酶法生产100吨甘露寡糖项目初步建设立项可行性研究报告.doc

酶法生产100吨甘露寡糖 项目初步可行性报告2008年7月前 言 随着糖链生物学功能的揭示与认识，糖生物学正成为一个新的科学前沿。继基因工程、蛋白质工程之后，糖工程已成为最引人注目的新生物技术学科。寡糖作为新的生理活性物质，在疾病诊断与防治、营养与保健、植物生长及抗病、畜牧养殖等方面的应用倍受关注，在国际上已经发展成为一个利用基因工程、蛋白质工程、糖工程等现代生物技术手段，并涉及医学、化学、工程等学科，应用于食品、医药、饲料、农业各领域的重要产业。寡糖的开发开辟了许多新的工业应用领域，正使我们在农业、健康、环境等领域的活动能力发生革命。1998年全球的寡糖产量已达13万吨，创造了300亿美元的功能食品市场，100亿美元的功能饲料市场，而寡糖药物更展现了无限商机，寡糖农药、寡糖肥料同样引人注目。寡糖已是全球生物技术产业中突出的亮点。我国具有寡糖产业发展的特色与资源优势，以及在健康、农业、环境等领域压力需求的背景，寡糖将很快在我国形成新的明星产业。甘露寡糖原料资源丰富，功能优异，具有明显的竞争优势，可广泛应用于保健食品、医药、饲料等领域，在寡糖产业中将起到示范作用，具有广阔的市场前景。中国科学院微生物研究所的甘露寡糖项目为：国家 “八五”科技攻关项目、国家 “九五”科技攻关项目、中国科学院重点项目、1999年中国科学院发明奖、2000年国家技术发明奖。已经完成工业化生产试验、开发了新产品，取得了保健食品证书，并启动了系列产品开发计划。一目的意义糖、脂类、蛋白质和核酸是构成有机生物体的四大类化合物。其中糖是一类主要由C、H、O元素组成的化合物，在自然界中分布最广泛，含量最丰富，参与各种生理活动，有着的广谱的化学结构和生物功能。在结构上，糖是由单糖分子组成的长链。若只有一个单糖分子，称之为单糖；若有两个单糖分子，称之为二糖；若有2-10个单糖分子，称之为寡糖；若有更多的分子，称之为多糖。糖在自然界分布极广，我们熟悉的葡萄糖、果糖是单糖；蔗糖、麦芽糖是二糖，属于寡糖范畴；而淀粉、纤维素是多糖。传统意义的寡糖主要是指如麦芽糖、蔗糖、乳糖之类的简单寡糖，是可以被人体分解吸收，是人体不可缺少的能量物质；现在科学家通过化学合成、化学转化、酶法降解及酶法合成等方法得到了一系列新型的寡糖，这些寡糖由于结构上的特殊性而不能被人体消化道的消化酶降解以及被人体吸收利用，所以被称为非吸收性寡糖。但是人们发现这类寡糖在人体肠道中有特异性的促进双歧杆菌机乳酸菌等有益菌群生长的作用，是一类重要的双歧杆菌促生长因子（bifidus factor 简称BF）。双歧杆菌是肠道内重要的原籍菌群，其可以通过营养竞争、粘附位点竞争和产生拮抗物质的方式对诸如产气荚膜杆菌等肠道致病菌有效地抑制，从而维护肠道微生态平衡；并且具有降低肠道pH值，促进肠蠕动，分解有害物质，生产维生素，促进蛋白质吸收和提高人体免疫力的作用。因此，由于能够特异地促生双歧杆菌等有益菌群，非吸收性寡糖是一种良好的肠道保健物质。寡糖的上述作用是作为现有各类保健品原料或辅料的重要原因。然而，这只是寡糖多种功能中的一种，科学家从分子水平了解寡糖链在生命活动中所扮演的调控角色，经过多年来对有机体中寡糖链的研究，取得了令人兴奋的成果。目前，已发现有机体中寡糖的作用有：1）结构功能、稳定功能和保护功能：如维持蛋白结构，保护多肽链不被蛋白酶水解及防止被抗体识别，稳定蛋白质结构，维持组织的结构功能和完整性等。2）毒素受体的功能：许多细菌毒素，植物毒素是以细胞表面特定的寡糖链为受体，并利用这些寡糖作为其进入细胞的途径，如霍乱毒素能极特异地于细胞表面上GM1神经节苷脂结合，流感病毒血凝集素则能特异识别唾液酸及其相关类型。