脂肪酶研發(fā)態(tài)勢的全球?qū)＠治?/h1>
2021-12-01 10:25:36張亞格龐雨張維周正富
生物技術(shù)進(jìn)展 2021年6期
張亞格，龐雨，張維，周正富*
1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；
2.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究所，海南 三亞572000
脂肪酶（lipase，EC 3.1.1.3）是一類能夠催化各種酯鍵斷裂和形成的酶，廣泛存在于自然界中，如油料作物的種子、高等動物的胰臟和脂肪組織以及微生物體內(nèi)均含有豐富的脂肪酶[1]。微生物體內(nèi)的脂肪酶因具有種類多、繁殖快、遺傳突變易于操作等特點(diǎn)，已成為工業(yè)用脂肪酶的重要來源[2-3]。脂肪酶因具有易生產(chǎn)、可溶于有機(jī)溶劑、底物專一性和位置選擇性、無毒、環(huán)保等特性而廣泛應(yīng)用于洗滌劑添加劑、生物聚合物的合成、生物柴油的生產(chǎn)，且在食品工業(yè)（通過改變脂肪來改善感官和營養(yǎng)品質(zhì)）、造紙工業(yè)（從紙漿中去除瀝青）、制藥（抗生素、抗炎藥）、化妝品（香料和香料化合物）和農(nóng)用化學(xué)品（除草劑、殺蟲劑）等行業(yè)以及生物修復(fù)和廢物處理、合成光學(xué)純化合物、精細(xì)化學(xué)品等領(lǐng)域應(yīng)用也較廣泛[4-5]。專利作為信息技術(shù)的載體，能夠提供不同技術(shù)行業(yè)的最新進(jìn)展和動態(tài)信息，對分析產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢參考價值較高。目前通過信息化手段分析研究行業(yè)動態(tài)是進(jìn)行高效研發(fā)戰(zhàn)略制定的重要手段[6]。
雖然脂肪酶廣泛存在于自然界中，但直至1834年科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)兔胰脂肪酶的存在[7]。在隨后的1854年和1864年分別發(fā)現(xiàn)并報道了胃脂肪酶和豬胰脂肪酶[8]。1871年，科學(xué)家在植物種子中發(fā)現(xiàn)了脂肪酶，而微生物脂肪酶直至1901年才被發(fā)現(xiàn)[9-10]。在所限定范圍內(nèi)檢索到的最早脂肪酶專利是關(guān)于發(fā)酵豆類殘渣生產(chǎn)脂肪酶的方法，在產(chǎn)脂肪酶真菌適宜的生長溫度下，用蓖麻和大豆等含蛋白且油脂含量高的蔬菜種子廢棄物進(jìn)行發(fā)酵，用水處理發(fā)酵后的物料并去除沉淀物，然后加入乙酸以沉淀脂肪酶[11]。受限于當(dāng)時的科技水平，科學(xué)家們對于脂肪酶的研究還停留在宏觀水平，隨著基因工程、蛋白質(zhì)工程的發(fā)展和科技手段的進(jìn)步。20世紀(jì)70年代開始對脂肪酶的研究和應(yīng)用有了更多的探索和認(rèn)識，脂肪酶專利的申請數(shù)量開始快速增長[11]。脂肪酶作為一種新型環(huán)保助生產(chǎn)的原材料，在很多領(lǐng)域均能起到提高產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率以及環(huán)保的效果[12?14]，如在洗滌劑行業(yè)可作為添加劑降解衣物上的油漬[15-16]，在飼料行業(yè)可以作為飼料添加劑以促進(jìn)動物消化吸收[17]，在烘焙過程中脂肪酶的添加對面團(tuán)有強(qiáng)筋作用[18-19]，此外，脂肪酶還能夠合成香料，從外消旋體中純化旋光異構(gòu)體化合物，生產(chǎn)生物柴油等[20?25]，表明脂肪酶市場應(yīng)用前景較好，而進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)涉及到對酶的改造、裝配和組合等一系列進(jìn)程，因而研究者前期對優(yōu)質(zhì)酶基因的挖掘至關(guān)重要。我國脂肪酶技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)方面起步較晚，但經(jīng)過多年的發(fā)展，以及在國家科技與環(huán)保并行的政策支持下，以基因工程及蛋白質(zhì)工程為核心的研發(fā)已經(jīng)顯示出一定成效。此外，我國在酶制劑研發(fā)領(lǐng)域投入逐步加大，在《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》以及《國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“綠色生物制造”重點(diǎn)專項》中相繼明確了推進(jìn)酶工程和工業(yè)生物催化綠色工藝，開展新型酶制劑研發(fā)的發(fā)展愿景。與此同時研究者集中于酶基因資源挖掘、微生物發(fā)酵培養(yǎng)工藝及遺傳改造、基于定向進(jìn)化及合成生物學(xué)方法設(shè)計改造核心技術(shù)等基礎(chǔ)研究[26]。
本文通過全面檢索全球范圍內(nèi)脂肪酶相關(guān)的專利文獻(xiàn)，分析了國內(nèi)外脂肪酶專利的申請趨勢、主要技術(shù)領(lǐng)域、研發(fā)機(jī)構(gòu)等信息，以期為脂肪酶技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向提供參考依據(jù)。
1 數(shù)據(jù)來源與研究方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
