齊德生

1 酶制劑概況

酶制劑是指從生物（包括動物、植物、微生物）中提取的具有酶特性的一類物質(zhì)，主要應(yīng)用于釀酒、洗滌劑、皮革、紡織飼料等行業(yè)。在改進食品加工方法、提高動物生產(chǎn)性能、減少環(huán)境污染方面發(fā)揮巨大作用。

通常，酶制劑是一種復(fù)合物，含有一種或多種成分以及稀釋劑、穩(wěn)定劑、防腐劑、抗氧化劑和其他物質(zhì)。不同來源的酶制劑，其組成可以是所用材料的整細胞、部分細胞或細胞提取液。劑型為固體、半固體或液體。顏色從無色至深棕色。

1884年，日本人高峰從米曲霉中提取出淀粉酶，用于治療消化不良，是人類首次有目的的生產(chǎn)和應(yīng)用酶制劑。1911年，美國科學(xué)家從木瓜中提取木瓜蛋白酶，用于除去啤酒中的蛋白質(zhì)混濁物，此后，酶制劑的應(yīng)用逐步發(fā)展起來。1949年，液體深層發(fā)酵法成功地生產(chǎn)出細菌α-淀粉酶，揭開了近代酶工業(yè)的序幕。

至20世紀(jì)90年代，世界共有知名酶制劑企業(yè)70余家。但隨著行業(yè)優(yōu)勝劣汰，一些大型酶制劑生產(chǎn)企業(yè)實施了一系列的收購、兼并和擴產(chǎn)等舉措，以擴大盈利規(guī)模、謀求持續(xù)發(fā)展。目前，諾維信和丹尼斯克的子公司杰能科占據(jù)全球市場約2/3的市場份額。

近年來，全球酶制劑行業(yè)的市場規(guī)模呈不斷增長的趨勢，其中亞太地區(qū)和中國近年來的增長速度尤為突出，保持在10%左右，成為世界酶制劑企業(yè)重點開拓的市場。

1.1 酶的概念

酶（enzyme）早期是指in yeast（在酵母中）的意思，又稱“酵素”（ferment）。19世紀(jì)中葉，法國科學(xué)家路易·巴斯德認(rèn)為酵素這種活力物質(zhì)只存在于生命體中，細胞破裂就會失去作用（Manchester，1995）。1878年，德國生理學(xué)家威廉·屈內(nèi)首次提出了酶這一概念。隨著研究的深入，酶的概念不斷地完善，其生物組成成分和生物學(xué)功能也得到了進一步的鑒定。酶指催化特定化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)、RNA、DNA或其復(fù)合體（Lilley，2005；吳詩光，2002）。

1.2 酶的功能特點

酶是生物催化劑，是細胞賴以生存的基礎(chǔ)，能通過降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速度，但不改變反應(yīng)的平衡點，本身在反應(yīng)過程中不被消耗。酶在生物體的各種生命活動中發(fā)揮著非常廣泛的功能。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運動和生殖都是酶促反應(yīng)過程。不同的酶分解不同的底物，各種酶協(xié)作完成代謝途徑的整個反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。如果沒有酶，代謝既不能按所需步驟進行，也無法以足夠的速度完成合成以滿足細胞的需要。

1897年，德國科學(xué)家愛德華·比希納經(jīng)過一系列的試驗證明了酶是一類不依賴于活體細胞的物質(zhì)。細胞內(nèi)合成的酶主要是在細胞內(nèi)起催化作用，也有些酶合成后釋入血液或消化道，并在那里發(fā)揮其催化作用，人工提取的酶在合適的條件下也可在試管中或機體消化道內(nèi)對其特殊底物起催化作用。在草食性反芻動物的消化系統(tǒng)中存在一些可以產(chǎn)生纖維素酶的細菌，纖維素酶可以分解植物細胞壁中的纖維素，從而提供可被吸收的養(yǎng)料。

酶能在機體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進生物體的新陳代謝。酶制劑的催化效率比一般的化學(xué)催化劑高107～1013倍；酶制劑的催化作用具有高度的專一性和選擇性，即只催化特定的反應(yīng)或產(chǎn)生特定的構(gòu)型；通常酶制劑的催化反應(yīng)在較溫和的條件（如常溫、常壓和中性的溶液）下即可進行，節(jié)約生產(chǎn)能耗。因此，酶制劑行業(yè)的發(fā)展，能夠有力地促進我國節(jié)能減排和環(huán)境保護工作。