还有一些寡糖链是共生动物肠道病毒和植物根瘤病毒与宿主的结合的介导结构。3）开关和调节功能：蛋白质的糖基化与否和不同形式、程度的糖基化可以决定蛋白质活性的有无和大小。如人b绒毛膜促性激素去糖化后，与受体结合的亲和力没有变化，但失去了传递信号的功能。4）库存功能：发现许多分泌到胞外的生长因子可以被葡萄糖胺链保护性的存储起来靶细胞外的胞外基质中，避免其扩散和被非特异性水解，从而延长其寿命。5）细胞内导向功能：最典型的是甘露糖6磷酸通过与糖结合蛋白的识别、连接将溶酶体酶导向溶酶体的作用。6）介导细胞间识别：如白细胞表面的唾液酸果糖糖链参与了白细胞与内皮细胞、损伤的内皮细胞和激活的血小板或内皮细胞间的识别作用以及哺乳动物的精卵识别。7）调控其它蛋白的活性：如肝素的糖氨聚糖链中的五糖域可以大大提高抗凝血酶III的活性，人工合成的五糖亦验证了这种构效关系。寡糖除了在动物体中有重要功能外，在植物体内及植物与微生物间的互相作用中也发挥重要作用：1）作为信号分子，最为典型的是根瘤菌与其豆科植物宿主间的互相调控；2）激素功能，最为典型的是植物中的寡糖素，在植物抗病机制中，受到微生物感染或诱发物处理后，产生有调节活性的寡糖素，诱导植物合成和积累抗微生物的植物防御素。总之，寡糖链在生物体中的共同特点是介导专一的“识别”和“调控”生物过程的两个作用。在糖蛋白中，蛋白质是生理功能的主要担负者，寡糖链则对蛋白质的功能起到修饰作用，即寡糖链通过其影响蛋白的整体构象来影响蛋白的功能。作为新的生理活性物质，寡糖主要有以下4个方面的应用：寡糖药物、保健食品、饲料添加剂、生化农药等。1保健食品随着食品工业的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们越来越注意到饮食对自身健康水平的影响，因而食品消费观念也在逐渐发生变化，目前消费趋势正转向具有合理营养和保健功能的营养健康食品。保健食品（功能食品）的概念也正是在此基础上发展起来的，并已逐渐成为当今世界食品工业发展的新潮流。寡糖具有保健食品的全部属性，被称为第三代保健食品的代表。作为保健食品，寡糖具有促进双歧杆菌增殖、抗龋齿、防肥胖、防止胆固醇积累等功效。特别是随着抗生素（antibiotics）在防治胃肠道感染方面的局限性被越来越多的认识到，人们开始寻找抗生素的替代品。非吸收性寡糖（non-digestable oligosaccharide）是最有前途的益生素（prebiotics），具有抑制肠道致病菌、促进肠蠕动、分解有害物质、产生维生素、促进蛋白质吸收和提高人体免疫力的作用。许多寡糖可有效改善肠道功能，使便秘、腹泻等症状缓解，而且对抑制血糖增高、调节血压和降低血脂以及提高机体免疫力等作用明显。功能食品将是一个市场极大的新型产业。随着科学的进步，人体肠道菌群中结构平衡与人体健康状况的相关性已被认识和接受，维护有益菌群在肠道中的稳定优势和稳定状态是近20年来国内外的重要课题。研究发现，双歧杆菌以及乳杆菌是人体及温血动物肠道内最重要的有益菌。随着年龄增长和饮食结构的变化、疾病发生后各种药物的使用等原因，人体肠道内的双歧杆菌及其有益菌群逐渐减少。特别是经受重大疾病之后，大量的不同种类的药物进入体内（肠道），使这些有益菌生长和发育受到极大阻碍。因此迅速恢复和保持肠道内双歧杆菌的优势状态，对提高机体健康水平及抗衰老等具有重要意义。双歧杆菌对人们健康的功效可总结为四点：a.产生大量醋酸、乳酸，抑制腐败菌、病原菌的生长，形成菌膜屏障，阻止有害菌入侵；b.促进消化吸收；c.合成人体必需维生素；d.分解有害物，提高人体免疫力。