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专题

www.biobusiness.com.cn生物产业技术 2018. 03（5 月） 2524 www.biobusiness.com.cn 生物产业技术 2018. 03（5 月）

酶是由动物、植物或微生物分泌产生的、具有

特定生物催化功能的高分子物质。酶制剂是酶经过

提纯、加工后的具有催化功能的生物制品，具有

催化能力高、专一性强、条件温和、能耗低、化学

污染小等特点，其应用领域遍布食品（面包烘焙

业、面粉深加工等）、纺织、饲料、皮革、医药以

及能源等方面。市场上主要的酶制剂有蛋白酶、淀

粉酶、纤维素酶、果胶酶、植酸酶等，且多数酶制

剂为多种酶的复合制剂 [1]。早在1833年，已经有用

酒精沉淀的方法浸提麦芽淀粉酶，而微生物酶的概

念最早出现在1884年，其主要的功能是利用高峰

淀粉酶进行棉布退浆和消化。但是，由于当时技术

水平的限制，酶制剂的研究并没有取得突破性的进

展。直到20世纪60年代，发酵技术和菌种选育技

术的快速发展使工业酶的需求量急剧增加，促使了

酶制剂产业的快速发展。至20世纪80年代，遗传

育种技术的迅猛发展极大加速了酶制剂产业的工业

化、市场化、国际化的步伐 [2]。中国酶制剂工业在

经历了最初的起步阶段和上升阶段之后，随着21世纪基因工程技术的迅速发展，酶制剂工业得到了长

足的发展。据统计，我国的酶制剂年产量从2008年的61.5万吨增长到2016年的128万吨，年复合增

长率达9.60％（图1）。现在，中国酶制剂产品主要

包括以下九大类：糖化酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋

白酶、植酸酶、半纤维素酶、果胶酶、饲用复合酶、

啤酒复合酶，其主要的应用领域包括淀粉糖工业、

啤酒工业、燃料酒精工业、饲料工业、纺织工业、

通讯作者：高强，德国图宾根大学自然科学博士，教授，硕士生导师。

美国麻省理工学院（MIT）、科罗拉多大学 Boulder 校区暨美国能源

部可再生能源实验室（NREL）访问学者。天津市微生物学会会员，

中国菌物学会会员，美国工业微生物学会（SIM）新英格兰地区分会

会员，中国留德医学及生物学会会员（GCM）。目前主要从事工业微

生物菌种改造、代谢控制发酵、信号肽转运机制和微生物代谢组学等

方面的研究。E-mail：[email protected]基金项目：国家“863”计划“固态发酵工程及智能化设备开发关

键技术”（2012AA021302），国家自然科学基金项目（31370075、31471725），山东省重点研发计划（领军人才培育项目）（2016GRC3201）

固态发酵酶制剂的研究进展高强，高海飞

天津科技大学生物工程学院，工业发酵微生物教育部重点实验室，省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天

