鄭玉榮， 靳軍寶,2， 白光祖， 吳新年*， 劉秋艷,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報(bào)中心，甘肅 蘭州 730000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

纖維素降解研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化是全球熱點(diǎn)方向之一，全球范圍內(nèi)天然纖維素原料非常豐富（包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)副產(chǎn)品、城市垃圾等），將纖維素進(jìn)行轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物燃料、飼料、食品等生物質(zhì)產(chǎn)品對(duì)于解決環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、食品短缺、能源危機(jī)等方面具有現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。全球纖維素利用主要通過(guò)糖平臺(tái)（生物法）和熱化學(xué)平臺(tái)轉(zhuǎn)化[3-4]，糖平臺(tái)先將纖維素原料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵型糖，再利用酵母發(fā)酵轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品，熱化學(xué)平臺(tái)則先氣化纖維素原料再轉(zhuǎn)化為生物產(chǎn)品。

圖1 天然纖維素利用流程

纖維素的生物轉(zhuǎn)化利用分為原料預(yù)處理、酶水解、糖發(fā)酵3個(gè)階段（如圖1所示），目前主要的技術(shù)瓶頸在于預(yù)處理技術(shù)不夠成熟、纖維素酶活性較低及轉(zhuǎn)化效率不高等，造成生產(chǎn)成本過(guò)高[5]。預(yù)處理階段應(yīng)用較多的是物理化學(xué)法（包括蒸汽爆破、氨纖維爆破等）、化學(xué)法（酸處理、堿處理、離子液體處理等）、物理法等[6]，在效率相對(duì)較高的同時(shí)帶來(lái)新的環(huán)境污染與能源消耗問(wèn)題，后續(xù)處理也存在其他方面的問(wèn)題（如抑制問(wèn)題）。生物法克服了其他方法的缺點(diǎn)，但存在效率有待提高和成本過(guò)高的問(wèn)題（時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本），但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，通過(guò)生物技術(shù)和生物工程解決效率和成本問(wèn)題[7-8]，生物法將得到快速發(fā)展[9-10]。

全球圍繞生物法的效率問(wèn)題和成本問(wèn)題進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，經(jīng)由相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作，建設(shè)纖維素產(chǎn)業(yè)化利用示范裝置，推進(jìn)纖維素的生物轉(zhuǎn)化進(jìn)程。我國(guó)《可再生能源發(fā)展十三五規(guī)劃》新增投資2.5萬(wàn)億元發(fā)展包括生物質(zhì)利用在內(nèi)的可再生能源，美國(guó)和歐盟也以立法形式規(guī)定了將來(lái)某時(shí)間段纖維素燃料在整個(gè)燃料體系中的比例，并且以政策形式進(jìn)行支持。

本文收集了國(guó)內(nèi)外纖維素降解生物法預(yù)處理方面的發(fā)明專(zhuān)利（數(shù)據(jù)來(lái)源：Derwent Innovations Index），應(yīng)用Thomson Data Analyzer、INNOGRAPHY等主流情報(bào)分析軟件，對(duì)全球范圍內(nèi)纖維素降解生物法預(yù)處理總體研發(fā)情況、技術(shù)研發(fā)脈絡(luò)、重點(diǎn)技術(shù)方向及核心技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 專(zhuān)利總體研發(fā)進(jìn)展

1.1 總體研發(fā)態(tài)勢(shì)

截止2017年底（檢索日為2017年12月31日），全球纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利數(shù)為572條，占到整個(gè)預(yù)處理技術(shù)的6.93%（總預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)8256條），總體上不占優(yōu)勢(shì)，處于發(fā)展期（圖1），其中2015年達(dá)到74條，為歷年最高（注：因?qū)＠麛?shù)據(jù)滯后，2016、2017年的專(zhuān)利數(shù)據(jù)不全）。

圖2 纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)年際變化

圖3 纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)主要研發(fā)國(guó)家

如圖2所示，美國(guó)是纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利主要的研發(fā)國(guó)，另外中國(guó)、歐洲、日本也是重要的研發(fā)地區(qū)。如表 1，諾維信是纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)最主要的專(zhuān)利權(quán)人（109條，占整個(gè)生物法預(yù)處理技術(shù)的19.06%，下同），其他還包括荷蘭帝斯曼（38條，占6.64%）、加拿大IOGEN（29條，占5.07%）、杜邦丹尼斯克、法國(guó)石油與新能源研究院等（如表1所示）。

表1 纖維素降解生物法預(yù)處理主要研發(fā)機(jī)構(gòu)

