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壳寡糖产业化可行性报告

国家“九五”攻关科技成果（96-C03-01-01）

壳寡糖产业化可行性报告

中国科学院大连化学物理研究所

天然产物与糖工程课题组

2001年7月

壳寡糖产业化可行性报告

第一部分：

项目背景及进展

该课题是国家科技部“九五”攻关项目，于2000年8月通过由中国科学院组织的专家鉴定，该项工艺是首次利用酶工程、生化反应分离耦合技术和纳米滤膜浓缩和纯化技术制备低聚氨基葡萄糖，经查新，国内外未见报道。

首次开发出低聚氨基葡萄糖保健食品和生物农药，同时研制开发的奥利奇善胶囊获得卫生部保健食品证书，中科6号（好普）生物农药获农业部农药检定所新农药登记证书。

并率先实现了低聚氨基葡萄糖生物农药的产业化及在植物病害防治方面的应用，达到了国际领先水平。

（意见详见成果鉴定证书）。

（一）项目的意义和必要性

由于我国保护知识产权法律的制定与实施，以及加入WTO日趋临近，研制创新药物是十分迫切的任务，需要下大力气研究开发具有我国自主知识产权的新型药物。

开发治疗重大疾病的药物，关键在于发现具有生物活性的化合物或优秀的先导化合物，然后进行结构改造和优化，选择适宜的加工技术和产业化工程，进而开发出创新药物。

我国具有丰富的生物资源和天然药物宝库，从生物资源中寻找新型先导化合物和创制新药，利用生物加工技术开发和利用我国的生物资源，从而促进生物来源药物生产的高技术化。

继基因工程、蛋白质工程之后，糖工程已成为最引人注目的生物技术新领域。

近年来的研究表明，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，将是从病理上的根治与预防。

因此，通过多糖降解、化学合成、转化及分子修饰等手段寻找具有生理活性的天然寡糖药物已成为国际上寡糖药物开发的热点，利用该技术开发寡糖类新型药物对人类健康意义重大。

地球上两大生物群体，即细胞壁中具有甲壳质的生物和具有纤维素的生物,具有甲壳质的生物进化为菌类、节足动物，具有纤维素的生物则进化为植物和脊椎动物。

两大生物群体彼此互相攻击、防卫，又相互利用、依存，以维持自己的生命，形成食物链。

在一个多世纪前就发现了甲壳质，但它的优异功能只是在近40年，特别是近十年才被人们逐步认识，已形成了一门新兴学科—甲壳质化学。

几丁质又名甲壳质，存在于昆虫、甲壳类动物外骨骼和真菌细胞壁及一些绿藻中，它是由N-乙酰氨基葡萄糖聚合而成的多糖。

几丁质在自然界中每年生成量约有100亿吨，其中10%来源于海洋，产量仅次于与之结构相似的纤维素，是自然界第二大类的有机物质。

几丁质和壳聚糖的研究利用已引起国外许多国家政府、企业及学者的重视。

除了糖、蛋白质、脂肪、维生素与矿物质外，甲壳质被誉为人体所必需的第六生命要素。

甲壳素经过胃酸、人体溶菌酶（Lyozyme）、甲壳酶（chitinase）、脱乙酰酶（deacylase）、壳聚糖酶（chitosanase）等作用，经转化、降解成低分子物质，才能被人体吸收。

其主要的活性分子——壳寡糖和几丁寡糖在抑制癌细胞、抑制癌细胞转移、抑制癌毒素的作用中扮演着重要的角色。

而壳寡糖又是一种先导化合物，对其进行的化学修饰又可形成多种药物活性的新药如低分子肝素等。

此外壳寡糖具有抗炎止痛，促进伤口愈合功能；调节肠道菌群等多种功效。

寡糖抗癌、抗炎药物已成为国际上研究开发的热点。

也将带来一场商业竞争大战。

中国进入WTO后，该类药物也将会在几年时间内大量涌入我国。

在农业生产中，对多种蔬菜、水果的病害，特别是病毒病防效显著，已获得大量的田间应用实验结果，同时壳寡糖还具有促生长、增产及保鲜功能。

寡糖生物农药的开发应用中国目前暂处领先位置；在畜牧养殖业上应用壳寡糖，可提高动物的抗病能力，减少抗生素的使用，是新型的一类寡糖工程产品，国际上已开始应用于饲料及饵料添加剂中，目前国外的寡糖饲料添加剂刚刚进入中国。

