第33卷第4期 2003年12月工业微生物Industrial M icrobiologyVol.33No.4 Dec.2003作者简介:胡学智(1926~),男,教授级高级工程师,本刊编委。
酶制剂工业概况及其应用进展胡学智(上海市工业微生物研究所,上海200233)摘 要 概述了国内外酶制剂工业的生产和市场的情况,并介绍了酶制剂应用的进展,对于我国酶制剂工业的发展也作了展望。
关键词:酶制剂; 工业; 应用1 世界酶制剂工业概况[1~6]酶作为商品生产已有100多年历史,早在1833年还没出现酶字之前已有人用酒精沉淀出麦芽淀粉酶,叫Diastase 。
可使2000倍淀粉液化而用于棉布退浆,微生物酶的生产是1884年日本人Takam ine 首先开发的,他在美国开Takamine 制药厂生产高峰淀粉酶用于棉布退浆和用作消化剂。
此后在欧洲、美国和日本先后建立了一些酶制剂工厂,生产动植物酶如胰酶、胃蛋白酶、木瓜酶、麦芽淀粉酶以及真菌细菌淀粉酶等少数品种,其应用范围还限于作为消化剂、制革工业脱灰软化剂和棉布退浆剂等,20世纪50年代前酶制剂工业没什么惊人发展。
直到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,欧洲加酶洗涤剂的流行,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,使酶制剂工业出现重大转机。
工业上使用酶带来了许多的好处,如节约成本,改善品质,减少环境污染等,因而引起人们广泛重视。
80年代以后,遗传工程被广泛用于产酶菌种之改良,现在酶制剂工业已成为国民经济的一门重要高科技产业。
酶制剂的世界市场于1970年以后迅速增长。
从1978年不到2亿美元增加到1990年的5亿美元,1993年已达10亿美元[6],据估计[4]1999年为19.2亿美元,2002年达25亿美元,2008年将达30亿美元[5]。
表1 世界工业用微生物酶制剂市场规模年份19931995199619971998*199920002002销售金额(亿美元)1012.513.515.417.319.222.125.7增长%-7.28.014.0712.3410.9815.112.20*有的报道1998年为16亿美元国际上知名的酶制剂企业在上世纪80~90年代有70多家,后来经过兼并改组,不少著名企业,如美国Miles 公司,荷兰Gist Brocades 公司,芬兰Finn Sugar 公司等从这个行业名单中消失。
在酶制剂市场中,丹麦Novozy mes 公司和美国Genencor 国际公司各占世界市场的50%和20%,就近年来酶制剂市场在各应用领域分配来说,据Business communica tions Co.估计,1997~2002年的5年中,食品用酶由7.25亿美元增至11.76亿美元,年增长率11.4%,洗涤剂用酶由4.89亿美元增加到8.48亿美元,年增长率13.3%;纺织、制革、毛皮工业用酶将由1.65亿增加到2.58亿,年增长率10.3%;纸浆造纸业用酶由1.0亿增加到1.92亿,年增长率16.2%;化学工业由0.61亿增加到0.96亿,年增长率10.5%,平均年增长率为12.2%。
与1985年时食品工业占酶制剂市场62%,洗涤剂用酶占33%,制革纺织业用酶占5%相比,十多年来明显的变化是非食品工业用酶领域迅速扩大,主要是植物纤维加工用酶如纤维素酶,半纤维素酶之在棉布加工,纸浆漂白,废纸脱墨等方面有了较大发展,反映了人们对环保意识的增强。