（續(xù)表1）

1.2 主要研發(fā)方向

纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)主要涉及發(fā)酵技術(shù)與工藝（包括產(chǎn)品，占78.40%）、酶工程技術(shù)（占43.39%）、菌種選育技術(shù)（占38.91%）三個(gè)技術(shù)方向，其中能產(chǎn)生高效降解酶的菌種選育技術(shù)是生物法預(yù)處理的關(guān)鍵。

如表2，經(jīng)分析相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)研發(fā)脈絡(luò)，上世紀(jì)80年代開(kāi)始，纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)經(jīng)歷了酶的分離與培養(yǎng)、微觀層面研發(fā)（包括纖維素細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、DNA序列等）、破除木質(zhì)素結(jié)合鍵、減少酶用量及提高發(fā)酵率、同步糖化發(fā)酵、產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟(jì)性及可行性、基因改造與表達(dá)、多階段聯(lián)合處理、耐高溫多功能降解菌種等（如表2所示）。

表2 纖維素降解生物法預(yù)處理技術(shù)演進(jìn)

誘變選育技術(shù)的主要研發(fā)機(jī)構(gòu)包括諾維信、加拿大IOGEN、杜邦丹尼斯克等，技術(shù)重點(diǎn)是選育的菌株分泌高效組合酶對(duì)木質(zhì)素進(jìn)行降解，組合酶的重要特征一是表現(xiàn)出顯著協(xié)同作用，二可以全流程作用起作用，減少后期糖化和發(fā)酵階段的外源酶加入量。具體技術(shù)點(diǎn)包括極端環(huán)境菌種（寬pH范圍、高熱、低溫等）篩選技術(shù)、菌株高通量篩選技術(shù)（包括微流控真菌高通量篩選技術(shù)、流式細(xì)胞儀細(xì)菌高通量篩選技術(shù)等）、五碳糖六碳糖共利用菌株選育技術(shù)、高效物理化學(xué)組合誘變技術(shù)、高效菌定向選育技術(shù)、應(yīng)用于固態(tài)發(fā)酵菌種選育技術(shù)、高效物理（紫外、重離子、等離子輻射等）誘變技術(shù)、高耐熱工程菌模擬預(yù)測(cè)技術(shù)、流程化選育平臺(tái)、多菌協(xié)同培育技術(shù)等。

基因工程選育技術(shù)是通過(guò)遺傳工程對(duì)降解木質(zhì)素（半纖維素）起作用的基因片段進(jìn)行基因改造，從而提高降解效率。研發(fā)主要集中在兩個(gè)方向上，一是對(duì)新基因（核酸序列）的篩選、鑒定、分離，二是通過(guò)遺傳工程改造基因并進(jìn)行菌株表達(dá)。具體的技術(shù)點(diǎn)包括蛋白組學(xué)技術(shù)、多基因融合技術(shù)、菌種突變技術(shù)、定向進(jìn)化集成技術(shù)、基因定向突變技術(shù)、高效降解菌基因（組）鑒定技術(shù)、同源重組增強(qiáng)技術(shù)、不需預(yù)處理生物降解菌改造技術(shù)、活性位點(diǎn)識(shí)別技術(shù)、高效纖維素菌株基因組（群）融合技術(shù)等。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)纖維素降解生物法預(yù)處理在酶種選培育、基因工程改造、成本控制等方面開(kāi)展了大量的研究，中國(guó)石化通過(guò)選育木霉屬菌株去除預(yù)處理階段引入的多種抑制物[11]、華中科技大學(xué)張曉昱團(tuán)隊(duì)通過(guò)擔(dān)子菌對(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理、降解與轉(zhuǎn)化[12]，山東尤特爾采用中性纖維素酶預(yù)處理木質(zhì)纖維素以降低成本[13]，另外青島蔚藍(lán)、南京百斯杰、寧夏夏盛、華東師范大學(xué)等也有針對(duì)性的開(kāi)展了相關(guān)研發(fā)活動(dòng)。

1.3 后續(xù)研發(fā)重點(diǎn)

引用專(zhuān)利數(shù)據(jù)集的文獻(xiàn)，稱(chēng)為該專(zhuān)利數(shù)據(jù)集的后引文獻(xiàn)，通過(guò)后引文獻(xiàn)可以分析該數(shù)據(jù)集專(zhuān)利技術(shù)對(duì)后續(xù)專(zhuān)利技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用等方面的作用與影響，尤其核心專(zhuān)利技術(shù)對(duì)后續(xù)研發(fā)的影響具有重要作用，很多后續(xù)研發(fā)的專(zhuān)利技術(shù)會(huì)圍繞核心專(zhuān)利進(jìn)行專(zhuān)利布局，其結(jié)果會(huì)影響產(chǎn)業(yè)布局和經(jīng)濟(jì)利益。