根据有关部门对全国15个大中城市的调查，长期或经常食用活菌制剂的被调查对象中，50岁以上者占52，4050岁占30，2040岁占18。因此，对中老年尤为重要的双歧杆菌制剂产品具有广泛的市场基础。双歧杆菌的增殖方法可分为口服活菌制剂和自然增殖两种。90年代以来国内双歧杆菌等活菌制剂产品已创造了很大的市场，自保健食品管理办法1996年颁布实施以来，卫生部已批准的“卫食健字”产品中，具有改善肠道菌群失调功能的活菌制剂产品，主要有三株口服液、昂立一号口服液、乐百氏奶饮料等，1998年销售额已突破百亿元。口服活菌制剂受许多条件限制，存在许多不可逾越的障碍：a.双歧杆菌严格厌氧,易受氧气、PH值、温度等因素影响而死亡，活菌数不能保证；b.无法保证每批产品的理化指标一致，包括菌体的生理状态，菌体活力等；c.活菌通过肠道后，由于消化液的作用，其存活率十分低；d.菌体进入肠道后由于个体差异，无法保证这些外源菌体的存活和繁殖；e.有将抗药或其它有害质粒带入体内的危险。由于活菌制剂的负面影响，美国食品与药品管理局(FDA)未批准活菌制剂产品在美国生产和销售，世界卫生组织(WHO)对原用于治疗儿童腹泻等的表飞鸣、乳酶生等产品已宣布无效而废弃。然而，双歧杆菌在肠道内的自然增殖引起了人们的广泛关注。近年来的研究发现，低聚糖（寡糖）是一种重要的双歧杆菌增殖因子（简称双歧因子），如低聚乳糖、低聚果糖、低聚异麦芽糖、低聚半乳糖等，一般增殖效果为310倍，同时这种双歧因子还克服了活菌制剂的种种缺陷，因此人们对于低聚糖产品促进肠道菌群结构平衡有益身体健康寄予了厚望。国外的低聚糖市场已有很大发展，据世界卫生组织统计资料显示，世界主要发达国家1998年的低聚糖产量已达到10多万吨，主要应用于保健食品、医药、饲料等方面。日本厚生省批准的特殊功能的机能产品中，低聚糖类产品占半数以上。欧美也已有商品化的低聚糖类保健食品，如比利时的FYOS饮料（果低聚糖），西班牙的SVELTESS、荷兰的Borculo产品等，其市场正在迅速扩大。2寡糖饲料添加剂饲料添加剂是配合饲料的核心，也是促进畜牧养殖与饲料加工业发展的重要因素，而其发展现状依然相当落后。现在使用的激素、抗生素等饲料添加剂，使畜牧养殖业承受着巨大的经济与环境压力，新型饲料添加剂的开发已成为各国发展养殖产业、提高国际竞争力的重要发展战略。寡糖作为促进消化吸收、防止便秘、促进生长发育等的生理活性物质，同时具有刺激动物非特异性免疫、凝集并抑制致病菌等作用，可起到饲用抗生素的作用，在动物营养与保健方面的应用，前景无限，为饲料加工业的发展注入了新的活力。从目前的研究看，寡糖对动物体主要有以下作用：1），促进动物生长2），防治腹泻3），增强动物免疫力，提高动物的抗病能力4），减少粪便及粪便中氨气等腐败物质的量5），提高动物对营养物质的吸收率6），降低血清胆固醇7），通便等因此寡糖的应用，极有利于动物的安全养殖，至今已经用于饲料添加剂的寡糖品种有果寡糖，异麦芽寡糖，木寡糖，半乳寡糖，酵母甘露寡糖等，通过对牛，猪，鸡，兔等喂养试验表明，饲料中添加0.1-0.5的寡糖，一般可使动物增重6-13%，同时提高了饲料利用率，降低了有害物的排放。甘露寡糖直接作为饲料添加剂具有有效剂量低、生理作用明显的特点，对于动物增重及抗病效果特别突出，初步试验表明，饲料中添加0.01-0.05半乳甘露寡糖，动物增重效果优于其他寡糖品种，可以起到抗生素、激素等多重功能，同时，其原料资源非常丰富，且尚待开发。我国目前生产的饲料添加剂品种主要为仿制产品，至今仍是氨基酸、维生素、矿物元素、抗生素、防虫防霉剂等的概念，缺乏创造性的研究领域。而由于饲用抗生素超标问题的逐渐突出，我国的饲料加工与畜牧养殖面临着严峻的挑战。