本文以脂肪酶為研究對象，參考脂肪酶的技術(shù)綜述確定相關(guān)的關(guān)鍵詞和國際專利分類（international patent classification，IPC），使用的檢索工具為智慧芽數(shù)據(jù)庫（Pat Snap），以“脂肪酶”為關(guān)鍵詞，再通過IPC分類號進(jìn)一步確定數(shù)據(jù)集，借助智慧芽數(shù)據(jù)庫的專利分析工具以及Excel等數(shù)據(jù)處理工具對全球脂肪酶專利信息現(xiàn)狀進(jìn)行分析。
1.2 研究方法
以專利申請的公開文本為基礎(chǔ)進(jìn)行計數(shù)，檢索限定公開截止時間為2020年10月，共檢索得到專利92 006件。數(shù)據(jù)集在智慧芽中的檢索式：(TAC:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR TTL_ENTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR ABST_ENTRANS:(脂 肪 酶OR脂 酶OR lipase)OR CLMS_ENTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR TTL_CNTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR ABST_CNTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR CLMS_CNTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR IPC:(C12N9/20)。主題選取包括國家區(qū)域分類、IPC分類、申請年等。
2 結(jié)果與分析
2.1 全球脂肪酶發(fā)展趨勢
國內(nèi)外脂肪酶專利申請趨勢如圖1所示，1921—1985年，全球的脂肪酶專利申請呈緩慢增長趨勢，1983—2003年，基因工程技術(shù)促進(jìn)了脂肪酶研發(fā)的迅速增長，2004—2010年增長趨勢較平穩(wěn)，2011—2019年隨著基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)的迅猛發(fā)展，脂肪酶的研究隨之增加，全球?qū)＠麛?shù)量在2018年達(dá)到頂峰。我國于20世紀(jì)60年代才開始脂肪酶的研究與開發(fā)，脂肪酶專利數(shù)量從2010年開始明顯增加，并在2018年達(dá)到頂峰。
圖1 國內(nèi)外脂肪酶專利數(shù)量申請趨勢Fig.1 Trend of the lipase patent applications number at home and abroad
脂肪酶專利技術(shù)主要來源國家/地區(qū)/組織的分布如圖2所示，美國、中國、日本、德國以及丹麥的申請數(shù)量較多，其中美國（38.80%）占比最高，中國（10.71%）次之。主要申請國家近十年的申請趨勢如圖3所示，自2011年以來盡管美國、日本、德國和丹麥的申請數(shù)量也在不斷地增長，但中國脂肪酶專利申請增長量最高，是推動世界脂肪酶專利申請數(shù)量增長的主要動因，相對于中國，其他國家的脂肪酶專利申請時間分布較均勻。
圖2 脂肪酶專利技術(shù)來源國家/地區(qū)/組織分布Fig.2 Country/region/organization distribution of lipase patent technology sources
圖3 主要技術(shù)來源國家的年度申請趨勢Fig.3 Annual application trends of major technology source countries
2.2 脂肪酶專利受理國家/地區(qū)/組織分布
脂肪酶相關(guān)專利數(shù)量排名前10位的國家/地區(qū)/組織如圖4所示，脂肪酶相關(guān)專利布局排名前5位的國家依次為中國、美國、日本、澳大利亞和加拿大，同時，韓國、德國和巴西也是主要的專利布局國家。世界知識產(chǎn)權(quán)組織和歐洲專利局作為專利申請保護(hù)的主要機(jī)構(gòu)，其受理的專利數(shù)據(jù)也一同列出作為參考。中國、美國和日本是脂肪酶相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)比較關(guān)注的市場，這與各個國家相關(guān)的技術(shù)支撐和發(fā)展理念相統(tǒng)一[6]。
圖4 主要專利受理國家/地區(qū)/組織分布Fig.4 Distribution of major patent acceptance countries/regions/organization
2.3 全球脂肪酶專利技術(shù)領(lǐng)域分布
全球脂肪酶相關(guān)專利的主要IPC大組分類如圖5所示，IPC分類號的定義詳見表1，脂肪酶相關(guān)專利主要集中于人類生活需要（A部）和化學(xué)冶金（C部）方面，而在細(xì)化的IPC小類分類所涉及的技術(shù)領(lǐng)域較豐富，主要包括微生物或酶及其組合物（C12N）、醫(yī)用、牙科用或梳妝用的配置品（A61K）、發(fā)酵或使用酶的方法合成目標(biāo)化合物或從外消旋混合物中分離旋光異構(gòu)體（C12P）、化合物或藥物制劑的特定治療活性（A61P）、洗滌劑組合物（C11D）等。更細(xì)化的IPC大組分類中脂肪酶專利主要集中于酶及其組合物以及突變株（C12N9、C12N15）、含有效成分或肽的醫(yī)藥配置品（A61K31、A61K38）、洗滌劑添加劑（C11D3）、治療代謝疾病的藥物或促胃液素（A61P3、C07K1 4）、含氧有機(jī)化合物的制備（C12P7）、微生物組合物或檢測方法（C12N1、C12Q1）等領(lǐng)域。其中主流研究方向?qū)儆诿讣捌浣M合物（C12N9），這一組分類中的專利主要涉及脂肪酶基因資源的挖掘、高效表達(dá)和純化及組合物等技術(shù)領(lǐng)域[27]。
