脂肪酶研發(fā)態(tài)勢的全球專利分析

張亞格，龐雨，張維，周正富*

1.中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)基因組學重點實驗室，北京100081；

2.海南省農(nóng)業(yè)科學院三亞研究所，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均含有豐富的脂肪酶[1]。微生物體內的脂肪酶因具有種類多、繁殖快、遺傳突變易于操作等特點，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）、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)用化學品（除草劑、殺蟲劑）等行業(yè)以及生物修復和廢物處理、合成光學純化合物、精細化學品等領域應用也較廣泛[4-5]。專利作為信息技術的載體，能夠提供不同技術行業(yè)的最新進展和動態(tài)信息，對分析產(chǎn)業(yè)技術發(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]。在所限定范圍內檢索到的最早脂肪酶專利是關于發(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]。受限于當時的科技水平，科學家們對于脂肪酶的研究還停留在宏觀水平，隨著基因工程、蛋白質工程的發(fā)展和科技手段的進步。20世紀70年代開始對脂肪酶的研究和應用有了更多的探索和認識，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，在很多領域均能起到提高產(chǎn)量、轉化率以及環(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動物消化吸收[17]，在烘焙過程中脂肪酶的添加對面團有強筋作用[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體化合物，生產(chǎn)生物柴油等[20?25]，表明脂肪酶市場應用前景較好，而進一步的應用開發(fā)涉及到對酶的改造、裝配和組合等一系列進程，因而研究者前期對優(yōu)質酶基因的挖掘至關重要。我國脂肪酶技術應用產(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)領域投入逐步加大，在《“十三五”生物技術創(chuàng)新專項規(guī)劃》《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》以及《國家重點研發(fā)計劃“綠色生物制造”重點專項》中相繼明確了推進酶工程和工業(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、基于定向進化及合成生物學方法設計改造核心技術等基礎研究[26]。

本文通過全面檢索全球范圍內脂肪酶相關的專利文獻，分析了國內外脂肪酶專利的申請趨勢、主要技術領域、研發(fā)機構等信息，以期為脂肪酶技術及產(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，參考脂肪酶的技術綜述確定相關的關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”為關鍵詞，再通過IPC分類號進一步確定數(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)狀進行分析。

1.2 研究方法

以專利申請的公開文本為基礎進行計數(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 結果與分析

2.1 全球脂肪酶發(fā)展趨勢

國內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，基因工程技術促進了脂肪酶研發(fā)的迅速增長，2004—2010年增長趨勢較平穩(wěn)，2011—2019年隨著基因組學與系統(tǒng)生物學的迅猛發(fā)展，脂肪酶的研究隨之增加，全球專利數(shù)量在2018年達到頂峰。我國于20世紀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年達到頂峰。

圖1 國內外脂肪酶專利數(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)權組織和歐洲專利局作為專利申請保護的主要機構，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研發(fā)機構比較關注的市場，這與各個國家相關的技術支撐和發(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領域分布

全球脂肪酶相關專利的主要IPC大組分類如圖5所示，IPC分類號的定義詳見表1，脂肪酶相關專利主要集中于人類生活需要（A部）和化學冶金（C部）方面，而在細化的IPC小類分類所涉及的技術領域較豐富，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化合物或從外消旋混合物中分離旋光異構體（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）、含氧有機化合物的制備（C12P7）、微生物組合物或檢測方法（C12N1、C12Q1）等領域。其中主流研究方向屬于酶及其組合物（C12N9），這一組分類中的專利主要涉及脂肪酶基因資源的挖掘、高效表達和純化及組合物等技術領域[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。除了在治療代謝疾病的藥物（A61P3）領域外，美國在各個重要領域的脂肪酶相關專利數(shù)量均居于首位，而日本則比較注重該方向的專利布局。中國主要關注的技術領域包括洗滌劑添加劑（C11D3）、含氧有機化合物的制備（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)機構分布

脂肪酶專利的重點申請機構及專利數(shù)量如圖7所示，脂肪酶相關專利的主要申請機構類型是企業(yè)，其中諾維信公司（4 420件）和寶潔公司（3 469件）申請量遠高于其他機構。其他主要機構為諾和諾德、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分類下的申請機構分布如圖8所示，諾維信公司申請的脂肪酶專利涉及的領域較廣泛，在所列重點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，但最主要的方向為酶及其組合物（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)領域。對各大跨國公司在脂肪酶專利布局及其產(chǎn)業(yè)化應用能力分析表明，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領域的國家分布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構Fig.7 Important global application institutions of lipase patents

