脂肪酶研发态势的全球专利分析

张亚格，庞雨，张维，周正富*

1.中国农业科学院生物技术研究所，农业农村部农业基因组学重点实验室，北京100081；

2.海南省农业科学院三亚研究所，海南 三亚572000

脂肪酶（lipase，EC 3.1.1.3）是一类能够催化各种酯键断裂和形成的酶，广泛存在于自然界中，如油料作物的种子、高等动物的胰脏和脂肪组织以及微生物体内均含有丰富的脂肪酶[1]。微生物体内的脂肪酶因具有种类多、繁殖快、遗传突变易于操作等特点，已成为工业用脂肪酶的重要来源[2-3]。脂肪酶因具有易生产、可溶于有机溶剂、底物专一性和位置选择性、无毒、环保等特性而广泛应用于洗涤剂添加剂、生物聚合物的合成、生物柴油的生产，且在食品工业（通过改变脂肪来改善感官和营养品质）、造纸工业（从纸浆中去除沥青）、制药（抗生素、抗炎药）、化妆品（香料和香料化合物）和农用化学品（除草剂、杀虫剂）等行业以及生物修复和废物处理、合成光学纯化合物、精细化学品等领域应用也较广泛[4-5]。专利作为信息技术的载体，能够提供不同技术行业的最新进展和动态信息，对分析产业技术发展态势参考价值较高。目前通过信息化手段分析研究行业动态是进行高效研发战略制定的重要手段[6]。

虽然脂肪酶广泛存在于自然界中，但直至1834年科学家才发现兔胰脂肪酶的存在[7]。在随后的1854年和1864年分别发现并报道了胃脂肪酶和猪胰脂肪酶[8]。1871年，科学家在植物种子中发现了脂肪酶，而微生物脂肪酶直至1901年才被发现[9-10]。在所限定范围内检索到的最早脂肪酶专利是关于发酵豆类残渣生产脂肪酶的方法，在产脂肪酶真菌适宜的生长温度下，用蓖麻和大豆等含蛋白且油脂含量高的蔬菜种子废弃物进行发酵，用水处理发酵后的物料并去除沉淀物，然后加入乙酸以沉淀脂肪酶[11]。受限于当时的科技水平，科学家们对于脂肪酶的研究还停留在宏观水平，随着基因工程、蛋白质工程的发展和科技手段的进步。20世纪70年代开始对脂肪酶的研究和应用有了更多的探索和认识，脂肪酶专利的申请数量开始快速增长[11]。脂肪酶作为一种新型环保助生产的原材料，在很多领域均能起到提高产量、转化率以及环保的效果[12−14]，如在洗涤剂行业可作为添加剂降解衣物上的油渍[15-16]，在饲料行业可以作为饲料添加剂以促进动物消化吸收[17]，在烘焙过程中脂肪酶的添加对面团有强筋作用[18-19]，此外，脂肪酶还能够合成香料，从外消旋体中纯化旋光异构体化合物，生产生物柴油等[20−25]，表明脂肪酶市场应用前景较好，而进一步的应用开发涉及到对酶的改造、装配和组合等一系列进程，因而研究者前期对优质酶基因的挖掘至关重要。我国脂肪酶技术应用产业方面起步较晚，但经过多年的发展，以及在国家科技与环保并行的政策支持下，以基因工程及蛋白质工程为核心的研发已经显示出一定成效。此外，我国在酶制剂研发领域投入逐步加大，在《“十三五”生物技术创新专项规划》《生物产业发展规划》以及《国家重点研发计划“绿色生物制造”重点专项》中相继明确了推进酶工程和工业生物催化绿色工艺，开展新型酶制剂研发的发展愿景。与此同时研究者集中于酶基因资源挖掘、微生物发酵培养工艺及遗传改造、基于定向进化及合成生物学方法设计改造核心技术等基础研究[26]。

本文通过全面检索全球范围内脂肪酶相关的专利文献，分析了国内外脂肪酶专利的申请趋势、主要技术领域、研发机构等信息，以期为脂肪酶技术及产业发展方向提供参考依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文以脂肪酶为研究对象，参考脂肪酶的技术综述确定相关的关键词和国际专利分类（international patent classification，IPC），使用的检索工具为智慧芽数据库（Pat Snap），以“脂肪酶”为关键词，再通过IPC分类号进一步确定数据集，借助智慧芽数据库的专利分析工具以及Excel等数据处理工具对全球脂肪酶专利信息现状进行分析。