因此，作为我国的创新产品，甘露寡糖的开发及其在饲料中的应用，可创造可观的经济及社会效益，并将带动一个全新寡糖饲料行业的发展，将使我国的饲料工业发生革命性的变化，对于促进我国饲料加工业的发展、缓解畜牧养殖业的经济与环境压力具有重要意义。3,寡糖药物等：寡糖与许多疾病的病理过程密切相关。无论是在基本的生命过程中，如受精、发生、发育、分化、神经系统、免疫系统恒态维持方面，还是在疾病的发生、发展中，如炎症及自身免疫疾病、老化、癌细胞异常增生及转移、病原菌感染等过程中，都涉及寡糖链的参与。以寡糖片段干扰疾病的发生、发展以及致病菌的侵染，将是从病理上根治与预防疾病的重要途径。因此，开发寡糖类新型药物对人类健康意义重大。4，寡糖植物生长调节剂-（寡糖素）某些寡糖是一类具植物激素功能的调节剂，在植物生长调节、防病抗病方面具有重要作用。寡糖属于天然来源、无环境污染且易获取、成本低廉，是理想的生物农药。寡糖作为一种新的植物激素，可通过影响植物基因组的表达，调节植物的生根、发育。寡糖可调节土壤微生物区系，有利于作物的生长。在化肥、化学类生长调节剂造成环境、植物品质等的压力日益增大的今天，寡糖作为有效的生化肥料，意义重大。寡糖的应用必将给农业生产带来重大影响。许多寡糖具有促进表皮细胞生长、保湿等功能，在化妆品及其添加剂方面，具有很大的潜力。许多寡糖具有消除肉食品异味、络合金属离子、稳定蛋白质活性等功能，具有非常广泛的应用领域。 寡糖的市场需求正是因为如此广泛的应用价值，寡糖在全世界的需求量很大，而且呈逐年递增的趋势。从寡糖的全球需求也可以看出，寡糖有着巨大的市场价值。在寡糖药物方面，美国Plan A咨询公司1992年提交了“Strategies in Carbohydrate Drugs 1992-2000”的谘询报告，指出在癌症、自身免疫疾病、感染和心血管病的治疗诊断中糖药物将会占有很大比例，预计到2000年仅在美国就会有37亿美元的寡糖药物市场。寡糖药物展现了无限商机。我国在肝素寡糖等抗平滑肌增生、抗肿瘤、抗病毒等药物的研究开发上也取得了重大进展，如能及时组织有关研究单位开展系统的寡糖药物的研究开发，可望取得具有自主知识产权的成果，形成巨大的市场。随着人们生活水平的提高，食品功能化的发展趋势势在必行，寡糖在保健品领域的应用已经得到广泛的认可，国外的销售额近5亿美圆，日本的寡糖市场也近4万吨，销售额近1.8亿美圆。我国在“九五”期间已经有所发展，主要为异麦芽寡糖、果寡糖等，其规模已达2万吨，销售额有2亿多元，而从全国保健食品销售额来看，1999年寡糖类产品的销售近25亿元，功能优异寡糖作为保健品的开发将具有更大市场。目前畜牧养殖业依赖的药物饲料添加剂所造成的生态危害性，日益受到人们的注意。欧盟已经开始了限用抗生素的进程，已禁止了螺旋霉素、泰乐霉素、维吉尼亚霉素、杆菌肽等作为饲料添加剂，这4种抗生素占据着80的市场。丹麦自98年，在35公斤以上的猪饲料中不添加抗生素促生长剂，据德国农业部透露，德国也将可能很快颁布有关法令，禁止在动物饲料中添加抗生素，而美国FDA禁止饲料中使用抗生素的范围也正在扩大。在饲料工业中，一个无抗生素的日子已经不远了。如果抗生素禁令全球化，饲料和养殖业就必须要改变饲养策略以优化动物健康，效果显著的寡糖就极可能取代抗生素，饲料业中 antibiotics就 将让位于 prebiotics。作为对于养殖动物特别是幼畜和雏禽具有特殊功能的寡糖产品，可替代饲用抗生素，在国外已得到较充分的认识与开发，而且已取得明显的效果。我国饲料工业已发展成为我国工业体系中重要的支柱产业之一，饲料添加剂工业从80年代初期开始起步，目前年产量为25万吨，年产值50亿元。