益生菌（Probiotics）一词最早在1965年提出,用来描述一种微生物对其他微生物促进生长的作用,之后,对益生菌的描述随研究的深入也获得了扩展。1992年,Havennar将益生菌定义为一种单一的或混合的活的微生物培养物,应用于人或动物,通过改善固有菌群的性质对寄主产生有益的影响。2001年,联合国粮农组织和世界卫生组织（FAO/WHO）制定的《食物中益生菌健康及营养评价指南》中进一步对益生菌概念进行了补充,指出益生菌是指给予一定数量时能对宿主健康产生有益作用的活的微生物。

目前,益生菌在食品和饮料、保健食品、药品、动物饲料、日化用品中已获得广泛应用,随着对益生菌功能机制揭示的日渐深入,益生菌应用范围将进一步拓宽并向个体化方向发展,其市场规模也将持续增长。美国知名市场调研和咨询公司Grand View Research发布的市场报告显示,2018年全球益生菌市场规模约为483.8亿美元,未来7年市场规模年均增长率为6.9%^[1]。

本文将从专利角度出发,对全球益生菌领域研发现状进行分析,厘清益生菌相关技术和应用的发展方向,为未来益生菌行业发展提供参考。

本文选择Innography数据库作为专利数据源,以益生菌和典型益生菌菌种名称作为关键词,在摘要、权利要求和标题中进行检索,检索策略为(@(abstract,claims,title) probiotic* or "Bifidobacterium bifidum" or "Bifidobacterium infantis" or "Bifidobacterium longum" or "Bifidobacterium breve" or "Bifidobacterium adolescentis" or "Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus" or "Lactobacillus acidophilus" or "Lactobacillus casei subsp. Casei" or "Streptococcus thermophilus" or "Lactobacillus reuteri" or "Bifidobacterium animalis" or "Bifidobacterium lactis" or "Lactobacillus rhamnosus" or "Lactobacillus fermentum" or "B. bifidum" or "B. infantis" or "B. longum" or "B. breve" or "B. adolescentis" or "L. delbrueckii subsp. bulgaricus" or "L. acidophilus" or "L. casei subsp. Casei" or "S. thermophilus" or "L. reuteri" or "B. animalis" or "B. lactis" or "L. rhamnosus" or "L. fermentum"),检索日期为2019年7月26日。

21世纪以来,越来越多的学者认识到菌群平衡对于健康促进的重要性,而分子生物学和基因测序技术的快速发展则进一步促进了对益生菌作用机制的深入认识,并为新益生菌的开发奠定了基础。益生菌及相关研究取得了技术上和观念上的突破,并受到全球高度关注。1999–2018年,全球共申请相关专利44 759件,专利申请数量呈现逐年稳步增长的趋势（图1）¹(由于专利公开和数据库收录的滞后性,2016–2018年的专利数量可能比实际数量少,相关数据仅供参考。)。在此期间,法国于2001年完成第一株乳酸乳球菌IL1403的全基因组测序,美国和欧盟于2008年相继启动人类微生物组计划和人类肠道宏基因组计划,旨在揭示疾病与人类微生物组变化之间的关系,引发又一轮人类微生物组研究浪潮。近年来,人们对益生菌作用的认识进一步深入,意识到益生菌是否能够发挥作用与个体特征有关,因而推进益生菌产品研发向个体化方向发展。

对1999–2018年全球益生菌领域专利申请数量前10的国家进行分析（图2）,中国共申请相关专利19 049件,位居全球第一位。从专利IPC分布分析发现,中国相关专利集中于益生菌在乳制品、食品、动物饲料、清洁产品中的单一/复配添加应用,在新型益生菌开发和原料制备工艺方面的专利布局较少（图3）,这也是造成中国缺少自主知识产权益生菌菌株,行业高度依赖国外进口这一现状的主要原因。从原国家卫生计生委发布的《可用于婴幼儿食品的菌种名单》可以看到,已批准使用的9种益生菌菌株全部来源于国外企业,可见益生菌菌株本土化是中国亟需解决的发展瓶颈。

1999–2018年,美国在益生菌领域共申请专利7 887件,位居全球第二位,相关专利在益生菌菌株遗传改造、分离、培养、保藏以及检测几个关键技术环节都有布局,而在应用方面,更加聚焦益生菌在医药制品开发中的应用（图3）。美国在益生菌领域的领先地位得益于其能够掌握并熟练运用益生菌行业链条各个关键环节的核心技术。同时,美国重视各种生态环境中微生物组的研究,相继启动了微生物基因组计划（1994年）、海洋微生物组计划（2004年）、人类微生物组计划（2007年）和国家微生物组计划（2016年）,为新型益生菌菌株的发现,以及微生物益生功能机制深度探究奠定了坚实的基础。

除了中国,专利申请数量排名前10位的还有另外两个亚洲国家,即韩国和日本,分别申请相关专利2 053件和1 483件,位居第三和第六位,两者在专利IPC分布上具有相似之处,重视益生菌分离、发酵培养、保藏工艺开发,这也与亚洲国家在微生物发酵研发领域具有悠久的研究历史和扎实的技术基础相关。

此外,法国、瑞士、意大利、德国、荷兰和英国六个欧洲国家专利申请数量也进入全球前10位,相关国家在益生菌领域都有突出的企业代表,例如法国达能、瑞士雀巢、意大利Probiotical SPA公司等,聚焦益生菌在医药制品、食品中的应用,同时在益生菌研发各个技术环节也有完整布局。

