛋白质工程、表达/分泌、代谢途径工程、分离提取技术、无菌技术(加热或过滤)、酶制剂配方设计、耐温(包膜)技术等,如丹尼斯克推出的爱维生、保安生、葛林酶及福林生等系列产品。

2、国内

目前我国饲料中添加的酶制剂主要为复合酶,按目前复合酶的产量推算,我国复合酶的应用还有很大的发展空间。

(1) 开发耐高温产品仍是一个主要发展方向,但要注重其在动物无体温条件下的活性表现;

(2) 酶制剂定点释放将是提高酶制剂影响效果的重要技术手段;

(3) 开发宽pH适应范围的微生物酶和提高抗动物消化道内蛋白质水解酶水解是今后酶制剂研究的重点;

(4) 酶制剂作为消毒剂将会得到深度的开发和应用;

(5) 作为一种非营养性添加剂,酶制剂将会在今后我国的饲料养殖业中巨大的作用。

3、北京植酸酶研究趋势

 (1) 注重资源挖掘,尤其是特殊环境的微生物资源。利用现代分子生物学和生物技术手段,高通量筛选饲料生物制剂相关微生物及相关基因资源,获得性质优良的植酸酶新基因。

(2) 利用蛋白质工程技术,定向改良天然酶,甚至于创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的酶蛋白质分子,以解决天然酶难以完全符合饲料工业应用要求的问题,并进一步提高其应用性能。

(3) 利用基因工程、代谢工程技术,构建高效生物反应器技术平台,利用重组微生物或转基因植物等使饲料用酶的单位产量成百上千倍的提高,以期规模化廉价生产,以解决饲料添加剂添加成本空问有限的问题。并开发高效稳定的产品加工技术,提高饲料用酶的稳定性、实用性和应用的高效性。

(4) 饲料用酶的应用效果快速评估系统和配套应用技术体系研究。对影响植酸酶作用效果的因素尚缺乏系统的研究,今后仍需加强植酸酶在实际生产中应用的研究。如提高植酸酶在肉仔鸡和猪日  粮中替代磷酸氢钙的比例与作用效果,其也是植酸酶解决粪磷对环境污染问题的关键。根据反刍动物与水产动物磷消化代谢特点及其影响磷利用的因素,开发和研制适合于反刍与水产动物应用的植酸酶产品也是今后的发展方向。

五、生物饲料发展存在问题政策建议

1、生物饲料发展存在问题分析

(1)研发力量薄弱且分散,投入有限,源头创新能力不足。

(2)研发的关键共性技术缺乏,生物饲料研发后劲不足。

(3)研发偏重于基础研究,缺乏工程化验证平台。

(4)科技与产业发展脱节,缺乏沟通科技与产业之间的桥梁与通道。

(5)技术市场发育不成熟,缺乏技术转移中介。

(6)具有自主知识产权的关键技术与技术储备不足,产业结构调整和产业升级面临挑战。

2、梳理现有国家层面的相关政策

3、北京生物饲料产业发展政策建议

(1) 完善生物饲料开发的技术体系,促进技术创新。

(2) 建立新型“产、学、研”结合的孵化平台,促进生物饲料产业升级。

(3)建立人才培训基地,培养一批国内一流国际有影响的专业技术人才。