津市微生物代谢与发酵过程控制技术工程中心，天津　300457

摘要：近年来，随着国内外酶制剂市场的快速发展，主流的酶制剂液态发酵方式所存在的弊端日益凸显，越来

越多的人尝试采用固态酶制剂发酵方式代替主流的液态发酵，但是由于固态发酵自身的缺陷，并没有得到广泛

应用。而随着气相双动态固态发酵（gas double dynamic solid state fermentation，GDSSF）技术的提出，因

其新颖的设计理念和独特的发酵方式，发酵规模大、自动化程度高等特点，引起了国内外学者的广泛关注。就

当下酶制剂发酵现状及研究进展做出论述，并对未来酶制剂发展趋势做出预测。

关键词：气相双动态固态发酵；酶制剂；工业；发展趋势

DOI:10.3969/j.issn.1674-0319.2018.03.003

图 1　2008 ～ 2016 年国内酶制剂产量

02008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 20162015

20

40

60

80

100

120

140

/

专题固态发酵酶制剂的研究进展


制药工业、洗涤剂工业、皮革工业、烘焙工业、乳

制品工业、石油工业等。在中国，酶制剂已日益成

为一个独立产业，为加快国民经济的发展做出越来

越大的贡献。

1　液态发酵酶制剂的发展现状

1.1　液态发酵酶制剂的优点及工程菌株的应用

目前，国内外常用的酶制剂生产方式是液态发

酵法，其优势在于可实现纯种培养，目标产物更明

确；发酵过程参数（pH、温度、溶氧、补料等）可实现自动控制，可实时监测发酵过程，确保发酵过

程处于最佳条件，提高发酵效率；有利于大规模、

工厂化、现代化生产 [3]。因此，液态发酵深受企业

青睐。同时，伴随着基因工程技术和育种发酵技术

的不断发展，大量的工程改造菌株开始被应用于食

品行业、纺织行业、畜牧业等多个行业，这也为传

统的发酵行业注入了新的血液。目前，国际上最常

用的液态发酵基因工程菌株是酵母菌和细菌，其具

有产酶量高、性能稳定、适用于规模化生产等特

点，如啤酒行业素有“酵母乃啤酒之魂”的说法，

这就说明酵母对于啤酒酿造的重要性，而大量基因

改造工程酵母的使用，使传统的啤酒酿造行业焕发

出了新的生命力，相比于传统酵母，使用新型的改

造型菌株发酵生产，使产物具有更高的营养价值和

功能成分，如明显增加啤酒中的风味物质，从而提

高了啤酒的感官品质；增加了酒中的酚类物质，尤

其是乙基酚类物质；同时，降低了啤酒中总酯的含

量 [4]。另外，基因工程改造菌株在纺织行业也得到

了广泛使用，相比于传统菌株，一方面，工程菌株

强化了纤维素酶的酶解效果，另一方面也剔除了

纺织过程中降低纺织品质量的因素，提高了传统

纺织行业的核心竞争力，使纤维纺织制品更符合现

代人的需求 [5]。由于我国是传统的农牧业大国，我

国的酶制剂在饲料行业发展迅猛，尤其是近十年，

饲用酶制剂年增长率达到10%以上，是全球同期饲

用酶制剂增长最快的。目前，我国饲用液态发酵工

程菌主要包括毕赤酵母、木霉、青霉、大肠杆菌、

芽孢杆菌等，具有产酶量高、安全性好、生产稳定

等优点 [6]。

1.2　液态发酵酶制剂的缺点

1.2.1　液态发酵酶系不丰富

目前，国内采用液态发酵酶制剂的工程菌株主

要是酵母菌和细菌，发酵的酶制剂产物主要包括α-淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、脂肪酶、植酸酶、木聚