壳寡糖及几丁寡糖的制备及其糖生物学研究已成为目前国家上甲壳素研究开发的热点。

中国具有丰富的壳寡糖生产的原料自然资源，是甲壳质类产品的大国，目前每年生产量约为2000—3000吨。

而该类产品多是将虾蟹壳经强酸、强碱处理除蛋白、脱钙后及脱乙酰化处理后得到。

形成一定程度的环境污染。

而我国目前甲壳素的深加工产品很少，多数是以原料的形式出口，经过国外深加工后返销中国，因此急需发展具有我国自主知识产权的甲壳素深加工技术，加速壳寡糖开发应用研究。

对人类健康、经济和社会发展以及环境的改善具有重要意义。

（二）国内外研究进展及趋势

近10年来生物技术制药越来越被人们所重视，医药生物技术产品产业化进程突飞猛进。

采用生物转化等手段加工天然药物，从天然生物资源中发现先导化合物和新药物是总趋势，也是我国中药现代化、规模化、标准化的迫切任务。

寡糖药物是糖工程发展的重点之一。

1990年11月第一次在人体中确证了寡糖SLex的生理功能，这一发现引发了一场制备抗炎药物的大竞赛，目前正在进行临床试验的寡糖药物有靶向肺炎、腹泻致病菌的NE1530和NE1340，靶向幽门螺旋杆菌的NE0080，抗HIV-I病毒的寡糖衍生物以及抗寡糖肿瘤疫苗。

最近通过大量筛选，在上千种化学合成和天然来源的化合物中筛选到几种SLex糖链类似物，发现其中效果最好的是甘草素，可用于封闭血管内皮细胞表面E-selectin，从而达到抗炎及抗癌细胞转移的目的。

甘草素来源于中药甘草，尽管中国人早就知道甘草有抗炎效果，但并不清楚其治疗机理。

这一发现充分证明：

寡糖药物的研究开发有助于阐明中药治病的某些机制、为中药实现现代化作出贡献。

寡糖药物的开发在西方发达国家受到高度重视。

目前大多数寡糖药物正处于临床前或临床试验阶段。

日本则于1991年实施了一项投资数百亿日元、为期15年的“糖工程前沿计划”，开展糖生物学基础与应用研究。

欧盟94年启动“欧洲糖研究开发网络”，目的是协调欧洲各国的糖研究与开发，以强化欧洲在糖的基础研究及将研究成果转化为商品方面与美国和日本竞争的能力。

这些研究计划的显著特点表现为在内容上基础研究和应用研究并重、方法学研究和有重要意义的目标物合成的研究同时进行。

在甲壳素研究方面日本出上亿日圆巨资由13所大学联合研究开发，现已开发多种壳聚糖产品，部分已进入中国市场，对寡糖的制备及其新药的研究开发一直在进行之中。

欧美近年也加快了甲壳素的研究开发进度。

甲壳素国际学术会议频繁举行。

最新研究表明甲壳素/壳聚糖的寡糖具有抗肿瘤和抑制肿瘤转移的生理功能以及增强机体免疫力的作用，机理主要是提高巨噬细胞活性，能将ALK细胞功能提高3倍，提高NK细胞的活性4.5倍，并可附着在血管细胞表面，达到抑制癌细胞转移。

聚合度为4－7的几丁寡糖对BALBc白鼠的腹膜渗出液的细胞具有强烈反应，几丁六糖和壳六糖对Sarcima-180、MM-46、Meth-A等瘤细胞的生长有完全的抑制效果；当Lewis肺癌静脉注入到小白鼠体中，几丁六糖具有抑制癌细胞转移效果。