到2010年我国配合饲料的产量达到1亿吨，对饲料添加剂的需求将大幅增加。然而目前无论是在品种上还是在数量上，我国饲料添加剂远远满足不了市场需要，每年半数以上饲料添加剂依赖进口。我国的饲料添加剂的滞后发展，将是中长期制约我国配合饲料生产发展的重要因素，也是饲料工业发展面临的主要问题之一。欧盟是我国畜禽产品的重要出口市场，由于抗生素残留量过高，欧盟自1996年8月停止从我国进口禽肉以来，至今仍维持着对我国的进口禁令，使我国蒙受了巨大的损失。根据欧盟有关指令的要求，自1999年1月1日起，所有对其出口动物源性食品的第三国须向其提供并执行符合96/23/EC指令要求的残留监控计划，并接受其考察，否则将停止从该国进口任何动物源性食品。随着国际上对畜产品品质要求的不断提高,畜产品中添加剂残留量超标,将是困扰我国畜禽产品发展的大问题。作为绿色产品的寡糖饲料，安全有效，具有迫切的需求背景。根据目前的试用结果，按照我国配合饲料的实际需求，寡糖饲料添加剂的市场约有5万吨左右。90年代以来，全球的寡糖产量主要集中在美国、日本和欧洲。日本有80多家公司参与寡糖的竞争，并开发出多种寡糖产品，如明治制果公司的寡果糖，亚库尔特公司的半乳寡糖，日研化学公司的乳果糖等。寡糖市场不断增长，从1994年的2万吨，已增长到1998年的近4万吨，所开发的功能食品达70的市场占有率。而新产品的开发仍是生物技术中的热门领域。欧洲在寡糖方面的研究与开发也发展起来，目前在德国、法国、荷兰、比利时等国已有了果寡糖、半乳寡糖等，其市场正在迅速扩大。非吸收性寡糖的生理功能在我国也得到了广泛认可，我国在九五期间已经有所发展，主要为异麦芽寡糖、果寡糖等，其规模已有千吨级，而大部分产品的生产用酶尚依赖进口。国内寡糖的市场主要为功能食品。国内的寡糖近5年发展较快，还基本上是低聚糖的概念，生产企业已经有20多家，生产能力有2万吨左右，品种包括异麦芽寡糖、寡果糖、大豆寡糖等，而木寡糖、几丁寡糖、半乳寡糖、海藻寡糖、甘露寡糖等正在中试开发中。其中异麦芽寡糖的生产厂家有10多家，生产能力以山东禹城最大，销售较好（主要供应脑白金），去年销售额过亿元，而其它异麦芽寡糖的厂家境况并不太好。寡果糖有56家，云南天元、江苏粮丰生产能力较大，有上千吨（糖浆），另外便是以黑龙江天菊集团为代表的大豆寡糖，有百吨的生产能力。除了异麦芽寡糖多做添加剂出售外，其它寡糖品种大都以保健食品面市。另外，寡糖饲料添加剂已经引起重视，异麦芽寡糖、寡果糖在深圳、杭州、江苏等地公司都有饲料应用的努力。寡糖农药也在发展，有成都生物所、大连化物所、青岛海洋所、济南天达公司等为代表。以下是欧洲统计的一份1995年和1997年的全球寡糖市场的材料： 全球的寡糖产量商品化的寡糖 1995年产量(吨) 1997年产量(吨)环糊精 4000 4500果寡糖 12000 22000半乳寡糖 15000 25000龙胆寡糖 400 1000蔗果糖 4000 5000异麦芽糖 11000 18000 异构乳糖 20000 18000乳果糖 1600 2000麦芽糖 10000 12000 帕拉金糖 5000 8000大豆寡糖 2000 3000木寡糖 300 1500 甘露寡糖是寡糖品种的矫矫者，具有重要的生理功能，对维护人体肠道的正常环境，延缓衰老以及降血脂、降血压、促进机体免疫等方面具有明显的作用，并具有极大的发展潜力。仅从促进双歧杆菌增殖的角度看，经日本、台湾及国家权威部门检测，其效果明显优于果寡糖、异麦芽寡糖等品种，并具有有效剂量低、热值低、理化性能稳定等特点，与其它现有寡糖品种相比，具有明显优越的价格性能比。