2.5 國內脂肪酶專利的情況

中國脂肪酶專利申請排名前10位的機構如圖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位機構的56.38%。國內入榜機構均為高校，其中申請量最高的高校為江南大學（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、浙江工業(yè)大學、浙江大學和東北農(nóng)業(yè)大學。全球知名的跨國公司均在我國進行了專利部署，充分體現(xiàn)了中國市場對脂肪酶的需求，而我國的研發(fā)主體仍然以大學和科研機構為主，在產(chǎn)業(yè)化驅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，國內脂肪酶相關的12 733件專利中，獲得授權且有效的專利占21.97%，處于實質審查狀態(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。在全球脂肪酶相關專利被引用數(shù)量排行前500的脂肪酶專利中，國內專利僅有5個，被引數(shù)量遠低于國外專利，可見中國脂肪酶相關專利的質量與國外相比仍有較大的差距，國內對于脂肪酶專利的研發(fā)應用有待進一步擴大和深入。

圖8 脂肪酶專利重要技術領域的主要研發(fā)機構分布Fig.8 Distribution of main research institutions in important technical fields of lipase patents

圖9 國內脂肪酶專利的情況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年開始又進入第二次快速增長期。相比之下，國內的脂肪酶專利申請正處于第一次快速增長期。中國國內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與合成生物學的第三次科技革命，在大數(shù)據(jù)基礎上廣泛開展了工業(yè)酶的發(fā)掘，脂肪酶專利申請也進入快速增長期且勢頭強勁，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專利申請數(shù)量增長迅速，但專利的質量和應用轉化能力仍有待提高。

3.2 國內外脂肪酶相關研究領域存在一定差異

脂肪酶能夠廣泛應用于洗滌劑、飼料、食品、香料、精細化學、醫(yī)藥、生物能源等領域，這一點也在專利的領域分布上得到印證，但各個國家對于脂肪酶的研究領域具有一定的差異。美國在脂肪酶的各個重要領域的研發(fā)水平均較先進，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)定且高效的表達體系、發(fā)酵提取工藝和組合應用等方面。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、飼料領域主要工業(yè)酶制劑，相比之下國內企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)與應用推廣上較落后。我國脂肪酶研發(fā)的優(yōu)勢方向為微生物組合物（C12N1），專利中中國高校和企業(yè)申請量占比超過80%，且相關研究呈上升趨勢。我國在“綠色制造”理念的指導下，重點圍繞大宗化工產(chǎn)品、精細化學品的生物合成進行產(chǎn)業(yè)布局，努力搶占未來新一代生物制造前沿技術的產(chǎn)業(yè)高地。但我國在醫(yī)藥研發(fā)（A61K38和A61K31）領域脂肪酶研發(fā)與應用落后于日本、美國等先進國家。

3.3 脂肪酶的主要研究機構分布

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的機構均為跨國公司，排名前50機構中，江南大學（排名25）是唯一入榜的中國研究機構。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)定且高效的表達體系、發(fā)酵提取工藝和組合應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)的酶制劑可以應用到各個領域。諾維信、寶潔等外企也是國內受理的主要脂肪酶專利研究機構，占國內專利申請量的50%，大學和研究院所為主要研發(fā)單位，包括江南大學、華南理工大學、浙江工業(yè)大學、浙江大學、東北農(nóng)業(yè)大學等，雖然在2010年后國內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的技術體系以及優(yōu)良菌株，造成我國脂肪酶研發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈中技術的缺失，因而國內對脂肪酶的研究仍需要加強[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)境惡化日益嚴重，可持續(xù)發(fā)展與科學發(fā)展觀并行的發(fā)展觀念已成為人們的共同目標，因而節(jié)能環(huán)保的綠色生產(chǎn)方式也越來越受到關注。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條件和更高效的催化效率，因而得到廣泛的應用[29]。隨著基因組學和生物信息學的不斷發(fā)展，酶制劑資源的開發(fā)也進入了全新的階段，未來對酶制劑的要求隨著工業(yè)的發(fā)展也會越來越精細專一，對脂肪酶的品質要求也會越來越高，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)質脂肪酶資源并建立高效穩(wěn)定的表達體系，最終成功應用于工業(yè)生產(chǎn)將是我國酶制劑發(fā)展的關鍵。