圖5 全球脂肪酶專利重要IPC分布Fig.5 Important IPC distribution of global lipase patents
脂肪酶專利所涉及的重要IPC分類中的國家如圖6所示，在酶及其組合物（C12N9）分類下美國的專利數(shù)量遠(yuǎn)超其他國家，這也證明了美國在脂肪酶研發(fā)方面具有一定的優(yōu)勢，而日本和中國分別居第二和第三位，表明均將該方向作為了研究重點(diǎn)。除了在治療代謝疾病的藥物（A61P3）領(lǐng)域外，美國在各個重要領(lǐng)域的脂肪酶相關(guān)專利數(shù)量均居于首位，而日本則比較注重該方向的專利布局。中國主要關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域包括洗滌劑添加劑（C11D3）、含氧有機(jī)化合物的制備（C12P7）以及微生物組合物（C12N1），澳大利亞和加拿大在各個方向上均比較均勻。
表1 IPC分類號的定義Table 1 Definition of IPC classification number
2.4 全球脂肪酶研發(fā)機(jī)構(gòu)分布
脂肪酶專利的重點(diǎn)申請機(jī)構(gòu)及專利數(shù)量如圖7所示，脂肪酶相關(guān)專利的主要申請機(jī)構(gòu)類型是企業(yè)，其中諾維信公司（4 420件）和寶潔公司（3 469件）申請量遠(yuǎn)高于其他機(jī)構(gòu)。其他主要機(jī)構(gòu)為諾和諾德、丹尼斯科、羅氏、漢高、聯(lián)合利華、巴斯夫、賽諾菲、賽諾菲-安萬特，均來自歐美國家。IPC分類下的申請機(jī)構(gòu)分布如圖8所示，諾維信公司申請的脂肪酶專利涉及的領(lǐng)域較廣泛，在所列重點(diǎn)IPC大組中除了含有效成分的醫(yī)藥配置品（A61K31）和治療代謝疾病的藥物（A61P3）以外的其他方面分類均有涉及，但最主要的方向?yàn)槊讣捌浣M合物（C12N9）、洗滌劑添加劑（C11D3）、酶基因突變體及分離純化方法（C12N15）、微生物及其組合物（C12N1）等方面。諾和諾德、丹尼斯克以及杰能科的研發(fā)方向與諾維信基本一致，但專利數(shù)量明顯低于諾維信。寶潔公司脂肪酶的研發(fā)方向主要為洗滌劑添加劑（C11D3），與之相似的還有漢高，而羅氏和賽諾菲則主要涉及含有效成分的醫(yī)藥配置品（A61K31）和治療代謝疾病的藥物（A61P3）等藥品方向的研發(fā)領(lǐng)域。對各大跨國公司在脂肪酶專利布局及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用能力分析表明，跨國公司仍是脂肪酶的市場競爭主體。
圖6 脂肪酶專利重要技術(shù)領(lǐng)域的國家分布Fig.6 Country distribution of important technical fields of lipase patents
圖7 全球脂肪酶專利重要申請機(jī)構(gòu)Fig.7 Important global application institutions of lipase patents
2.5 國內(nèi)脂肪酶專利的情況
中國脂肪酶專利申請排名前10位的機(jī)構(gòu)如圖9A所示，其中50%為國外企業(yè)，包括諾維信公司（388件）、寶潔公司（238件）、豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司（128件）、諾和諾德公司（121件）和丹尼斯科公司（118件），外企申請量占前10位機(jī)構(gòu)的56.38%。國內(nèi)入榜機(jī)構(gòu)均為高校，其中申請量最高的高校為江南大學(xué)（268件），其申請量僅次于諾維信公司，其他高校依次為華南理工大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)。全球知名的跨國公司均在我國進(jìn)行了專利部署，充分體現(xiàn)了中國市場對脂肪酶的需求，而我國的研發(fā)主體仍然以大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)為主，在產(chǎn)業(yè)化驅(qū)動上與世界上知名酶制劑企業(yè)相比差異較大。截至檢索時間，國內(nèi)脂肪酶相關(guān)的12 733件專利中，獲得授權(quán)且有效的專利占21.97%，處于實(shí)質(zhì)審查狀態(tài)的專利占34.04%，處于公開狀態(tài)的專利占2.31%，撤回的專利占22.50%，權(quán)利終止的專利占11.06%，駁回的專利占10.44%（圖9B）?？傮w分析表明，中國脂肪酶相關(guān)專利失效占比43.99%，其中因撤回造成失效的專利較多，需要引起相關(guān)從業(yè)人員的重視。被引專利數(shù)量可以體現(xiàn)所發(fā)明專利的重要程度。在全球脂肪酶相關(guān)專利被引用數(shù)量排行前500的脂肪酶專利中，國內(nèi)專利僅有5個，被引數(shù)量遠(yuǎn)低于國外專利，可見中國脂肪酶相關(guān)專利的質(zhì)量與國外相比仍有較大的差距，國內(nèi)對于脂肪酶專利的研發(fā)應(yīng)用有待進(jìn)一步擴(kuò)大和深入。
圖8 脂肪酶專利重要技術(shù)領(lǐng)域的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)分布Fig.8 Distribution of main research institutions in important technical fields of lipase patents
圖9 國內(nèi)脂肪酶專利的情況Fig.9 Status of lipase patents in China
3 討論
3.1 中國與全球脂肪酶專利發(fā)展趨勢不同步