在日本目前食用酶市场规模约为100亿日元,其中1/3为淀粉糖生产用的 淀粉酶、糖化酶、 淀粉酶和异构酶,其次是用于肉类软化和制蛋白水解物的蛋白酶,肉类加工用的谷酰胺转移酶以及果汁加工用的纤维素酶与油脂加工和乳制品用的脂肪酶[39]。
表2 1997~2002年世界酶制剂市场分配金额(亿美元)产业199719982002平均增长率食品、饲料业7.258.1111.7611.4洗涤剂、清洗剂业 4.89 5.538.4813.3纺织、制革、毛皮业 1.65 1.82 2.5810.3造纸、纸浆业 1.00 1.16 1.9216.2化学工业0.610.680.9610.5总计15.417.325.712.2目前业已发现的酶有5000种左右,其中已经利用的有150种左右,工业生产的酶约60多种,而大量生产的只有20多种,占已知酶的很小一部分(约0.4%),其中80%为水解酶,而自然界中大量存在的生化反应是氧化还原反应,氧化还原酶的应用有待开发[2]。
随着遗传工程的普及,现在工业用微生物酶的80%以上已是用基因改良菌株生产的产品[6],但在饲料用酶,食品工业用酶,据说在欧共体遭到禁用,新日本化学工业也强调是非GMO(Ge netic M odified Organism)产品。
在国外,酶制剂是作为食品添加剂的,对其生产所用菌株,工艺过程和产生场地要符合GMP要求(Good M anufacturing Prac tice),所用菌株要符合FAO/WH O食品添加剂专家委员会JECFA(Joint FAO/WHO Ex pert Comm ittee On Food Additives)的评估标准,在美国酶制剂产品要符合GRAS(General Recognized as Safe)或食品添加剂要求。
在美国用来生产食品酶的动物性原料(如胨,牛肉膏等)必须符合肉类检验的各项指标,执行GM P 生产。
此外近年世界食品市场推行Kosher食品认证制度,即符合犹太教规要求的食品制度,有了Kosher证书,才可进入世界犹太组织的市场。
在美国不仅是犹太人,连穆斯林、素食者以及对食物过敏者大多数购食Kosher食品。
Kosher食品中不得含有猪、兔、马、蛇、虾、贝类、有翼昆虫和爬虫类的成份。
加工Kosher食物的酶同样要求符合Kosher食品的要求,故国外许多食品酶制剂都印有符合Kosher食品的标记,Kosher食品要求专门权威机构授予,审批手续比FDA还严,我国酶制剂要向海外发展对此不可不加注意。
2 我国酶制剂工业概况虽然一般认为中国的酶制剂工业诞生于1965年无锡酶制剂厂成立之日,但是早在1960年前国内就有一些制药厂设车间利用酒精沉淀法生产胰酶、胃蛋白酶和麦芽及米曲霉淀粉酶作为医学用消化剂,胰酶还用在制革厂作为软化和脱灰剂。
酒精沉淀法提取动物酶的方法至今还在许多生化制药厂采用。
就工业用微生物酶来说,1956~1959年上海酒精厂在上海市轻工业研究所与轻工业部食品发酵研究所协作下,用10000升发酵罐深层培养黑曲霉NRRL330生产糖化酶作为酒精生产之糖化剂,这是我国第一个将抗生素发酵的深层培养技术引入我国的发酵工业,是酒精工业的重大革新[7]。
在印染行业那时国外已采用酶法退浆,中国还是空白,1958年上海印染二厂在上海市轻工业研究所协作下建3000升发酵罐生产枯草杆菌液体淀粉酶用于棉布退浆[8]。
1959年上海市轻工业研究所和上海酒精厂,制革厂合作,采用固体培养法生产栖土曲霉3. 374蛋白酶用于皮革脱毛,以革新过去脏、累、污染严重的灰碱脱毛法[9]。