甘露寡糖除了具有促进双歧杆菌自然增殖的作用，在免疫调节、降血脂等方面的极具潜力，修饰的甘露寡糖已经在人体自身免疫疾病（糖尿病、类风湿、肿瘤转移等）、器官移植排斥、抗病毒等方面显示了重要的价值。因此，甘露寡糖在医药产业上也具有巨大的潜在开发价值，甘露寡糖的发展也有利于推动医药等相关产业的发展。甘露寡糖可有效地提高动物的抗病能力，促进动物的生长发育,可取代饲用抗生素，为一类新型的绿色饲料添加剂，也将大大促进畜牧养殖业的发展。甘露寡糖的开发，已引起国际食品医药界的高度重视，在技术方面，也有许多化学提取、生物合成方面的努力，而利用甘露聚糖酶转化资源丰富的半纤维素生产具重要功能与商业价值的甘露寡糖，无疑对有效开发自然资源、提高人类的健康水平具有重要意义，并将开辟一个以半纤维素为基础的新的工业应用领域，更具有富国强民的深远影响。我国具有丰富的生物自然资源，甘露寡糖生产的基本原料魔芋，在西南贫困地区具有相当丰富的资源，我国也已将魔芋产业的开发作为带动地方经济发展的重点政策，建立了一些魔芋生产基地，从产量到质量都有了很大的发展，但其深加工，特别是高科技、高附加值的转化尚待发展。田菁是半乳甘露寡糖的重要原料，这类植物喜好盐碱，根系微生物固氮能力强，是改良盐碱滩地的好材料，同时田菁胶过去曾用于油田，资源量大，而现在已经没有出路。因此，甘露寡糖的产业化无疑将在地方生物资源的高科技开发、培育地方特色产业、促进地方经济持续发展方面具有示范作用。项目涵括的内容本项目包括：甘露聚糖酶、甘露寡糖浆或粉，并以甘露寡糖为基础继续合作开发新型的寡糖饲料添加剂。甘露聚糖酶是中国科学院微生物所承担的国家“八五”重点科技攻关项目（攻关课题编号850304），该项目于1996年通过了国家级鉴定和验收；“甘露聚糖酶”的生产技术已申请国家专利（专利申请号：99102831.7）；“酶法生产甘露低聚糖”是中国科学院微生物所承担的国家“九五”重点科技攻关项目（攻关课题编号96C030101），已通过鉴定验收；“新型甘露聚糖酶的研制”获2000年度国家技术发明二等奖， 1999年度中国科学院技术发明奖。技术方简介1中国科学院微生物研究所中国科学院微生物研究所是以应用基础和高技术创新为主体，从基础研究到技术开发作纵深配置的综合性研究所，科研活动涉及微生物多样性、微生物分子遗传、生物技术创新等领域。现有职工400多人，其中院士4人，高级科研人员100多人。曾承担并完成了多项国家、地方和国际合作项目，研究力量雄厚，具备大量精密仪器设备，在生命科学及生物技术研究领域，是国内实力最强的单位之一。特别是在生物技术领域中的发酵工程、酶工程、糖工程等方面，为国内处于领导地位。已取得科研成果300多项，26项获国家科技奖，为相关学科的发展、科技进步和国民经济繁荣做出了贡献。2项目课题组技术发明课题组的研究方向是极端微生物的研究与利用，除了基础研究方面已经取得突出的成绩外，在应用开发方面形成了特色与优势，尤其是在极端酶的开发应用方面取得了较大成绩。以极端酶进行甘露寡糖的开发，在国内外产生了重要影响。课题组现有研究人员10多人，包括研究员2人，副研究员2人，助理研究员3人，博士、硕士研究生6人。3主要专家马延和：男，研究员，39岁。 1983年毕业于南开大学生物系，1991年赴西班牙Alicante 大学做访问学者，1992年10月应召回国。先后主持了国家 “九五”攻关项目，国家“863”海洋领域课题等。以第一人身份获99年度中科院发明二等奖，2000年度国家技术发明二等奖。1999年入选中科院知识创新青年科学家小组，现负责中国科学院知识创新等项目。薛燕芬：女，38岁，副研究员，1988年毕业于中科院研究生院，1996年在俄罗斯科学院进修。现负责中科院重大区系项目、中俄合作项目等。