全球脂肪酶專利申請趨勢呈現(xiàn)3個階段，1921—1983年全球的脂肪酶專利申請為緩慢增長期，1983年以后世界脂肪酶專利進(jìn)入第一次快速發(fā)展階段，到2009年略有下降，但從2010年開始又進(jìn)入第二次快速增長期。相比之下，國內(nèi)的脂肪酶專利申請正處于第一次快速增長期。中國國內(nèi)脂肪酶專利申請量是從2000年開始逐漸增加，2010年以后伴隨著高通量測序技術(shù)與合成生物學(xué)的第三次科技革命，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上廣泛開展了工業(yè)酶的發(fā)掘，脂肪酶專利申請也進(jìn)入快速增長期且勢頭強(qiáng)勁，為世界脂肪酶專利申請數(shù)量的增長提供了主要動力[27?28]。全球整體的申請趨勢以及法律狀態(tài)表明國際上對脂肪酶的研發(fā)熱潮中，雖然中國的脂肪酶相關(guān)專利申請數(shù)量增長迅速，但專利的質(zhì)量和應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力仍有待提高。
3.2 國內(nèi)外脂肪酶相關(guān)研究領(lǐng)域存在一定差異
脂肪酶能夠廣泛應(yīng)用于洗滌劑、飼料、食品、香料、精細(xì)化學(xué)、醫(yī)藥、生物能源等領(lǐng)域，這一點(diǎn)也在專利的領(lǐng)域分布上得到印證，但各個國家對于脂肪酶的研究領(lǐng)域具有一定的差異。美國在脂肪酶的各個重要領(lǐng)域的研發(fā)水平均較先進(jìn)，美國、中國和日本均將酶及其組合物（C12N9）作為主要研究方向，可見各個國家均重視脂肪酶基因資源的挖掘、穩(wěn)定且高效的表達(dá)體系、發(fā)酵提取工藝和組合應(yīng)用等方面。此外，在脂肪酶突變或遺傳工程（C12N5）和洗滌劑添加劑（C11D3）方向上申請較多。申請人分布顯示，這些專利中多數(shù)為中外合資企業(yè)，這些企業(yè)的產(chǎn)品也是洗滌劑、紡織、食品、飼料領(lǐng)域主要工業(yè)酶制劑，相比之下國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用推廣上較落后。我國脂肪酶研發(fā)的優(yōu)勢方向?yàn)槲⑸锝M合物（C12N1），專利中中國高校和企業(yè)申請量占比超過80%，且相關(guān)研究呈上升趨勢。我國在“綠色制造”理念的指導(dǎo)下，重點(diǎn)圍繞大宗化工產(chǎn)品、精細(xì)化學(xué)品的生物合成進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，努力搶占未來新一代生物制造前沿技術(shù)的產(chǎn)業(yè)高地。但我國在醫(yī)藥研發(fā)（A61K38和A61K31）領(lǐng)域脂肪酶研發(fā)與應(yīng)用落后于日本、美國等先進(jìn)國家。
3.3 脂肪酶的主要研究機(jī)構(gòu)分布
歐美企業(yè)對脂肪酶研究較多，包括諾維信、寶潔、諾和諾德、丹尼斯科、羅氏、漢高、聯(lián)合利華、巴斯夫、賽諾菲等。專利申請量排名前20的機(jī)構(gòu)均為跨國公司，排名前50機(jī)構(gòu)中，江南大學(xué)（排名25）是唯一入榜的中國研究機(jī)構(gòu)。這些企業(yè)對脂肪酶研發(fā)的方向有一定的差異，其中諾維信、諾和諾德、丹尼斯科以及杰能科均對脂肪酶基因資源的挖掘、穩(wěn)定且高效的表達(dá)體系、發(fā)酵提取工藝和組合應(yīng)用等方面的研究較深入，屬于酶制劑資源開發(fā)的源頭企業(yè)，所生產(chǎn)的酶制劑可以應(yīng)用到各個領(lǐng)域。諾維信、寶潔等外企也是國內(nèi)受理的主要脂肪酶專利研究機(jī)構(gòu)，占國內(nèi)專利申請量的50%，大學(xué)和研究院所為主要研發(fā)單位，包括江南大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等，雖然在2010年后國內(nèi)對脂肪酶專利的申請數(shù)量大幅提升，但企業(yè)生產(chǎn)仍主要依賴國外先進(jìn)的技術(shù)體系以及優(yōu)良菌株，造成我國脂肪酶研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)的缺失，因而國內(nèi)對脂肪酶的研究仍需要加強(qiáng)[6]。
3.4 脂肪酶的未來發(fā)展方向
隨著全球資源短缺和環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展與科學(xué)發(fā)展觀并行的發(fā)展觀念已成為人們的共同目標(biāo)，因而節(jié)能環(huán)保的綠色生產(chǎn)方式也越來越受到關(guān)注。生物酶制劑作為新興的綠色催化劑，較傳統(tǒng)的催化劑具有更溫和的催化反應(yīng)條件和更高效的催化效率，因而得到廣泛的應(yīng)用[29]。隨著基因組學(xué)和生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，酶制劑資源的開發(fā)也進(jìn)入了全新的階段，未來對酶制劑的要求隨著工業(yè)的發(fā)展也會越來越精細(xì)專一，對脂肪酶的品質(zhì)要求也會越來越高，同時發(fā)展液劑型、顆粒型產(chǎn)品，重視固定化酶是國際趨勢[30]。因此，充分利用我國豐富的微生物資源，建立脂肪酶基因資源庫，開發(fā)優(yōu)質(zhì)脂肪酶資源并建立高效穩(wěn)定的表達(dá)體系，最終成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)將是我國酶制劑發(fā)展的關(guān)鍵。