1.2 研究方法

以专利申请的公开文本为基础进行计数，检索限定公开截止时间为2020年10月，共检索得到专利92 006件。数据集在智慧芽中的检索式：(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)。主题选取包括国家区域分类、IPC分类、申请年等。

2 结果与分析

2.1 全球脂肪酶发展趋势

国内外脂肪酶专利申请趋势如图1所示，1921—1985年，全球的脂肪酶专利申请呈缓慢增长趋势，1983—2003年，基因工程技术促进了脂肪酶研发的迅速增长，2004—2010年增长趋势较平稳，2011—2019年随着基因组学与系统生物学的迅猛发展，脂肪酶的研究随之增加，全球专利数量在2018年达到顶峰。我国于20世纪60年代才开始脂肪酶的研究与开发，脂肪酶专利数量从2010年开始明显增加，并在2018年达到顶峰。

图1 国内外脂肪酶专利数量申请趋势Fig.1 Trend of the lipase patent applications number at home and abroad

脂肪酶专利技术主要来源国家/地区/组织的分布如图2所示，美国、中国、日本、德国以及丹麦的申请数量较多，其中美国（38.80%）占比最高，中国（10.71%）次之。主要申请国家近十年的申请趋势如图3所示，自2011年以来尽管美国、日本、德国和丹麦的申请数量也在不断地增长，但中国脂肪酶专利申请增长量最高，是推动世界脂肪酶专利申请数量增长的主要动因，相对于中国，其他国家的脂肪酶专利申请时间分布较均匀。

图2 脂肪酶专利技术来源国家/地区/组织分布Fig.2 Country/region/organization distribution of lipase patent technology sources

图3 主要技术来源国家的年度申请趋势Fig.3 Annual application trends of major technology source countries

2.2 脂肪酶专利受理国家/地区/组织分布

脂肪酶相关专利数量排名前10位的国家/地区/组织如图4所示，脂肪酶相关专利布局排名前5位的国家依次为中国、美国、日本、澳大利亚和加拿大，同时，韩国、德国和巴西也是主要的专利布局国家。世界知识产权组织和欧洲专利局作为专利申请保护的主要机构，其受理的专利数据也一同列出作为参考。中国、美国和日本是脂肪酶相关研发机构比较关注的市场，这与各个国家相关的技术支撑和发展理念相统一[6]。

图4 主要专利受理国家/地区/组织分布Fig.4 Distribution of major patent acceptance countries/regions/organization

2.3 全球脂肪酶专利技术领域分布

全球脂肪酶相关专利的主要IPC大组分类如图5所示，IPC分类号的定义详见表1，脂肪酶相关专利主要集中于人类生活需要（A部）和化学冶金（C部）方面，而在细化的IPC小类分类所涉及的技术领域较丰富，主要包括微生物或酶及其组合物（C12N）、医用、牙科用或梳妆用的配置品（A61K）、发酵或使用酶的方法合成目标化合物或从外消旋混合物中分离旋光异构体（C12P）、化合物或药物制剂的特定治疗活性（A61P）、洗涤剂组合物（C11D）等。更细化的IPC大组分类中脂肪酶专利主要集中于酶及其组合物以及突变株（C12N9、C12N15）、含有效成分或肽的医药配置品（A61K31、A61K38）、洗涤剂添加剂（C11D3）、治疗代谢疾病的药物或促胃液素（A61P3、C07K1 4）、含氧有机化合物的制备（C12P7）、微生物组合物或检测方法（C12N1、C12Q1）等领域。其中主流研究方向属于酶及其组合物（C12N9），这一组分类中的专利主要涉及脂肪酶基因资源的挖掘、高效表达和纯化及组合物等技术领域[27]。