曾获国家科技进步奖、中国科学院科技进步奖、中国科学院发明奖等。现负责中科院重点项目寡糖饲料添加剂的开发。周培瑾：男， 62岁，研究员。1963年毕业于武汉大学。微生物所原所长， 现任“微生物资源前期开发” 国家重点实验室主任。曾主持完成了多项国家攻关、国家基金及中科院项目，曾获国家科技进步奖、中科院科技进步奖等。 国内的寡糖研发单位很多，在全国各生物技术相关的研究单位似乎大都能找到寡糖开发的踪迹。参加国家“九五”攻关计划“酶法生产低聚糖”一个专题的科研单位就有10 多家，也基本代表了国内寡糖开发的优势单位。从寡糖技术开发的核心上看，酶法合成、酶法降解、化学合成、化学降解为基本手段，而有产业化意义的是酶法生产。中科院微生物所是我国微生物学研究的权威单位，在发酵工程、酶工程、糖工程等领域具国内公认的“领先地位”，并一直是国内寡糖开发的倡导和领导者。甘露寡糖研究组实际为极端微生物研究组，以极端酶介入寡糖的开发将继续在国内寡糖的技术开发上处于领先地位。同时，微生物所在开发的寡糖品种很多，具有很大技术后劲。今后的技术依托可以微生物所为基本单位，然后联系相关优势单位。甘露寡糖的产业化前景1甘露寡糖原料甘露寡糖是国际上竞相开发的新型寡糖品种，美国已经有化学合成产品，售价为98美元/克。甘露寡糖出口的意向价格为4万美元/吨，而其生产成本不足6万人民币/吨。我国在九五期间寡糖产业已有所发展，异麦芽寡糖、果寡糖等已实现产业化，其规模已有千吨级，而大部分产品的生产用酶尚依赖进口。甘露寡糖的酶法生产技术是微生物所的一项拥有自主权的技术，此项技术将逐步取代国外现有的化学合成方法。通过国家“八五”、“九五”攻关计划，该项目完成了新型甘露聚糖酶的中试及扩试生产，在国际上率先实现了葡萄甘露寡糖的酶解生产，开发出了甘露寡糖新产品。通过科技查新比较及专家鉴定，该技术达到了国际先进水平。2甘露寡糖下游产品微生物所已经以甘露低聚糖为基础研制开发了甘露低聚糖口服液，并于1997年获得国家卫生部颁发的保健食品证书。现在项目已经转让，但受让方没有投入生产。甘露寡糖饲料添加剂与企业合作，已经进行了初步的动物喂养试验，正在按照国家最新的规定进行饲料添加剂证书的申报。可以与技术方合作继续开发保健品、饲料添加剂、甘露寡糖药物等其他产品，进一步合作研发或生产。寡糖原料产品生产方案推荐初期以小规模原料品生产，实现原料品的供、产、销一体化。同时，逐步建立饲料添加剂的生产线，进行下游产品的生产，还可以与微生物所等科研单位继续合作组建国家级“寡糖生物工程中心”。甘露寡糖的生产的基本原料是魔芋精粉或田菁胶，这些在我国具有丰富的资源，而且期待高附加值开发。对原料的要求，除了合格的理化指标，实际是其甘露多糖的含量。理化卫生指标有食品级的国家标准，而多糖含量虽说是越高越好，但对分子量等的质量要求反而低，因此可以找到廉价的货源。从出粉率上说，以一般的魔芋精粉或田菁胶为直接原料，寡糖的产率在50以上。当然，原料的品种、产地、加工方式等，都要进行控制。魔芋精粉的市场价格波动很大，一般年底收获后的新产品价格，由于黏度、色泽等较好、出口量集中，价格就较高，报价25万/吨都可以见到，而夏季前后，一般较便宜，13万/吨也能找到。甘露寡糖以魔芋或田菁为原料，保守估计总收率为50%，即2吨魔芋精粉可以生产1吨甘露寡糖。建议初始采用小规模生产，2吨发酵罐，10吨糖化罐，每2天生产一个批次，每年共100个批次，总产量为100吨左右。然后放大到年产500-1000吨的生产能力。1工艺技术方案1）菌种本项目所采用的菌种系从我国极端环境中筛选分离的嗜碱芽孢杆菌N16-5，经诱变育种选出的碱性甘露聚糖酶高产突变株M103，菌种的筛选分离工作具有国际先进水平。