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1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；
2.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究所，海南 三亞572000
脂肪酶（lipase，EC 3.1.1.3）是一類能夠催化各種酯鍵斷裂和形成的酶，廣泛存在于自然界中，如油料作物的種子、高等動物的胰臟和脂肪組織以及微生物體內(nèi)均含有豐富的脂肪酶[1]。微生物體內(nèi)的脂肪酶因具有種類多、繁殖快、遺傳突變易于操作等特點(diǎn)，已成為工業(yè)用脂肪酶的重要來源[2-3]。脂肪酶因具有易生產(chǎn)、可溶于有機(jī)溶劑、底物專一性和位置選擇性、無毒、環(huán)保等特性而廣泛應(yīng)用于洗滌劑添加劑、生物聚合物的合成、生物柴油的生產(chǎn)，且在食品工業(yè)（通過改變脂肪來改善感官和營養(yǎng)品質(zhì)）、造紙工業(yè)（從紙漿中去除瀝青）、制藥（抗生素、抗炎藥）、化妝品（香料和香料化合物）和農(nóng)用化學(xué)品（除草劑、殺蟲劑）等行業(yè)以及生物修復(fù)和廢物處理、合成光學(xué)純化合物、精細(xì)化學(xué)品等領(lǐng)域應(yīng)用也較廣泛[4-5]。專利作為信息技術(shù)的載體，能夠提供不同技術(shù)行業(yè)的最新進(jìn)展和動態(tài)信息，對分析產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢參考價值較高。目前通過信息化手段分析研究行業(yè)動態(tài)是進(jìn)行高效研發(fā)戰(zhàn)略制定的重要手段[6]。
雖然脂肪酶廣泛存在于自然界中，但直至1834年科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)兔胰脂肪酶的存在[7]。在隨后的1854年和1864年分別發(fā)現(xiàn)并報道了胃脂肪酶和豬胰脂肪酶[8]。1871年，科學(xué)家在植物種子中發(fā)現(xiàn)了脂肪酶，而微生物脂肪酶直至1901年才被發(fā)現(xiàn)[9-10]。在所限定范圍內(nèi)檢索到的最早脂肪酶專利是關(guān)于發(fā)酵豆類殘渣生產(chǎn)脂肪酶的方法，在產(chǎn)脂肪酶真菌適宜的生長溫度下，用蓖麻和大豆等含蛋白且油脂含量高的蔬菜種子廢棄物進(jìn)行發(fā)酵，用水處理發(fā)酵后的物料并去除沉淀物，然后加入乙酸以沉淀脂肪酶[11]。受限于當(dāng)時的科技水平，科學(xué)家們對于脂肪酶的研究還停留在宏觀水平，隨著基因工程、蛋白質(zhì)工程的發(fā)展和科技手段的進(jìn)步。20世紀(jì)70年代開始對脂肪酶的研究和應(yīng)用有了更多的探索和認(rèn)識，脂肪酶專利的申請數(shù)量開始快速增長[11]。脂肪酶作為一種新型環(huán)保助生產(chǎn)的原材料，在很多領(lǐng)域均能起到提高產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率以及環(huán)保的效果[12?14]，如在洗滌劑行業(yè)可作為添加劑降解衣物上的油漬[15-16]，在飼料行業(yè)可以作為飼料添加劑以促進(jìn)動物消化吸收[17]，在烘焙過程中脂肪酶的添加對面團(tuán)有強(qiáng)筋作用[18-19]，此外，脂肪酶還能夠合成香料，從外消旋體中純化旋光異構(gòu)體化合物，生產(chǎn)生物柴油等[20?25]，表明脂肪酶市場應(yīng)用前景較好，而進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)涉及到對酶的改造、裝配和組合等一系列進(jìn)程，因而研究者前期對優(yōu)質(zhì)酶基因的挖掘至關(guān)重要。我國脂肪酶技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)方面起步較晚，但經(jīng)過多年的發(fā)展，以及在國家科技與環(huán)保并行的政策支持下，以基因工程及蛋白質(zhì)工程為核心的研發(fā)已經(jīng)顯示出一定成效。此外，我國在酶制劑研發(fā)領(lǐng)域投入逐步加大，在《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項規(guī)劃》《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》以及《國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“綠色生物制造”重點(diǎn)專項》中相繼明確了推進(jìn)酶工程和工業(yè)生物催化綠色工藝，開展新型酶制劑研發(fā)的發(fā)展愿景。與此同時研究者集中于酶基因資源挖掘、微生物發(fā)酵培養(yǎng)工藝及遺傳改造、基于定向進(jìn)化及合成生物學(xué)方法設(shè)計改造核心技術(shù)等基礎(chǔ)研究[26]。
本文通過全面檢索全球范圍內(nèi)脂肪酶相關(guān)的專利文獻(xiàn)，分析了國內(nèi)外脂肪酶專利的申請趨勢、主要技術(shù)領(lǐng)域、研發(fā)機(jī)構(gòu)等信息，以期為脂肪酶技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向提供參考依據(jù)。
1 數(shù)據(jù)來源與研究方法
1.1 數(shù)據(jù)來源