分析相關(guān)后續(xù)研發(fā)機(jī)構(gòu)分布，除了諾維信、杜邦丹尼斯克、荷蘭帝斯曼、加拿大IOGEN、私有酶技術(shù)公司等研發(fā)主力外，英國(guó)石油公司、殼牌石油公司、美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿本戈生物能源等一些石油和能源公司也對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行大量引用。

分析后引專(zhuān)利的技術(shù)方向可以發(fā)現(xiàn)，后引主要以應(yīng)用為主，涉及到制備目標(biāo)產(chǎn)品、所使用的酶、所使用的材料、發(fā)酵的工藝等，其中在堆制有機(jī)肥料、肥料與土壤調(diào)理劑的混合物、有機(jī)廢料回收或加工、動(dòng)物飼料、添加酶或微生物進(jìn)行谷物材料發(fā)酵等技術(shù)是以后熱點(diǎn)的研發(fā)方向，一定程度上說(shuō)明降解研發(fā)方向和降解產(chǎn)品趨向多元化。

1.4 研發(fā)基礎(chǔ)分析

科學(xué)技術(shù)能持續(xù)不斷的向前推進(jìn)，是因?yàn)榻⒃谥暗幕A(chǔ)研究之上。專(zhuān)利數(shù)據(jù)集所參考的文獻(xiàn)，稱(chēng)為該專(zhuān)利數(shù)據(jù)集的前引文獻(xiàn)，是專(zhuān)利技術(shù)繼續(xù)研發(fā)的基礎(chǔ)。研究前引文獻(xiàn)可以分析該數(shù)據(jù)集專(zhuān)利技術(shù)所賴(lài)以產(chǎn)生的基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)展態(tài)勢(shì)，通過(guò)研究主題的重點(diǎn)、發(fā)展與變化、對(duì)核心技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)等進(jìn)行分析，可以遴選出具有發(fā)展前景的核心技術(shù)方向及其演化路徑。

如表3所示，纖維素生物法預(yù)處理技術(shù)所參考的科學(xué)文獻(xiàn)大約有4 400多篇（主要為期刊論文、會(huì)議、報(bào)告、圖書(shū)等，不包括專(zhuān)利引用），通過(guò)被引次數(shù)指數(shù)曲線(xiàn)和加權(quán)指數(shù)曲線(xiàn)共篩選出核心參考論文293篇，大約占到整個(gè)參考論文總數(shù)的 6.6%左右。核心參考論文產(chǎn)出國(guó)以美國(guó)為主，占了總參考論文的 36%，另外丹麥、瑞典、日本、加拿大、芬蘭也有一定量的核心論文產(chǎn)出。核心參考文獻(xiàn)的研究方向主要集中在嗜熱細(xì)菌、高固態(tài)原料直接發(fā)酵、銅離子依賴(lài)糖苷酶GH61家族、相關(guān)的原理與降解模型等。

表3 部分被專(zhuān)利參考的代表性核心論文

（續(xù)表3）

2 核心專(zhuān)利技術(shù)

在專(zhuān)利數(shù)據(jù)中，針對(duì)具體的技術(shù)領(lǐng)域會(huì)形成一個(gè)專(zhuān)利群，專(zhuān)利群中每件專(zhuān)利根據(jù)其價(jià)值和作用分為核心專(zhuān)利、重要專(zhuān)利和一般專(zhuān)利，其中核心專(zhuān)利處于專(zhuān)利群的核心位置和節(jié)點(diǎn)地位，對(duì)整個(gè)專(zhuān)利研發(fā)的走向起重要作用，并最終影響產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[14]。

本文通過(guò)INNOGRAPHY的專(zhuān)利強(qiáng)度特征指標(biāo)和被引用指標(biāo)選擇出纖維素生物法預(yù)處理技術(shù)的核心專(zhuān)利數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，核心專(zhuān)利主要集中在美國(guó)、歐洲專(zhuān)利局、世界專(zhuān)利組織等，其中美國(guó)無(wú)論在核心專(zhuān)利優(yōu)先權(quán)，還是同族專(zhuān)利數(shù)量方面都高于其他國(guó)家和地區(qū)。主要研發(fā)企業(yè)包括諾維信、加拿大IOGEN、荷蘭帝斯曼、DYADIC國(guó)際等，上述四家企業(yè)的核心專(zhuān)利占全部核心專(zhuān)利量的80%。