嗜碱芽孢杆菌经发酵工艺扩大培养后分泌的碱性甘露聚糖酶是一种半纤维素酶，可在碱性条件下将自然界广泛存在的葡萄甘露聚糖、半乳甘露聚糖及甘露聚糖等降解为甘露低聚糖。实现了该酶工业发酵水平的突破，填补了国内空白。2发酵工艺通过菌种逐级放大至1000-5000立升以上的发酵规模，可保证发酵罐中的接种量，以缩短发酵周期，提高其产出碱性甘露聚糖酶的能力，发酵液经固液分离、超滤浓缩的工艺，在去水的同时还去除了低分子量的杂质、无机盐等，有效达到酶提取的目的。碱性甘露聚糖酶的酶活水平为450-600/ml以上，酶收率80%以上，做到了高效率、低成本。3）糖化工艺10000立升反应罐中降解魔芋葡甘聚糖等多糖为甘露低聚糖，可采用经典的制糖工艺路线，也可考虑采用超滤精制和反渗透浓缩等膜技术。此类膜技术既高效、廉价地去除了高分子杂质，达到了精制的目的，又能使甘露低聚糖分子不脱乙酰基，提高了产品质量的稳定性。糖化工艺转化率在80%以上，甘露寡糖粉的纯度为80以上技术路线：酶的发酵生产酶解寡糖提取分离、纯化产品开发工艺流程：菌种摇瓶种子罐发酵罐絮凝过滤超滤酶制剂 酶解糖化脱色过滤纯化浓缩喷干2主要设备（参考）1）碱性甘露聚糖酶生产的主要设备（万元）序号设 备 名 称规 格 型 号材 质数量单价金额1手提式灭菌锅2台2卧式杀菌锅1台3摇床4个4种子罐50500立升2个5发酵罐500-1000立升2个6发酵罐5000立升2个7无菌空气过滤系统2套8絮凝罐5000立升2个9缓冲罐5000立升2个10板框膜过滤大型1套11超滤浓缩系统2套12输送泵5台13贮罐1000升2个14酶液专用贮存桶50升20个15液相色谱1台16化验室各类常规用品17电脑控制系统1套合计*SS不锈钢2）甘露低聚糖（甘露低聚糖）生产主要设备（万元）序号设 备 名 称规 格 型 号材质数量单价金额1转化罐2000-10000立升62糖化料液输送泵63中和罐5000-10000立升64澄清脱色罐35活性炭过滤26脱色料液超滤装置27中空纤维超滤装置28超滤液泵29离子交换装置110料液输送泵211反渗浓缩装置212贮罐413喷雾干燥装置114包装线（干粉）1小 计财务分析以小规模生产并留有扩大发展余地计算，项目总投资3500万元，其中，固定设备投资：1500万 流动资金： 1000万 技术开发投资：1000万 寡糖原料年产值4000万元，饲料添加剂等二次开发产品年产值10000万元净利润率 30 （以上为粗略估计，仅供参考）风险分析和对策1技术风险微生物所在技术上具有独特的优势，已经积累的大量成功经验。寡糖的生产已通过了中试，在产酶菌种、工艺参数、设备选型等诸多因素上，预计困难，分步落实，建立了先进的工艺方案。回避项目技术风险的最好策略是新产品的开发与技术的不断进步。如果其他机构的项目顺利地实现转化，并规模生产，将会出现竞争的局面。我们必须通过严格管理，并积极主动地开拓市场，不断推出新产品、新技术，保证项目的顺利发展。2市场风险市场上，同类产品（异麦芽糖、果寡糖）虽然已经上市，但市场远未饱和。在完成达到所规定的指标后，所开发的寡糖产品在性能价格比上将具有明显的优势，同时，以强有力的企业做后盾，预先启动市场开发进程，市场风险完全可以克服。微生物所曾向云南昭通华健公司转让了小试技术，并合作完成了扩试技术，云南方有技术使用权，而技术的专利申请权、所有权归微生物所。云南方公司的运作极不规范，又由于公司内部原因严重拖延产业化进程，是微生物所决定另找合作伙伴的主要原因。在项目实施过程中要关注此公司的发展情况，以便及时地采取对策。同时，加强与微生物所的合作，以及中科院、科技部等方面的协调，争取国家寡糖基地，奠定国内寡糖龙头企业的地位。