本文以脂肪酶為研究對象，參考脂肪酶的技術(shù)綜述確定相關(guān)的關(guān)鍵詞和國際專利分類（international patent classification，IPC），使用的檢索工具為智慧芽數(shù)據(jù)庫（Pat Snap），以“脂肪酶”為關(guān)鍵詞，再通過IPC分類號進(jìn)一步確定數(shù)據(jù)集，借助智慧芽數(shù)據(jù)庫的專利分析工具以及Excel等數(shù)據(jù)處理工具對全球脂肪酶專利信息現(xiàn)狀進(jìn)行分析。
1.2 研究方法
以專利申請的公開文本為基礎(chǔ)進(jìn)行計數(shù)，檢索限定公開截止時間為2020年10月，共檢索得到專利92 006件。數(shù)據(jù)集在智慧芽中的檢索式：(TAC:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR TTL_ENTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR ABST_ENTRANS:(脂 肪 酶OR脂 酶OR lipase)OR CLMS_ENTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR TTL_CNTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR ABST_CNTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR CLMS_CNTRANS:(脂肪酶OR脂酶OR lipase)OR IPC:(C12N9/20)。主題選取包括國家區(qū)域分類、IPC分類、申請年等。
2 結(jié)果與分析
2.1 全球脂肪酶發(fā)展趨勢
國內(nèi)外脂肪酶專利申請趨勢如圖1所示，1921—1985年，全球的脂肪酶專利申請呈緩慢增長趨勢，1983—2003年，基因工程技術(shù)促進(jìn)了脂肪酶研發(fā)的迅速增長，2004—2010年增長趨勢較平穩(wěn)，2011—2019年隨著基因組學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)的迅猛發(fā)展，脂肪酶的研究隨之增加，全球?qū)＠麛?shù)量在2018年達(dá)到頂峰。我國于20世紀(jì)60年代才開始脂肪酶的研究與開發(fā)，脂肪酶專利數(shù)量從2010年開始明顯增加，并在2018年達(dá)到頂峰。
圖1 國內(nèi)外脂肪酶專利數(shù)量申請趨勢Fig.1 Trend of the lipase patent applications number at home and abroad
脂肪酶專利技術(shù)主要來源國家/地區(qū)/組織的分布如圖2所示，美國、中國、日本、德國以及丹麥的申請數(shù)量較多，其中美國（38.80%）占比最高，中國（10.71%）次之。主要申請國家近十年的申請趨勢如圖3所示，自2011年以來盡管美國、日本、德國和丹麥的申請數(shù)量也在不斷地增長，但中國脂肪酶專利申請增長量最高，是推動世界脂肪酶專利申請數(shù)量增長的主要動因，相對于中國，其他國家的脂肪酶專利申請時間分布較均勻。
圖2 脂肪酶專利技術(shù)來源國家/地區(qū)/組織分布Fig.2 Country/region/organization distribution of lipase patent technology sources
圖3 主要技術(shù)來源國家的年度申請趨勢Fig.3 Annual application trends of major technology source countries
2.2 脂肪酶專利受理國家/地區(qū)/組織分布
脂肪酶相關(guān)專利數(shù)量排名前10位的國家/地區(qū)/組織如圖4所示，脂肪酶相關(guān)專利布局排名前5位的國家依次為中國、美國、日本、澳大利亞和加拿大，同時，韓國、德國和巴西也是主要的專利布局國家。世界知識產(chǎn)權(quán)組織和歐洲專利局作為專利申請保護(hù)的主要機(jī)構(gòu)，其受理的專利數(shù)據(jù)也一同列出作為參考。中國、美國和日本是脂肪酶相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)比較關(guān)注的市場，這與各個國家相關(guān)的技術(shù)支撐和發(fā)展理念相統(tǒng)一[6]。
圖4 主要專利受理國家/地區(qū)/組織分布Fig.4 Distribution of major patent acceptance countries/regions/organization
2.3 全球脂肪酶專利技術(shù)領(lǐng)域分布
全球脂肪酶相關(guān)專利的主要IPC大組分類如圖5所示，IPC分類號的定義詳見表1，脂肪酶相關(guān)專利主要集中于人類生活需要（A部）和化學(xué)冶金（C部）方面，而在細(xì)化的IPC小類分類所涉及的技術(shù)領(lǐng)域較豐富，主要包括微生物或酶及其組合物（C12N）、醫(yī)用、牙科用或梳妝用的配置品（A61K）、發(fā)酵或使用酶的方法合成目標(biāo)化合物或從外消旋混合物中分離旋光異構(gòu)體（C12P）、化合物或藥物制劑的特定治療活性（A61P）、洗滌劑組合物（C11D）等。更細(xì)化的IPC大組分類中脂肪酶專利主要集中于酶及其組合物以及突變株（C12N9、C12N15）、含有效成分或肽的醫(yī)藥配置品（A61K31、A61K38）、洗滌劑添加劑（C11D3）、治療代謝疾病的藥物或促胃液素（A61P3、C07K1 4）、含氧有機(jī)化合物的制備（C12P7）、微生物組合物或檢測方法（C12N1、C12Q1）等領(lǐng)域。其中主流研究方向?qū)儆诿讣捌浣M合物（C12N9），這一組分類中的專利主要涉及脂肪酶基因資源的挖掘、高效表達(dá)和純化及組合物等技術(shù)領(lǐng)域[27]。
圖5 全球脂肪酶專利重要IPC分布Fig.5 Important IPC distribution of global lipase patents