六糖使携带肿瘤的小白鼠对绿脓杆菌、白假丝酵母等感染有防治作用。

几丁六糖达到100mg/kg体重时无毒性、无变异性和无热原性，并且增加活体巨噬细胞释放白细胞素，因此对细胞分裂具有调节作用。

而对于其进一步的作用机理目前国内外尚不清楚。

壳寡糖制备技术国际上研究进展

化学法

1957年，Horowitz等用浓盐酸部分水解壳聚糖，用Dowex-50阳离子交换柱色谱精制得到单糖到五糖，但是单糖含量很高，寡糖低，并且需要大量的离子交换树脂。

水解过程中，壳聚糖比几丁质易溶于稀酸，使壳聚糖的酸水解较为困难，要强化水解条件。

最近有报道用离子交换色谱，盐酸浓度梯度洗脱寡糖。

还有用双氧水或过硼酸钠降解壳聚糖制备壳寡糖，但是制备较繁琐，得到主要是四糖以下的产品。

专一性酶降解法

壳聚糖酶广泛分布于细菌和真菌中，其主要作用于-1,4葡萄糖胺糖苷键。

从Bacillussp.No.7-M来的壳聚糖酶只切断GLCN-GLCN,而从BacilluspumilusBN-262来的壳聚糖酶切断GLCNAC-GLCN及GLCN-GLCN，从StreptomycesgriseusHUT6037来的壳聚糖酶切断GLCN-GLCNAC和GLCN-GLCN。

壳聚糖酶降解部分脱乙酰度的壳聚糖都得到杂寡糖。

BacillusR-4生产的壳聚糖酶降解脱乙酰度为80%及100%的壳聚糖，发现对脱乙酰度为100%的壳聚糖，6小时可生成二到六糖，48小时得到主要是二到四糖，并且得到较高的收率。

Izumi等用Bacillussp.No.7-M生产的壳聚糖酶，降解部分乙酰化的壳聚糖，后用离子交换树脂分离，获得二到五糖，其中三、四糖含量非常高，收率高达为60%。

如用精制的壳聚糖酶可以得到少量的六、七糖。

Sei-ichiAiba利用溶菌酶降解部分乙酰化的壳聚糖，得到主要是四糖以下的产物。

聚合度高的寡糖难以获得。

非专一性酶降解法

从纤维素与壳聚糖的结构相似得到启示，研究发现纤维素酶可以降解壳聚糖。

迄今为止，已发现有37种各类水解酶如蛋白酶、脂肪酶、糖苷酶等对壳聚糖都有降解效果。

从作用效果及酶的来源分析，如此广泛的酶似乎不存在共同的催化基团，其具体的降解机制尚未能得到解释。

从降解情况可以得到酶降解过程中的几个共同特点：

水解初期，溶液粘度迅速下降，说明酶以内切方式作用；反应不遵循米氏方程，无论提高酶浓度还是底物浓度都可能提高反应速度。

由于非专一性酶降解速度快，这也是生产寡糖的一条途径。

几丁质与壳聚糖的寡糖具有多种生理功能，将在食品、化妆品、抗癌药物、生物农药、诊断试剂等方面得到广泛的应用。

酶法制备寡糖优于化学法，因为化学反应条件十分苛刻，不易控制，且后处理繁琐。

酶法降解的几种方法各有所长，对这几种方法进行深入的研究，将会实现大规模生产几丁质和壳聚糖的寡糖的目的。

我国在此方面也取得一定的研究成果，在科技部“九五”攻关及863等项目的支持下，在国际上中国科学院大连化学物理研究所首次报道并采用酶反应分离耦合技术制备壳寡糖，研制开发成功第一个壳寡糖生物农药，同时成功地研制出具有抗癌活性的壳寡糖保健食品——“奥利奇善胶囊”。

（三）市场需求

医药生物技术产品发展迅速，据统计，1998年美国已有58种产品被FDA批准上市。

1997年全球生物技术医药产品销售额只有100亿美元左右，预计到了2000年，生物技术医药产品销售额可达到250～500亿美元，且呈明显增长趋势。

美国PlanA咨询公司1992年提交了“StrategiesinCarbohydrateDrugs1992-2000”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，力争在这一领域与国际发展同步，必将会使我们在治疗癌症、自身免疫疾病、感染和心血管病等影响人类健康重大疾病的寡糖药物研究方面形成具有自主知识产权的成果，形成巨大的市场。