1.3 酶的催化原理

酶催化機理多種多樣，最終都能夠通過改變反應(yīng)途徑的方式降低反應(yīng)的活化自由能ΔG（過渡態(tài)與反應(yīng)物能量之差），以致相同的能量能使更多的分子活化，來促進一些原本很慢的反應(yīng)得以快速進行（Fersht，1985）。

創(chuàng)造穩(wěn)定過渡態(tài)的微環(huán)境。例如，通過與反應(yīng)的過渡態(tài)分子更高的親和力（與底物分子相比），提高其穩(wěn)定性；或?qū)Φ孜锂a(chǎn)生張力作用，使底物分子扭曲，促進底物更趨向于轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)。

提供不同的反應(yīng)途徑。例如，形成酶-底物復(fù)合物的中間態(tài)。

將反應(yīng)中不同底物分子結(jié)合到一起，并固定其方位至反應(yīng)能夠正確發(fā)生的位置，從而降低反應(yīng)的“門檻”。

1.4 酶制劑的生產(chǎn)方法

酶的生產(chǎn)指經(jīng)過預(yù)先設(shè)計，并且通過人工控制而獲得所需要的酶的過程。酶制劑的一般生產(chǎn)流程是：選育出所需的優(yōu)良微生物菌種，增殖培養(yǎng)，再通過提取、精制獲得大量的酶制劑。

生產(chǎn)酶制劑的菌種要求是安全的，是非致病性的，不產(chǎn)生毒素、抗生素、激素和其他生理活性物質(zhì)，還要符合以下要求：①能夠利用廉價原料，簡單培養(yǎng)基，產(chǎn)量大；②菌種改造的可操作性強；③不易感染其它微生物或者噬菌體；④遺傳性要相對穩(wěn)定；⑤生產(chǎn)特性要符合工藝要求。

概括來說，酶的生產(chǎn)方法有3種：①提取法。最早采用的提取酶的方法，直接從動植物細胞或組織中提取。盡管酶存在于動植物中，但是其產(chǎn)量不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求，一般從微生物中提取。微生物繁殖迅速，本身容易改造；而且微生物生產(chǎn)酶制劑不受季節(jié)、地區(qū)、數(shù)量等的限制，成本低。②發(fā)酵法。生產(chǎn)酶的主要方法，通過微生物發(fā)酵來獲得所需要的酶。發(fā)酵法通常包括固態(tài)發(fā)酵法、液態(tài)發(fā)酵法和載體發(fā)酵法三大類。載體發(fā)酵法還沒有用于大規(guī)模生產(chǎn)。③化學(xué)合成法。目前停留在實驗室內(nèi)合成階段。

2 飼用酶制劑概況

2.1 飼料工業(yè)發(fā)展概況

我國飼料工業(yè)開始于20世紀(jì)70年代末，80年代中期蓬勃興起，盡管起步較晚，但發(fā)展較快，經(jīng)過30年的發(fā)展，目前我國已躍居為世界第二大飼料生產(chǎn)國，飼料工業(yè)已成為我國工業(yè)體系中重要的支柱之一。我國飼料產(chǎn)量從1990年起持續(xù)增長，1990年我國飼料總產(chǎn)量為3 194萬噸，2005年我國飼料總產(chǎn)量首次突破1億噸，到2010年我國飼料產(chǎn)量已經(jīng)達到1.56億噸，復(fù)合增長率為8.0%（中國飼料工業(yè)協(xié)會，2005、2011）。

現(xiàn)有飼料原料中，除大豆、魚粉有較大量進口外，大部分實現(xiàn)了自給。飼料中抗?fàn)I養(yǎng)因子研究成效顯著，如通過加工工藝技術(shù)提高餅粕質(zhì)量及飼用價值，脫除有毒、有害物質(zhì)，提高棉、菜餅粕蛋白質(zhì)利用率，對于緩解我國飼料中蛋白質(zhì)資源的緊缺狀況起到了很大作用。由于谷物中非淀粉多糖（NSP）和非常規(guī)飼料原料（如棕櫚粕、芝麻餅粕、秸稈等）的研究和針對其設(shè)計的飼料復(fù)合酶的應(yīng)用，小麥及非常規(guī)原料等在畜禽中的應(yīng)用日趨活躍，在玉米、豆粕減產(chǎn)情況下，確保了飼料的正常供應(yīng)。