脂肪酶專利所涉及的重要IPC分類中的國家如圖6所示，在酶及其組合物（C12N9）分類下美國的專利數(shù)量遠(yuǎn)超其他國家，這也證明了美國在脂肪酶研發(fā)方面具有一定的優(yōu)勢，而日本和中國分別居第二和第三位，表明均將該方向作為了研究重點(diǎn)。除了在治療代謝疾病的藥物（A61P3）領(lǐng)域外，美國在各個重要領(lǐng)域的脂肪酶相關(guān)專利數(shù)量均居于首位，而日本則比較注重該方向的專利布局。中國主要關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域包括洗滌劑添加劑（C11D3）、含氧有機(jī)化合物的制備（C12P7）以及微生物組合物（C12N1），澳大利亞和加拿大在各個方向上均比較均勻。
表1 IPC分類號的定義Table 1 Definition of IPC classification number
2.4 全球脂肪酶研發(fā)機(jī)構(gòu)分布
脂肪酶專利的重點(diǎn)申請機(jī)構(gòu)及專利數(shù)量如圖7所示，脂肪酶相關(guān)專利的主要申請機(jī)構(gòu)類型是企業(yè)，其中諾維信公司（4 420件）和寶潔公司（3 469件）申請量遠(yuǎn)高于其他機(jī)構(gòu)。其他主要機(jī)構(gòu)為諾和諾德、丹尼斯科、羅氏、漢高、聯(lián)合利華、巴斯夫、賽諾菲、賽諾菲-安萬特，均來自歐美國家。IPC分類下的申請機(jī)構(gòu)分布如圖8所示，諾維信公司申請的脂肪酶專利涉及的領(lǐng)域較廣泛，在所列重點(diǎn)IPC大組中除了含有效成分的醫(yī)藥配置品（A61K31）和治療代謝疾病的藥物（A61P3）以外的其他方面分類均有涉及，但最主要的方向?yàn)槊讣捌浣M合物（C12N9）、洗滌劑添加劑（C11D3）、酶基因突變體及分離純化方法（C12N15）、微生物及其組合物（C12N1）等方面。諾和諾德、丹尼斯克以及杰能科的研發(fā)方向與諾維信基本一致，但專利數(shù)量明顯低于諾維信。寶潔公司脂肪酶的研發(fā)方向主要為洗滌劑添加劑（C11D3），與之相似的還有漢高，而羅氏和賽諾菲則主要涉及含有效成分的醫(yī)藥配置品（A61K31）和治療代謝疾病的藥物（A61P3）等藥品方向的研發(fā)領(lǐng)域。對各大跨國公司在脂肪酶專利布局及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用能力分析表明，跨國公司仍是脂肪酶的市場競爭主體。
圖6 脂肪酶專利重要技術(shù)領(lǐng)域的國家分布Fig.6 Country distribution of important technical fields of lipase patents
圖7 全球脂肪酶專利重要申請機(jī)構(gòu)Fig.7 Important global application institutions of lipase patents
2.5 國內(nèi)脂肪酶專利的情況
中國脂肪酶專利申請排名前10位的機(jī)構(gòu)如圖9A所示，其中50%為國外企業(yè)，包括諾維信公司（388件）、寶潔公司（238件）、豐益（上海）生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司（128件）、諾和諾德公司（121件）和丹尼斯科公司（118件），外企申請量占前10位機(jī)構(gòu)的56.38%。國內(nèi)入榜機(jī)構(gòu)均為高校，其中申請量最高的高校為江南大學(xué)（268件），其申請量僅次于諾維信公司，其他高校依次為華南理工大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)。全球知名的跨國公司均在我國進(jìn)行了專利部署，充分體現(xiàn)了中國市場對脂肪酶的需求，而我國的研發(fā)主體仍然以大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)為主，在產(chǎn)業(yè)化驅(qū)動上與世界上知名酶制劑企業(yè)相比差異較大。截至檢索時間，國內(nèi)脂肪酶相關(guān)的12 733件專利中，獲得授權(quán)且有效的專利占21.97%，處于實(shí)質(zhì)審查狀態(tài)的專利占34.04%，處于公開狀態(tài)的專利占2.31%，撤回的專利占22.50%，權(quán)利終止的專利占11.06%，駁回的專利占10.44%（圖9B）?？傮w分析表明，中國脂肪酶相關(guān)專利失效占比43.99%，其中因撤回造成失效的專利較多，需要引起相關(guān)從業(yè)人員的重視。被引專利數(shù)量可以體現(xiàn)所發(fā)明專利的重要程度。在全球脂肪酶相關(guān)專利被引用數(shù)量排行前500的脂肪酶專利中，國內(nèi)專利僅有5個，被引數(shù)量遠(yuǎn)低于國外專利，可見中國脂肪酶相關(guān)專利的質(zhì)量與國外相比仍有較大的差距，國內(nèi)對于脂肪酶專利的研發(fā)應(yīng)用有待進(jìn)一步擴(kuò)大和深入。
圖8 脂肪酶專利重要技術(shù)領(lǐng)域的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)分布Fig.8 Distribution of main research institutions in important technical fields of lipase patents
圖9 國內(nèi)脂肪酶專利的情況Fig.9 Status of lipase patents in China
3 討論
3.1 中國與全球脂肪酶專利發(fā)展趨勢不同步