糖酶、β-葡聚糖酶、纤维素酶、α-甘露聚糖酶等 [7]。

进入21世纪后，随着基因蛋白工程和发酵技术的蓬

勃发展，酶制剂行业迎来了新的发展契机，酶制剂

行业开始渗透到各行各业。因此，人们对酶制剂种

类和数量提出了更高的要求。

1.2.2　废水污染严重

改革开放以来，我国工业快速发展，而因为技

术与管理水平的不足，水体污染的范围日益扩大、

程度日趋严重，这急剧加重了我国的水资源供给的

负担，也给人类的健康和安全带来了威胁。越来越

多的人意识到工业废水的处理比城市污水的处理更

为重要 [8]。针对我国日趋严重的工业废水问题，国

家制定了一系列法律法规。因此，传统的液态发

酵酶制剂行业面临着巨大的环境压力和沉重的经

济负担。

基于上述，寻找一种可以扩大酶制剂的生产种

类、减少废水污染的酶制剂的生产方式迫在眉睫。

2　固态发酵酶制剂的发展现状

2.1　固态发酵酶制剂的优点及应用

目前，在酶制剂工业生产领域，大多数采用的

发酵方式是液态发酵。但是，一方面，液态发酵过

程不可避免地会产生大量的工业废水，接踵而来的

就是工业废水的净化处理，沉重的环境压力和经济

负担迫使酶制剂发酵企业不得不寻求改变；另一方

面，随着液态发酵规模的不断扩大，企业酶制剂发

酵罐的发酵量动辄几十吨，甚至上百吨，在发酵的

过程中，一旦发生内部发酵液的污染对于发酵企业

绝对是致命的，因为必然会引起一整罐的污染，这

就意味着巨大的经济损失和资源浪费 [9]。现如今，

针对液态发酵酶制剂的不足，越来越多的人开始关

注酶制剂的固态发酵。随着近年来国内外酶制剂行

专题


业的快速发展，固态发酵相对较难控制的问题已经

得到解决，而且，固态发酵生产酶制剂还具有发酵

废料可循环利用（比如经过简单处理可以作为农业

肥料），发酵污染面积小、易处理、污染后经济损失

低等优点 [10]。固态发酵酶制剂能有效地丰富酶制剂

种类，极大满足社会对酶制剂的需求。比如在新能

源行业，可以采用固态酶制剂发酵技术发酵谷物秸

秆生产酒精燃料，一方面可以缓解石油日益枯竭的

压力，降低环境污染；另一方面，也可以变废为宝，

实现资源的可持续发展 [11]。

使用固态发酵酶制剂的产率比液态发酵酶制剂

高。Chahal曾在纤维素酶发酵过程中对比分析了采

用液态发酵与固态发酵制备酶制剂的产量，结果显

示采用固态发酵和液态发酵制备酶制剂所得纤维素

酶的产量分别为250 ～ 430IU/g、160 ～ 250IU/g，采用固态发酵方式纤维素酶得率提高了72%以上，

效果显著 [12]。与液态发酵相比，采用固态发酵酶制

剂的培养时间更短。目前国内外工业上采用液态发

酵方式生产酶制剂的平均时间在11d以上，最短的

发酵时间也长达7 ～ 8d。采用固态发酵酶制剂可以

明显缩短发酵周期，一般只需要3d左右，极大地提

高了工业生产酶制剂的效率。

在工业酶制剂液态发酵过程中，通常水分的含

量约94% ～ 99.5%，这就意味着的干燥浓缩过程需

要耗费大量的电能和蒸汽，增加了产品成本；其次，

在液态发酵过程中，发酵罐的搅拌浆需要不停地搅

拌，耗能非常巨大，而固态发酵则不需搅拌，能耗

明显降低；另外，由于我国酶制剂行业起步较晚，

与西方发达国家相比，尚存在较大差距，因此，为

了提高浓缩效率，我国的分离设备多数依赖国外进

口，费用很高[13]。在固态发酵酶制剂过程中，通常

的水分含量只有75%左右且不含游离水，这减少了

产品的分离纯化成本，同时，有研究表明，在同量

基质反应体系中，液态发酵仅电能消耗就比固态发