图5 全球脂肪酶专利重要IPC分布Fig.5 Important IPC distribution of global lipase patents

脂肪酶专利所涉及的重要IPC分类中的国家如图6所示，在酶及其组合物（C12N9）分类下美国的专利数量远超其他国家，这也证明了美国在脂肪酶研发方面具有一定的优势，而日本和中国分别居第二和第三位，表明均将该方向作为了研究重点。除了在治疗代谢疾病的药物（A61P3）领域外，美国在各个重要领域的脂肪酶相关专利数量均居于首位，而日本则比较注重该方向的专利布局。中国主要关注的技术领域包括洗涤剂添加剂（C11D3）、含氧有机化合物的制备（C12P7）以及微生物组合物（C12N1），澳大利亚和加拿大在各个方向上均比较均匀。

表1 IPC分类号的定义Table 1 Definition of IPC classification number

2.4 全球脂肪酶研发机构分布

脂肪酶专利的重点申请机构及专利数量如图7所示，脂肪酶相关专利的主要申请机构类型是企业，其中诺维信公司（4 420件）和宝洁公司（3 469件）申请量远高于其他机构。其他主要机构为诺和诺德、丹尼斯科、罗氏、汉高、联合利华、巴斯夫、赛诺菲、赛诺菲-安万特，均来自欧美国家。IPC分类下的申请机构分布如图8所示，诺维信公司申请的脂肪酶专利涉及的领域较广泛，在所列重点IPC大组中除了含有效成分的医药配置品（A61K31）和治疗代谢疾病的药物（A61P3）以外的其他方面分类均有涉及，但最主要的方向为酶及其组合物（C12N9）、洗涤剂添加剂（C11D3）、酶基因突变体及分离纯化方法（C12N15）、微生物及其组合物（C12N1）等方面。诺和诺德、丹尼斯克以及杰能科的研发方向与诺维信基本一致，但专利数量明显低于诺维信。宝洁公司脂肪酶的研发方向主要为洗涤剂添加剂（C11D3），与之相似的还有汉高，而罗氏和赛诺菲则主要涉及含有效成分的医药配置品（A61K31）和治疗代谢疾病的药物（A61P3）等药品方向的研发领域。对各大跨国公司在脂肪酶专利布局及其产业化应用能力分析表明，跨国公司仍是脂肪酶的市场竞争主体。

图6 脂肪酶专利重要技术领域的国家分布Fig.6 Country distribution of important technical fields of lipase patents

图7 全球脂肪酶专利重要申请机构Fig.7 Important global application institutions of lipase patents

2.5 国内脂肪酶专利的情况

中国脂肪酶专利申请排名前10位的机构如图9A所示，其中50%为国外企业，包括诺维信公司（388件）、宝洁公司（238件）、丰益（上海）生物技术研发中心有限公司（128件）、诺和诺德公司（121件）和丹尼斯科公司（118件），外企申请量占前10位机构的56.38%。国内入榜机构均为高校，其中申请量最高的高校为江南大学（268件），其申请量仅次于诺维信公司，其他高校依次为华南理工大学、浙江工业大学、浙江大学和东北农业大学。全球知名的跨国公司均在我国进行了专利部署，充分体现了中国市场对脂肪酶的需求，而我国的研发主体仍然以大学和科研机构为主，在产业化驱动上与世界上知名酶制剂企业相比差异较大。截至检索时间，国内脂肪酶相关的12 733件专利中，获得授权且有效的专利占21.97%，处于实质审查状态的专利占34.04%，处于公开状态的专利占2.31%，撤回的专利占22.50%，权利终止的专利占11.06%，驳回的专利占10.44%（图9B）。总体分析表明，中国脂肪酶相关专利失效占比43.99%，其中因撤回造成失效的专利较多，需要引起相关从业人员的重视。被引专利数量可以体现所发明专利的重要程度。在全球脂肪酶相关专利被引用数量排行前500的脂肪酶专利中，国内专利仅有5个，被引数量远低于国外专利，可见中国脂肪酶相关专利的质量与国外相比仍有较大的差距，国内对于脂肪酶专利的研发应用有待进一步扩大和深入。

图8 脂肪酶专利重要技术领域的主要研发机构分布Fig.8 Distribution of main research institutions in important technical fields of lipase patents