我国是人口大国，也是医药消费的大市场，经济的发展，人口趋向老龄化，都将促进用药的增长。

预计在未来的15年内，我国的医药市场仍将保持平均年增幅约11-12%的趋势，仅2000年的医药市场就将达到2250亿元人民币的规模。

目前，我国抗感染药产量占全部医药品总产量的15%左右，其中抗生素占抗感染药的60%左右。

在中国肝细胞癌（HCC）是危害人民健康的第二大肿瘤，年发病人口14万，恶性程度高，发展快，堪称“癌中之王”。

而欧美国家由于原发性HCC发病稀少而极少研究之。

再者，由于HCC的发生与B型及C型肝炎病毒感染密切相关，我国存在大量HCC高危人群，急待发展针对HCC的预防措施；而且HCC经无论何种治疗后复发率都甚高，即使最理想的手术切除后的小肝癌的复发率也有40－50％，大肝癌则高达80％。

复发与转移成为HCC患者预后不良的主要原因。

因此，利用糖生物学及糖工程研究的新进展，研制开发针对肝癌的新型壳寡糖抗癌新药不仅具有重要的学术理论价值，而且具有重大的社会意义及巨大的市场前景。

（四）前期相关研究工作基础

在科技部“九五”攻关项目“壳聚糖生物降解制备低聚氨基葡萄糖”及中科院重点项目的支持下，进行并完成以下工作：

主要工作摘要：

本项目以甲壳素为原料，研究酶法降解制备壳寡糖的方法，通过对专一性和非专一性降解酶的筛选，确定以壳聚糖酶或6036酶为降解酶；探索了以球孢白僵菌发酵酶液代替6036酶的可行性，提出专一性及非专一性两种酶解工艺路线；考察了底物浓度、酶量、温度、pH、溶解介质等因素对降解反应的影响；探讨了提高和控制壳寡糖聚合度的策略，提出了反应分离耦合制备壳寡糖的新构思，并首次将纳米滤膜应用于壳寡糖样品浓缩和初纯化（见鉴定材料中所附国际联机检索结果）；在此基础上进行了11批次的中试，确认了生产制备工艺；对所生产的壳寡糖进行生物活性试验及抑瘤试验，证明壳寡糖确实具备抑制肿瘤、提高植物抗病防病和调节植物生长发育的功能。