酵高出了8 ～ 10倍，这还是在没有计算蒸汽消耗的

前提下。

由于固态发酵具有发酵污染小、酶系丰富、产量

高、周期短、能耗低等优势，国内外对固态发酵酶制

剂的研究及应用的关注度逐年提高（表1、表 2）[14]。

就目前而言，国外酶制剂产业经过多年的发展，基

本告别了无序的竞争状态，形成了完善的酶制剂商

业体系。丹麦诺维信生物技术有限公司（以下简称

表 1　国内酶制剂企业生产的复合酶制剂统计及分析

生产厂家代表性产品主要标识酶活种类

泛亚太保来康复合酶

华芬酶华芬酶复合酶

英恒酶制剂英恒酶复合酶

溢多利溢多酶木聚糖酶、植酸酶单酶、复合酶

华扬生物华扬酶木聚糖酶、甘露聚糖酶、植酸酶单酶、复合酶

挑战集团特节酶木聚糖酶及其各种单酶、复合酶

夏盛夏盛酶木聚糖酶及其各种单酶、复合酶

尤特尔尤特尔木聚糖酶及其各种单酶、复合酶

表 2　国际酶制剂企业生产的复合酶制剂统计及分析

生产厂家代表性产品主要标识酶活种类

丹麦诺维信诺维信中温淀粉酶淀粉酶、糖化酶

美国丹尼斯克动物营养爱维生、保安生木聚糖酶（复配）

德国 AB 酶制剂艾克纳斯木聚糖酶 + 葡萄糖酶（复配）

法国安迪苏罗酶宝木聚糖酶（单菌发酵）

荷兰帝斯曼动物营养乐多仙 VP 葡聚糖酶 + 果胶酶（复配）

美国奥特奇（Alltech）特威宝 SSF 葡聚糖酶、蛋白酶、植酸酶等，自然固态发酵

美国 Genmchen 和美酵素甘露聚糖酶

美国建明（Kemin）八宝威淀粉酶、葡聚糖酶等（复配）



诺维信）在全球工业酶制剂和微生物制剂市场中处

于主导地位，拥有超过40%的世界市场份额，诺维

信自1994年起累计在中国投资2亿美元，在天津经

济技术开发区建立了其全球酶制剂生产基地，并在

北京中关村科技园区设立了中国首家外资生物技术

研发中心。酶制剂跨国企业在国内酶制剂市场的快

速发展一方面给中国酶制剂企业带来了巨大的挑战，

另一方面，也给酶制剂市场带来了更多的机遇。当

下，在中国酶制剂市场形成了以泛亚太、华芬酶、

英恒酶制剂、溢多利、华扬生物、挑战集团、夏盛、

尤特尔八大酶制剂企业为核心，其他酶制剂发酵公

司齐头并进的发展模式，各个公司的产品互有优劣，

各具特色，极大地弥补了我国酶制剂产业的空白，

丰富了国内酶制剂产品体系，缩短了我国与国外酶

制剂行业的差距。其中，在固态酶制剂发酵领域，

美国奥特奇生物制品有限公司（以下简称奥特奇）

处于世界领先地位，其产品主要针对畜牧产业，由

于发酵方式独特，在酶制剂市场上极具竞争力，同

时，奥特奇的发展模式也为未来固态酶制剂的发展

指明了方向。

2.2　固态发酵酶制剂的缺点

随着现代生物技术的快速发展，目前，工业酶

制剂的应用已经渗透到各行各业，国内外酶制剂市

场的需求量逐年上升，甚至一度出现供不应求的局

面。因此，虽然固态发酵酶制剂具有诸多优点，但

其发酵规模小，难以满足市场化需求仍是其致命的

缺陷。现在市场上常见的固态发酵酶制剂的企业多

是一些小型企业，采用的仍是小作坊式的发酵模

式（美国奥特奇除外），甚至一些固态酶制剂生产

还停留在实验室阶段 [15-16]，其生产的产品根本无

法满足市场巨大的需求，严重阻碍了固态酶制剂的

快速发展。

与当下流行的液态发酵相比，固态发酵酶制剂

另外一个致命的弱点是发酵过程难以控制，无法形

成工业化、现代化发酵规模。固态发酵往往只是单

纯将发酵基质放于发酵装置中，采用的发酵方式多

数为自然发酵 [17]，例如，国内采用传统工艺酿造的

白酒、豆酱、醋等 [18]、日本的酶制剂发酵产品 [19]