图9 国内脂肪酶专利的情况Fig.9 Status of lipase patents in China

3 讨论

3.1 中国与全球脂肪酶专利发展趋势不同步

全球脂肪酶专利申请趋势呈现3个阶段，1921—1983年全球的脂肪酶专利申请为缓慢增长期，1983年以后世界脂肪酶专利进入第一次快速发展阶段，到2009年略有下降，但从2010年开始又进入第二次快速增长期。相比之下，国内的脂肪酶专利申请正处于第一次快速增长期。中国国内脂肪酶专利申请量是从2000年开始逐渐增加，2010年以后伴随着高通量测序技术与合成生物学的第三次科技革命，在大数据基础上广泛开展了工业酶的发掘，脂肪酶专利申请也进入快速增长期且势头强劲，为世界脂肪酶专利申请数量的增长提供了主要动力[27−28]。全球整体的申请趋势以及法律状态表明国际上对脂肪酶的研发热潮中，虽然中国的脂肪酶相关专利申请数量增长迅速，但专利的质量和应用转化能力仍有待提高。

3.2 国内外脂肪酶相关研究领域存在一定差异

脂肪酶能够广泛应用于洗涤剂、饲料、食品、香料、精细化学、医药、生物能源等领域，这一点也在专利的领域分布上得到印证，但各个国家对于脂肪酶的研究领域具有一定的差异。美国在脂肪酶的各个重要领域的研发水平均较先进，美国、中国和日本均将酶及其组合物（C12N9）作为主要研究方向，可见各个国家均重视脂肪酶基因资源的挖掘、稳定且高效的表达体系、发酵提取工艺和组合应用等方面。此外，在脂肪酶突变或遗传工程（C12N5）和洗涤剂添加剂（C11D3）方向上申请较多。申请人分布显示，这些专利中多数为中外合资企业，这些企业的产品也是洗涤剂、纺织、食品、饲料领域主要工业酶制剂，相比之下国内企业在产品研发与应用推广上较落后。我国脂肪酶研发的优势方向为微生物组合物（C12N1），专利中中国高校和企业申请量占比超过80%，且相关研究呈上升趋势。我国在“绿色制造”理念的指导下，重点围绕大宗化工产品、精细化学品的生物合成进行产业布局，努力抢占未来新一代生物制造前沿技术的产业高地。但我国在医药研发（A61K38和A61K31）领域脂肪酶研发与应用落后于日本、美国等先进国家。

3.3 脂肪酶的主要研究机构分布

欧美企业对脂肪酶研究较多，包括诺维信、宝洁、诺和诺德、丹尼斯科、罗氏、汉高、联合利华、巴斯夫、赛诺菲等。专利申请量排名前20的机构均为跨国公司，排名前50机构中，江南大学（排名25）是唯一入榜的中国研究机构。这些企业对脂肪酶研发的方向有一定的差异，其中诺维信、诺和诺德、丹尼斯科以及杰能科均对脂肪酶基因资源的挖掘、稳定且高效的表达体系、发酵提取工艺和组合应用等方面的研究较深入，属于酶制剂资源开发的源头企业，所生产的酶制剂可以应用到各个领域。诺维信、宝洁等外企也是国内受理的主要脂肪酶专利研究机构，占国内专利申请量的50%，大学和研究院所为主要研发单位，包括江南大学、华南理工大学、浙江工业大学、浙江大学、东北农业大学等，虽然在2010年后国内对脂肪酶专利的申请数量大幅提升，但企业生产仍主要依赖国外先进的技术体系以及优良菌株，造成我国脂肪酶研发产业链中技术的缺失，因而国内对脂肪酶的研究仍需要加强[6]。

3.4 脂肪酶的未来发展方向

随着全球资源短缺和环境恶化日益严重，可持续发展与科学发展观并行的发展观念已成为人们的共同目标，因而节能环保的绿色生产方式也越来越受到关注。生物酶制剂作为新兴的绿色催化剂，较传统的催化剂具有更温和的催化反应条件和更高效的催化效率，因而得到广泛的应用[29]。随着基因组学和生物信息学的不断发展，酶制剂资源的开发也进入了全新的阶段，未来对酶制剂的要求随着工业的发展也会越来越精细专一，对脂肪酶的品质要求也会越来越高，同时发展液剂型、颗粒型产品，重视固定化酶是国际趋势[30]。因此，充分利用我国丰富的微生物资源，建立脂肪酶基因资源库，开发优质脂肪酶资源并建立高效稳定的表达体系，最终成功应用于工业生产将是我国酶制剂发展的关键。