1.完成球孢白僵菌高产壳聚糖酶菌株的诱变及筛选，获得了2株具有高产壳聚糖酶

的突变株，具有较好的稳定性。

与报道酶活性相比，酶活性高约50倍。

2.对球孢白僵菌壳聚糖酶进行了分离、纯化及降解活性研究，结果表明球孢白僵菌

所产生的壳聚糖酶具有内切酶活性，通过控制酶反应的速率，得到壳寡糖。

3.通过对脂肪酶、纤维素酶、菠萝蛋白酶、溶菌酶、6036酶和壳聚糖酶六种酶对

降解壳聚糖的活性比较，筛选获得除壳聚糖酶外的一种天然复合酶（6036酶）

作为降解壳聚糖的工具酶。

3.通过对6036酶的壳聚糖降解活性研究，确定底物浓度、酶量、温度、不同PH值、壳聚糖溶解介质、固定化及脱乙度等影响壳聚糖酶降解的影响因素。

4.完成酶法生产壳寡糖的11批中试，确定中试规模的较佳工艺条件，并获得具有较高的生物活性的壳寡糖。

5.体外抑瘤实验壳寡糖体外及体内抑瘤作用的研究结果表明：

壳寡糖S-180腹水瘤的体外抑瘤率为97。

4%（10mg/ml）,

6.壳寡糖对高淋巴道转移癌细胞系Hca-F具有较强的体外杀灭能力，100ug/ml

壳寡糖的抑瘤能力强于10ug/ml顺铂，50ug/ml壳寡糖的抑瘤能力稍弱于

10ug/ml顺铂。

7.对人肝癌，宫颈癌（Hela），红白血病（K562），淋巴白血病（Raji）四种

人肿瘤和小鼠肝癌腹水（Hepa）细胞的抑瘤比较表明以肝癌为最高79%

（100ug/ml），而阳性药物顺铂为75%（10ug/ml）.进一步对人肝癌细胞抑制

活性的实验表明，壳寡糖有明显抑制作用，氧化型和氧化型壳寡糖溶液与对照组相比，均对肝癌细胞有明显抑制作用，且呈量效关系，尤其以氧化型壳寡糖作用更明显。

而几丁五糖与几丁六糖标准品抑癌作用不明显，细胞形态学观察还表明，随给药剂量增加，细胞坏死程度加重，推测壳寡糖抗癌作用机理有关。

8．动物整体实验

经口给予小鼠不同剂量的壳寡糖30天后，与对照组比较，中剂量组（6.7mL/kg.bw）的荷腹水瘤小鼠存活时间延长34%（p＜0.01），重复实验延长37%（p＜0.01）；荷实体瘤小鼠瘤重降低63%（p＜0.01），重复实验降低30%（p＞0.05）。

高剂量组（20.0mL/kg.bw）的荷腹水瘤小鼠存活时间延长35%（p＜0.001），重复实验延长36%（p＜0.01）；荷实体瘤小鼠瘤重降低76%（p＜0.001），重复实验降低67%（p＜0.001）。

中剂量组和高剂量组与对照组比较碳廓清指数、NK细胞活性均无显著差异（p＞0.05）。

实验结果表明口服中剂量或高剂量壳寡糖对肿瘤都有抑制作用，在服用期间不会对机体免疫系统造成损伤。

该项目技术成果受国家生物工程中心委托，于2000年8月由中国科学院生物局组织专家鉴定，专家一致认为该项工艺是首次利用反应分离耦合技术和纳米滤膜浓缩和纯化技术制备低聚氨基葡萄糖，经查新，国内外未见报道，具有创新性,已申请国家发明专利。

首次开发出低聚氨基葡萄糖保健食品和生物农药，并率先实现了低聚氨基葡萄糖生物农药的产业化及在植物病害防治方面的应用，达到了国际领先水平（详见附件）。

壳寡糖保健食品（“奥利奇善”胶囊）性能特点及技术指标：

性能特点：

具明显抑制肿瘤，提高免疫力的保健功能。

技术指标：

壳寡糖有效含量80mg/粒。

聚合度3-16。

技术专利及产品开发

利用该技术成功地研制开发“奥利奇善”胶囊抗癌保健食品及中科6号寡糖生物农药，获得大量活性报告。

形成专利技术2项。

壳寡糖生物农药（中科6号）已进入产业化阶段，并一次试车成功，已获得165吨2%中科6号产品。

保健食品“奥利奇善”胶囊已进行了功能性、微生物、毒性、理化及稳定性实验，2000年10月上报卫生部报批保健食品。

2001年3月8日“奥利奇善”胶囊通过并获得卫生部颁发的保健食品证书。

正在进行壳寡糖抗肿瘤药物的研究开发。

第二部分实验室及项目负责人简介

天然产物与糖工程课题组简介

天然产物与糖工程课题组成立于1996年，有一支主要有年轻的博士后、博士及硕士组成的课题队伍，专业涉及生物化工、微生物学、生物化学、分子生物学、药学、医学、植物化学及植物保护等学科。

有一些在国内外糖生物学等领域有名望的教授为战略顾问及客座研究员指导研究开发工作，如张树政院士、朱正美教授、王克夷研究员等。

课题负责人简介

杜昱光，男，副研究员，中国生物工程学会终身会员、中国微生态学会青年委员会常委、辽宁甲壳质研究会副理事长、中国科学院大连化学物理研究所天然产物与糖工程研究组负责人。