全球脂肪酶專利申請趨勢呈現(xiàn)3個階段，1921—1983年全球的脂肪酶專利申請為緩慢增長期，1983年以后世界脂肪酶專利進(jìn)入第一次快速發(fā)展階段，到2009年略有下降，但從2010年開始又進(jìn)入第二次快速增長期。相比之下，國內(nèi)的脂肪酶專利申請正處于第一次快速增長期。中國國內(nèi)脂肪酶專利申請量是從2000年開始逐漸增加，2010年以后伴隨著高通量測序技術(shù)與合成生物學(xué)的第三次科技革命，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上廣泛開展了工業(yè)酶的發(fā)掘，脂肪酶專利申請也進(jìn)入快速增長期且勢頭強(qiáng)勁，為世界脂肪酶專利申請數(shù)量的增長提供了主要動力[27?28]。全球整體的申請趨勢以及法律狀態(tài)表明國際上對脂肪酶的研發(fā)熱潮中，雖然中國的脂肪酶相關(guān)專利申請數(shù)量增長迅速，但專利的質(zhì)量和應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力仍有待提高。
3.2 國內(nèi)外脂肪酶相關(guān)研究領(lǐng)域存在一定差異
脂肪酶能夠廣泛應(yīng)用于洗滌劑、飼料、食品、香料、精細(xì)化學(xué)、醫(yī)藥、生物能源等領(lǐng)域，這一點(diǎn)也在專利的領(lǐng)域分布上得到印證，但各個國家對于脂肪酶的研究領(lǐng)域具有一定的差異。美國在脂肪酶的各個重要領(lǐng)域的研發(fā)水平均較先進(jìn)，美國、中國和日本均將酶及其組合物（C12N9）作為主要研究方向，可見各個國家均重視脂肪酶基因資源的挖掘、穩(wěn)定且高效的表達(dá)體系、發(fā)酵提取工藝和組合應(yīng)用等方面。此外，在脂肪酶突變或遺傳工程（C12N5）和洗滌劑添加劑（C11D3）方向上申請較多。申請人分布顯示，這些專利中多數(shù)為中外合資企業(yè)，這些企業(yè)的產(chǎn)品也是洗滌劑、紡織、食品、飼料領(lǐng)域主要工業(yè)酶制劑，相比之下國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用推廣上較落后。我國脂肪酶研發(fā)的優(yōu)勢方向?yàn)槲⑸锝M合物（C12N1），專利中中國高校和企業(yè)申請量占比超過80%，且相關(guān)研究呈上升趨勢。我國在“綠色制造”理念的指導(dǎo)下，重點(diǎn)圍繞大宗化工產(chǎn)品、精細(xì)化學(xué)品的生物合成進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，努力搶占未來新一代生物制造前沿技術(shù)的產(chǎn)業(yè)高地。但我國在醫(yī)藥研發(fā)（A61K38和A61K31）領(lǐng)域脂肪酶研發(fā)與應(yīng)用落后于日本、美國等先進(jìn)國家。
3.3 脂肪酶的主要研究機(jī)構(gòu)分布
歐美企業(yè)對脂肪酶研究較多，包括諾維信、寶潔、諾和諾德、丹尼斯科、羅氏、漢高、聯(lián)合利華、巴斯夫、賽諾菲等。專利申請量排名前20的機(jī)構(gòu)均為跨國公司，排名前50機(jī)構(gòu)中，江南大學(xué)（排名25）是唯一入榜的中國研究機(jī)構(gòu)。這些企業(yè)對脂肪酶研發(fā)的方向有一定的差異，其中諾維信、諾和諾德、丹尼斯科以及杰能科均對脂肪酶基因資源的挖掘、穩(wěn)定且高效的表達(dá)體系、發(fā)酵提取工藝和組合應(yīng)用等方面的研究較深入，屬于酶制劑資源開發(fā)的源頭企業(yè)，所生產(chǎn)的酶制劑可以應(yīng)用到各個領(lǐng)域。諾維信、寶潔等外企也是國內(nèi)受理的主要脂肪酶專利研究機(jī)構(gòu)，占國內(nèi)專利申請量的50%，大學(xué)和研究院所為主要研發(fā)單位，包括江南大學(xué)、華南理工大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等，雖然在2010年后國內(nèi)對脂肪酶專利的申請數(shù)量大幅提升，但企業(yè)生產(chǎn)仍主要依賴國外先進(jìn)的技術(shù)體系以及優(yōu)良菌株，造成我國脂肪酶研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈中技術(shù)的缺失，因而國內(nèi)對脂肪酶的研究仍需要加強(qiáng)[6]。
3.4 脂肪酶的未來發(fā)展方向
隨著全球資源短缺和環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，可持續(xù)發(fā)展與科學(xué)發(fā)展觀并行的發(fā)展觀念已成為人們的共同目標(biāo)，因而節(jié)能環(huán)保的綠色生產(chǎn)方式也越來越受到關(guān)注。生物酶制劑作為新興的綠色催化劑，較傳統(tǒng)的催化劑具有更溫和的催化反應(yīng)條件和更高效的催化效率，因而得到廣泛的應(yīng)用[29]。隨著基因組學(xué)和生物信息學(xué)的不斷發(fā)展，酶制劑資源的開發(fā)也進(jìn)入了全新的階段，未來對酶制劑的要求隨著工業(yè)的發(fā)展也會越來越精細(xì)專一，對脂肪酶的品質(zhì)要求也會越來越高，同時發(fā)展液劑型、顆粒型產(chǎn)品，重視固定化酶是國際趨勢[30]。因此，充分利用我國豐富的微生物資源，建立脂肪酶基因資源庫，開發(fā)優(yōu)質(zhì)脂肪酶資源并建立高效穩(wěn)定的表達(dá)體系，最終成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)將是我國酶制劑發(fā)展的關(guān)鍵。
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