纖維素生物降解核心專(zhuān)利涉及到高效菌株選育技術(shù)、組合酶及其構(gòu)建方法、酶性能增強(qiáng)、遺傳工程及其載體表達(dá)、聯(lián)合協(xié)同處理技術(shù)等方面。組合酶及其構(gòu)建方面，DYADIC國(guó)際通過(guò)酶促水解纖維素構(gòu)建高效纖維素酶組合物[15]，能高效地將生物質(zhì)木質(zhì)纖維素（涉及到常見(jiàn)的各種木質(zhì)纖維素材料，包括自然界植物、農(nóng)作物木質(zhì)纖維素、工業(yè)廢棄物等）轉(zhuǎn)化為葡萄糖。諾維信[16]研發(fā)的酶組合物包括煙曲霉纖維二糖水解酶Ⅰ、煙曲霉纖維 二糖水解酶Ⅱ、煙曲霉 β-葡糖苷酶或其變體、具有纖維素分解增強(qiáng)活性的青霉屬種GH61多肽等。

高效菌株選育技術(shù)方面，MASCOMA[17]培育菌株既可以產(chǎn)生水解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素與碳水化合物之間連接的酶，也可以直接通過(guò)高固態(tài)直接生產(chǎn)乙醇等產(chǎn)品，并且減少在同時(shí)糖化和發(fā)酵（SSF）過(guò)程中水解生物質(zhì)原料所需加入的外源酶量。DSM I P[18]的Talaromyces突變菌株能高效分解木質(zhì)纖維素材料生產(chǎn)生物產(chǎn)品，分泌 CBHⅠ、CBHⅡ、EG/CEA、EG/CEB、木聚糖酶、乙?；揪厶酋ッ?、膨脹因子樣蛋白、EG/GH61等酶。

遺傳工程及其載體表達(dá)方面，Novozymes Inc[19]通過(guò)研發(fā)具有乙酰木聚糖酯酶活性的多肽和編碼該多肽的多核苷酸，如棘孢曲霉乙酰木聚糖酯酶活性多肽[20]，構(gòu)建載體和宿主細(xì)胞。

酶性能增強(qiáng)方面，諾維信研發(fā)了增強(qiáng)纖維素材料降解或轉(zhuǎn)化的方法，在具有纖維素分解增強(qiáng)活性多肽的存在下用酶組合物處理纖維素材料，組合酶包括半纖維素酶、棒曲霉素、酯酶、木質(zhì)素分解酶、果膠酶、過(guò)氧化物酶、蛋白酶、膨脹素等[21]；也研發(fā)了通過(guò)非催化性碳水化合物結(jié)合組件（CBM）增強(qiáng)糖基水解酶家族61（GH61）的相關(guān)技術(shù)[20]；另外諾維信研發(fā)了通過(guò)酶活性增強(qiáng)酶組合物在高溫條件（54℃～70℃）下分解纖維素材料[22]。

3 結(jié)語(yǔ)

纖維素降解生物法預(yù)處理總體上還處于發(fā)展期，研發(fā)力度有限，與其他物理化學(xué)法、化學(xué)法等預(yù)處理方法相比生產(chǎn)成本還處于較高水平，酶解效率也有待提高。目前全球研發(fā)重點(diǎn)有兩個(gè)，一是選育分泌高效降解組合酶的菌株，二是通過(guò)遺傳工程對(duì)降解木質(zhì)纖維素起作用的基因片段進(jìn)行基因改造，從而提高降解效率。

美國(guó)纖維素降解生物法預(yù)處理專(zhuān)利技術(shù)研發(fā)特征是以企業(yè)為主，研究型機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)研究上進(jìn)行配合的局面，有相應(yīng)的政策規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)化示范。中國(guó)纖維素降解生物法預(yù)處理研發(fā)以研究型機(jī)構(gòu)為主，產(chǎn)業(yè)化示范有限，研發(fā)基礎(chǔ)也相對(duì)薄弱。

纖維素生物降解產(chǎn)業(yè)化涉及諸多因素，除了技術(shù)層面的問(wèn)題，還與諸如因素包括原料（如穩(wěn)定的原料價(jià)格）、物流交通狀況、生物產(chǎn)品高價(jià)值化、生物產(chǎn)品多樣化、以及其他相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等有較大關(guān)聯(lián)，發(fā)展纖維素生物降解產(chǎn)業(yè)任重而道遠(yuǎn)。

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