蛋白酶还用于照相废胶卷脱胶回收三醋酸纤维片基和蛋白胨生产不过那时还无酶制剂厂之名而已。
在这之前国内一些科研院校已进行了大量扎实的基础的工作,如中科院微生物研究所先后分离了不少产淀粉酶、蛋白酶活力高的细霉菌种,无偿提供给国内各相关单位使用。
1960年后上海市轻工业研究所、成都生物所、轻工业部食品发酵研究所、华南工学院、江苏轻化厅科研所、轻工业部皮革所以及上海天津等地的皮革厂、上海溶剂厂、上海正广和汽水厂等就细菌淀粉酶、蛋白酶、霉菌糖化酶的生产和应用进行了广泛研究,并建车间自产自用,为了加速发展纺织物酶法退浆工艺,轻工业部向江苏轻化厅科研所下达细菌 淀粉酶产业化的研究,使用北京纺织研究所从退浆剂中分离的菌种(即BF7658),在完成实验室工作后与无锡制药厂协作进行发酵罐中间试验,1964年通过技术鉴定,并建立无锡酶制剂厂进行生产。
1960年因前苏联中止协议,致使保定第4期胡学智:酶制剂工业概况及其应用进展第33卷电影胶片厂用于回收废片的蛋白酶车间停建,中科院微生物研究所于1964年筛选出了蛋白酶高产菌枯草杆菌1.398,并同江苏轻化厅研究所合作研究通过鉴定后,由无锡酶制剂厂生产。
此后连云港、温州、北京、山东、上海、天津等地酶制剂厂相继建立,到1976年全国已开设酶制剂厂近20家。
为了促进微生物工业与酶制剂工业的发展, 1970年国家科委举办了全国微生物应用展览会,轻工业部于1976年起多次召开酶制剂生产和应用座谈会,并成立了行业协会,指导酶制剂工业的发展。
国家科委组织全国有关科研机构大专院校与酶制剂企业三结合大协作,自 六五 以来近二十年来连续进行科研攻关,使我国酶制剂生产技术提高到了一个新的水平,填补了不少行业空白。
随着改革开放,外资和国外技术的引进,尤其是国际酶制剂工业巨头Novozymes和Genecor公司等也进入了中国市场独资或合资办厂,带来了国际先进技术和经营理念,使中国酶制剂工业出现了一个崭新局面,酶制剂产品主要品种已达到了上世纪的80~90年代国际水平。
全国具有一定规模的酶制剂厂约有50家,分布在国内10多个省市和自治区,其中有20多家企业是产量占全行业80%以上的行业重点企业。
全国2002年酶制剂总产量35万吨,酶制剂品种有20多种,应用在食品、饲料、制革、洗涤剂、纺织、酿造、造纸、医药等许多行业,为这些行业的生产带来了巨大的经济效益。
例如味精发酵原料采用酶糖化代替酸法糖化,糖化得率提高10%,年产万吨的味精厂,可增产味精400吨[10]。
全国味精产量90多万吨,增产效益可想而知。
柠檬酸使用高温淀粉酶液化后,产酸转化率比原来提高了4.3%,全国柠檬酸产量有35万吨以上,增产数量也不小。
酒精工业使用高温淀粉酶和糖化酶代替曲法生产后,酒精产率提高,现在又使用酸性蛋白酶,提高了酵母对玉米中蛋白质的利用率,醪中酒精浓度提高0.2%以上[12]。
全国生产饲料6500万吨,其中10%是加酶饲料,由于酶的添加使饲料效率增加了10%。
全国洗衣粉有200万吨,其中1/4已加碱性蛋白酶,加酶洗衣粉洗衣效率提高,用量得以节省,还可减少环境污染。
其它如淀粉糖、白酒、啤酒、棉布退浆和整理、毛皮软化、皮革生产无不使用了酶制剂而受益。
但是由于种种原因,我国酶制剂的生产与应用发展得很不平衡,多年来酶制剂总产量的80%是 淀粉酶和糖化酶,尤其糖化酶占到60%以上,其次为碱性蛋白酶占16%左右,其它酶约只占5%。
从酶的应用来说,淀粉酶之绝大部分是用在白酒、酒精酿造,小部分用于去味精、柠檬酸、淀粉糖等行业,碱性蛋白酶主要用于洗涤剂生产,其它方面的应用比例还很低。