都是采用天然固态发酵的方式。因此，难以保障发

酵过程中的发酵参数处于最佳状态，无法实现稳定

化生产，也会耗费大量的人力物力，极大阻碍了固

态酶制剂的工业化、现代化进程。

在传统的固态发酵中，为了提高发酵过程中的传

质和传热效率，大多数采用的方式是机械翻动，即保

持气相不动，持续翻动固相。其目的就是实现物料的

充分混合，增加颗粒间或气体分子间的接触频率，从

而使物料层之间的气体由最初的分子扩散变为对流扩

散。但是，不断的物理翻动一方面会引起微生物菌丝

体的断裂，对微生物的生长造成危害；另一方面，固

态物料的翻动必然会对发酵罐的密封性提出更高的要

求，稍有不慎就会引起菌体污染 [20]。此外，物理翻动

还存在以下两个最为致命的缺陷：第一，湿润的物料

在翻动的过程中必然会与机械耙及四周罐壁接触，接

触压力较大，且湿润物料本身具有较强的黏附性，在

翻动的过程中就会有大量的物料黏附在罐内，给清洗

带来诸多不便，尤其是发酵罐的死角，极易发生清洗

不彻底的情况；第二，在发酵罐转动过程中，虽然发

酵物料几乎不含有游离水，但是含水量仍高达75%以

上，因此，在翻动过程中物料极易发生结块，从而使

结块物料内部无法进行有效发酵，极大地降低了固态

发酵的效率。

3　工业酶制剂发酵的未来展望

针对国内外酶制剂市场的现状和存在的问题，

陈洪章等 [21]从基础理论研究出发，打破传统思维方

式，基于不同原料的理化特性和生物特性开发并设

计出一款新型的反应器。提出了以压力脉动法向力

为动力源的“外界周期刺激强化生物反应及细胞内

外传递过程”的生物反应器设计新原理，设计并开

发出具有完全自主知识产权的“压力脉动固态发酵

新技术”，并以此理论为基础，逐步形成了完善的

气相双动态固态纯种发酵理论。目前，气相双动态

固态发酵（gas double dynamic solid state fermentation ，GDSSF）技术，已经在多个领域得到应用，比如在

新能源领域，该技术可用于木质纤维素酶发酵秸

秆生产生物乙醇 [22] ；在农牧业领域，该技术在杀虫

剂的生产具有独特功效，目前，已经在江西天人生

态股份有限公司投入使用；在酶制剂领域，已经有

相关的报道指出采用该技术的酶制剂产量较传统的

液态发酵提高了2倍以上 [23]。

专题


表 3　GDSSF 技术特点及对固态发酵领域的影响

序号技术特点影响参考文献

1 近红外技术（near-infrared spectroscopy，NIRS）耦合气相双动态技术

实时监控发酵罐中水分、菌体和发酵产物在不同罐体深度的分布情况，提高发酵罐的传热效率和加快

菌体生长及新陈代谢[24]

2

小规模（800L 罐体）气相双动态固态发酵生物反应器（gas double dynamic solid state fermenta-tion bioreactor，GDSFB）在工业酶制剂生产中

的应用

与传统发酵方式相比，GDSSF 发酵在工业酶制剂发酵领域更具有优势，尤其是果胶酶、葡萄糖酶、蛋白酶、纤维素酶等的发酵，可以明显提高菌体活性、缩短发酵周期，同时，保持发酵温度梯度稳定，有

利于在线监控

[25]

3 改变 GDSFB 脉冲压力频率，影响罐体传热

随着 GDSFB 脉冲频率的改变，罐体传热效率随之改变，有效降低了发酵过程中温度升高对菌体生长和新陈代谢的影响，研究发现，发酵基质升高的温度从

4.2℃降低到 2.5℃，酶活性（纤维素酶）提高了 9.23%

[26]

4 改变 GDSFB 罐内空气刺激周期，增加发酵基质的传热和传质效率

随着 GDSFB 罐内空气刺激周期的改变，罐内发酵基质的传热、传质效率随之发生改变，尤其是对微生物生长的关键性酶（ATP酶）产生了明显影响。研究发现，ATP 酶的活性和发酵基质重量的变化呈现正相关性。

因此，提高 ATP 酶活性有利于发酵效率的提高

[27]

5 核磁共振技术在 GDSSF 中的应用

采用核磁共振的方法比较 GDSSF 和固态发酵中水分结构变化，GDSSF 对吸湿水和自由水含量有明显影响，研究还发现，在 GDSFB 中水分分布和罐体深度对菌体生长影响明显，因此，GDSSF 发酵技术更适

合工业化生产

[28]

6 GDSSF 发酵耦合蒸汽爆破处理技术在生产柠檬酸过程中的应用

利用间歇性高压蒸汽带走菌体生长过程中产生的热量，增加传热效率，刺激菌体的生产和新陈代谢，同时，蒸汽爆破处理破坏组织结构，形成多孔结构，

进一步提高发酵效率

[29]