隨著我國居民生活水平的提高，肉制品需求將不斷增加，我國飼料工業(yè)仍有較大的發(fā)展空間，而我國飼料工業(yè)更大的空間則是大量養(yǎng)殖戶的自配飼料市場，雖然我國規(guī)?；B(yǎng)殖已有很大程度的發(fā)展，但局限于環(huán)境的限制及長期以來傳統(tǒng)養(yǎng)殖習(xí)慣的影響，我國養(yǎng)殖業(yè)中仍存在廣泛的散戶養(yǎng)殖，較少地使用配合飼料。

筆者根據(jù)全國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和畜禽養(yǎng)殖量估算，2010年全國飼料使用總量約為44 951萬噸，其中非全價配合飼料（包括預(yù)混料自配飼料、濃縮料自配飼料和完全自配料）合計占比例約為70%。

表1 2010年全國飼料使用量情況（萬噸）

2.2 飼用酶制劑功能特點

伴隨著飼料工業(yè)的發(fā)展，近年來，酶制劑在生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)方面取得了質(zhì)的突破。在研究領(lǐng)域，飼用酶制劑一直是熱點之一。

酶制劑是飼料添加劑的一種，但相比其他飼料添加劑擁有較高的科技含量和獨特的作用效果，具有更廣闊的應(yīng)用空間。飼用酶制劑具有眾多突出的優(yōu)點：①飼用酶制劑安全無毒、無蓄積和殘留，也不會使動物產(chǎn)生抗藥性，在當(dāng)前食品安全問題突出的情況下，意義重大；②分解飼料原料中存在的多種抗?fàn)I養(yǎng)因子，節(jié)糧降成本；③飼用酶制劑的應(yīng)用，可提高養(yǎng)分的消化與吸收，減少氮、磷排放，緩解環(huán)境污染；④飼用酶制劑的降解產(chǎn)物為可提高畜禽免疫水平的寡糖，能增強畜禽抗病能力，有效減少抗生素的使用，促進養(yǎng)殖業(yè)向健康、安全、綠色的方向發(fā)展。因此，飼用酶制劑對促進我國飼料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

2008年歐盟國家的飼料總產(chǎn)量約占全球市場的21.6%，但是飼用酶制劑市場份額占全球市場的比例達到40%左右，是飼用酶制劑的主要消費市場之一。

酶制劑添加成本在飼料生產(chǎn)成本中所占的比例很低，按目前我國飼料企業(yè)平均酶活添加水平，酶制劑只占飼料生產(chǎn)成本的2.5‰～3‰，遠低于其所節(jié)約的飼料成本。

3 飼用酶制劑市場規(guī)模

近年來，全球飼用酶制劑市場保持了較快的增長速度。預(yù)計2010年全球飼用酶制劑市場規(guī)模約為5.8億美元（見表2）。

表2 2006～2010年全球飼用酶制劑市場規(guī)模情況(單位：億美元)

我國2010年飼用酶制劑行業(yè)的市場規(guī)模約為6.82億元，未來市場規(guī)模預(yù)測情況如表3所示。

表3 2006～2015年我國飼用酶制劑市場規(guī)模情況（單位：億元）

除飼料領(lǐng)域，酶制劑在其它工業(yè)領(lǐng)域的使用更為廣泛，而國外發(fā)達國家對于酶制劑的認(rèn)識與應(yīng)用依賴更大。中國作為世界的生產(chǎn)中心，同時隨著發(fā)酵技術(shù)的不斷提升，目前酶制劑的產(chǎn)能和工業(yè)化水平居世界首列，因此，2010年，我國酶制劑出口量達到8.2萬噸，出口額有2.3億美元（見表4）。

表4 2004～2010年我國酶制劑出口情況

4 飼用酶制劑的應(yīng)用與未來

隨著無機磷和植物飼料原料價格的飛漲，酶制劑在飼料行業(yè)中的應(yīng)用已得到廣泛認(rèn)可，但針對不同新型原料的酶譜選擇及酶制劑的精準(zhǔn)應(yīng)用，仍是未來飼用酶制劑的研究與開發(fā)方向，并且具有巨大的發(fā)展空間。

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