85年7月大学毕业分配到中国科学院西北高原生物所微生物课题组,从事微生物生态学基础理论研究工作。

90年6月获微生物生态学理学硕士学位。

1994年8月调至中科院大连化物所。

1998年赴美国短访及加拿大应邀参加第九届国际小麦遗传学大会；2000年10月——2001年3月应香港侵会大学的邀请，作为高访在中药研究所合作研究。

已完成国家科技部“九五”攻关项目、院择优支持项目及地方科研项目三项。

先后在《CarbohydrateResearch》、《中国生化药物杂志》、《海洋药物杂志》、《中国微生态学杂志》等国内外刊物上发表研究报告近30篇，申请发明专利八项，正在申请发明专利两项。

培养及联合培养研究生11名。

合作博士后3名。

98年获化物所优秀博士后合作导师，1999年、2000年有两项科技成果通过中国科学院组织的专家鉴定。

获2000年大连市科技进步一等奖一项及大北农科技进步奖。

2个寡糖工程产品已通过鉴定，获得农业部新农药证书，并实现寡糖生物农药的产业化。

同时一种寡糖保健食品获得卫生部颁发的保健食品证书。

主要研究方向糖生物学与寡糖工程天然产物研究目前承担着国家自然科学基金、中科院、国家烟草专卖局及农业部等有关糖生物学及寡糖工程方面的科研课题项目10余项。

第三部分年产30吨壳寡糖生产投资及成本核算

一．生产设备投资：

1．反应分离设备投资：

350万（包括7吨反应罐、各种储罐、耦合膜系统、纳米滤膜系统、反渗透膜组件等）

2．干燥包装设备等：

30万（喷雾干燥机）

3．用电：

200KW（主要喷雾干燥用电量大130KW）

4．水处理：

10吨/天

5．生产用地：

500m2,层高8米（不包含仓库和实验室）

6．生产周期：

10月，每天24小时连续生产。

二．成本核算

原料成本：

540万（36吨）

酶成本：

387万（258公斤）

其他原料：

100万

设备折旧：

80万/年（按五年折旧）

三．原料药壳寡糖生产效益分析

年产量：

30吨壳寡糖粉剂

年产值：

30x80万=2400万

年利税：

1000万

联系人：

杜昱光白雪芳

联系地址：

大连市中山路457号（116023）

联系单位：

中国科学院大连化学物理研究所天然产物与糖工程课题组（1805组）

电话：

+86-411-4671991-858

Fax：

+86-411-4691570

Email:

duyg@

Oligo-chitosanCapsules

Oligo-chitosancapsulesarecharacterizedasthealth-protictivefoodmadefromchitooligo-saccharidesandactivecomponentsreleasedfrombrokensporesofganodermalucidum.Thisoligo-chitosanhasbeenevaluatedbyafoodanddrugcontrolcenterauthorizedbytheStateDepartmentofHealthbasedonStandardofQualificationandmeasurementonHeath-protectiveFoodforTheirBiologicalFunctions.Thefunctionoftheoligosaccharideproductonregulatinghumanimmunologicalsystemhasbeenrecognizedbythestateadministrationafteraseriesofqualificationtests.Thirtydaysaftertestanimalsweregivenwiththecapsules（0.200g/kg*bw）,resultsfromanimaltestsclearlyshowedthatthenumberofanimallymphocytes,swellingsoffootbone,thenumberofHC50,swallowingcapacityfrommacrophage,swallowingindexfrommacrophagehavebeenincreasedby72%（p<0.05）,41%（p<0.05）,135%（p<0.01）,26%（p<0.05）,and39%（p<0.05）respectively.

ToxicologicaltestsonthecapsuleshasbeencarriedoutaccordingtoastateissuedSafetyEvaluationProcedureandMethodonToxicologyforFood（GB15193-94）.Theoraldosageforacutetoxicity（LD50）frombothsexesisover10.00g/kg*bw,indicatingnotoxicitybasedonstatestandard.ToxicologicaltestsongeneticsincludedAmestests,micronucleustestonbonemarrowfrommice,chromosomeaberrationtestsfrommousesperms,andchromosomeaberrationtestsfrommousetestis.Alltestgavenegativeresults.Conventionalch