7 GDSSF 一体化应用

采用 GDSSF 法改变了固态发酵过程中存在的空气热导率低、体系不均一等问题。GDSFB 具有易于灭菌、散热快、过程检测简单、自动化水平高等

优点

[30]

近年来，作为一种新型的固态发酵技术，

GDSSF 技术已经引起了国内外学者及业内人士的广

泛关注。其独特的设计赋予了GDSSF有别于固态发

酵的技术特点，并对固态发酵领域产生了深远的影

响（表3）。GDSSF 自被提出之后就深受国内外学者和业内

人士关注，随着近年来陈洪章等对其研究的不断深

入，现已形成完善的理论，并且积累了丰富的实践

经验。但就发酵规模来看，发酵罐规模从实验室的

0.5L，到800L，再到25 000L，直至扩大到50 000L，发酵规模符合现代化工业需求，彻底打破了传统固

态发酵仅限于小作坊式生产的僵局。于1998年建成

了固态发酵大规模纯种培养的示范性基地，结果表

明该项技术经济指标优于液态深层发酵，为固态酶

制剂工业化生产铺平了道路。

较为成熟的液态发酵过程，多是通过实时监控

发酵过程参数进行反馈，继而通过人为调节进行优

化，以此保证发酵效率 [31]。在固态发酵过程中，菌

体通过附着于发酵基质表面来获得营养，无法自由

流动，而固态基质本身具有颗粒尺寸、持水性、导

热性等不均一的弊端，因此就会造成菌体生长不均

一，继而影响发酵体系内的生物量、温度分布、代

谢产物浓度等。固态发醇过程参数难以实现快速检

测，也导致固态发酵动力学研究远远落后于液态发

酵。建立气相双动态固态发酵系统正是为了解决这

些问题，其组成包括罐体、磁力耦合系统及压力控

制系统，实现了固态发酵的自动化操作，解放了劳

动力，提高了发酵效率 [29]。

4　固态发酵酶制剂的未来展望

综上所述，虽然现在酶制剂市场主流的发酵方

式为液态发酵，但其存在酶系不丰富、废水污染严

重等问题，不得不加以考虑。传统的固态发酵存在



着生产规模小、自动化程度低等缺点，严重阻碍了

酶制剂固态发酵的工业化、现代化进程。而新兴的

GDSSF以其新颖的设计风格，独特的发酵方式，迅

速引起了国内外学者及相关人士的关注。中国科学

院过程工程研究所陈洪章研究员在此基础上设计的

GDSFB目前最大发酵量已经达到50 000L，达到了

工业发酵水平，同时，该装置具有自动调节功能，

为实现酶制剂固态发酵的工业化、现代化奠定了基

础。可以预测，未来酶制剂固态发酵技术的热度必

将持续增加。

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专题


Advances in enzyme preparation via solid state fermentation

GAO Qiang, GAO Haifei

The Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology of Ministry of Education, College of Biotechnology of Tianjin University

of Science and Technology, State Key Laboratory of Food Nutrition and Saftey, Tianjin Engineering Research Center of Microbial

Metabolism and Fermentation Process Control, Tianjin 300457, China

Abstract：In recent years, with the rapid development of the market of enzyme preparation at home and abroad, the disadvantages of the current liquid state fermentation（LSF）of enzyme preparation have emerged increasingly.Therefore, an increasing number of people attempted the solid state fermentation（SSF）to replace LSF. However, the SSF failed to be extensively applied in the production of enzyme preparation due to its own vital disadvantages. Nowadays, the gas double dynamic solid state fermentation（GDSSF）has widely been focused by scholars at home and abroad owing to the novel design and unique fermentation, the characteristics of large scale of fermentation and high degree of automation and so on. In this paper, the main work includes illustrating the current situation of enzyme preparation, the research progress, and the trend of developement of enzyme preparation.Key words：GDSSF; enzyme preparation; industry; trend of development

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