对1999–2018年全球益生菌领域专利申请机构进行分析（图4）,排名前20的机构主要集中在欧美地区,其中瑞士雀巢、法国达能、美国杜邦、美国美赞臣、丹麦科汉森位居前5位,这5家机构在益生菌原料供应和食品行业处于领先行列。瑞士雀巢在1999–2018年共申请益生菌相关专利3 109件,位居首位,该公司历来重视益生菌与人体健康相互作用的研究,研发重点在于益生菌菌株特性和作用机理探究,旨在开发相关营养食品以调节肠道微生物组成,进而起到改善健康的作用。近年来其产品研发范围进一步拓展,从营养食品向微生态药物延伸,自2012年开始,先后与和记黄埔医药、Seres Therapeutics、Enterome Bioscience等公司签订合作协议,聚焦靶向人体微生物组的药物开发,开启在医药健康领域的布局。

全球益生菌领域专利申请数量前20的机构中还包括2家日本机构和3家中国机构,分别是日本明治、森永乳业以及中国光明乳业、浙江劲膳美生物科技股份有限公司和江南大学。其中日本明治、日本森永乳业和中国光明乳业主要经营范围是乳制品,其专利主要涉及益生菌在酸奶、奶粉中的应用,浙江劲膳美生物科技股份有限公司主营特医配方食品,相关专利多为益生菌在特医配方食品中的添加应用。

对1999–2018年全球益生菌领域专利申请数量前20的机构在主要国家的专利布局进行分析（表2）,中国机构的国际化布局短板明显。3家中国机构仅有零星几件在美国和澳大利亚专利局申请的专利。与之对比,以雀巢、达能、杜邦为代表的欧美企业,和以明治、森永乳业等为代表的日本企业都展开了全球化布局。中国益生菌专利更多集中于简单地在各类产品中单一/复配添加益生菌,缺乏核心竞争力,这是其出现国际化布局短板现象的重要原因之一。

益生菌行业上游主要包括益生菌菌株开发、益生菌原料供应以及益生菌产品技术解决方案三大模块,其中在益生菌原料供应方面,行业呈现寡头垄断格局,基本由美国杜邦、丹麦科汉森主导。美国知名市场调研和咨询公司Grand View Research公司发布的报告显示,2018年全球益生菌原料供应市场规模为20.9亿美元^[2]。作为益生菌原料供应巨头,美国杜邦在益生菌功能研究、个体化产品研发方面处于世界领先地位,其独有的Enteromix仿生研究设备,能够模拟真实肠道系统,进行益生菌功效深入研究。同时,杜邦的FloraFIT^®和HOWARU^®系列产品,能够利用不同菌株或者组合解决不同的健康问题,实现针对不同人群需求的益生菌产品的个体化定制。丹麦科汉森具有悠久的菌种研究历史和丰富的菌种资源,质量安全是科汉森的核心价值观,其开发的动物双歧杆菌乳双歧亚种Chr. Hansen BB-12^®是世界上临床研究最为充分的双歧杆菌菌株,安全性获得全球多个国家认可。

从美国杜邦和丹麦科汉森专利IPC分布来看（图5）,两家企业在微生物遗传改造以及微生物分离、培养、保藏等技术上都有布局,且在益生菌应用方面覆盖医药制品、动物饲料、乳制品、食品等各个领域。值得注意的是,与美国杜邦在各个细分领域进行较为均衡的布局不同,丹麦科汉森着重于益生菌制备过程工艺开发以及益生菌在乳制品中的应用。

进一步对美国杜邦和丹麦科汉森专利的内容进行分析（表3）,可以看到,在新型菌株开发方面,菌株遗传改造是新型功能性益生菌菌株开发的主要途径,两家企业都通过遗传改造获得耐受性、活性更佳的益生菌菌株。在菌株活性储存技术方面,丹麦科汉森针对不同益生菌制剂形式（包括液体、干燥固体、单个颗粒等等）开发了不同的菌株活性储存方法,利用冷冻保护剂、冷冻干燥、喷雾冷冻等技术增强益生菌的储存稳定性。在益生菌应用方面,面向人类和动物两大群体,针对口腔、呼吸道、皮肤、泌尿系统、肠道等各个器官,两家企业提出了利用益生菌来预防和缓解包括牙菌斑、呼吸道疾病、皮肤病、泌尿系统疾病、胃肠道疾病、糖尿病、肥胖等一系列疾病的发生和发展的专利申请。美国杜邦和丹麦科汉森在技术和应用上的布局和创新造就了两家企业在益生菌原料供应行业始终处于引领地位,牢牢占领益生菌原料供应市场。

益生菌行业下游主要包括益生菌在食品和饮料、保健食品、药品、动物饲料、日化用品中的应用。其中,酸奶产品是益生菌下游应用中非常重要的一个细分领域。全球益生菌酸奶前10大品牌中,法国达能居于全球首位,其拥有Activia、Actimel及Stonyfield Farm三种酸奶产品,市场占有率高^[3]。中国光明乳业在国内自主品牌益生菌酸奶的开创上处于领先地位。在益生菌酸奶研发最初阶段,光明乳业选择与法国达能合作,推出达能碧优酸奶,该产品由达能提供品牌和配方,光明乳业负责生产。但伴随市场变化,双方于2007年终止了合作,这加速了光明乳业开拓自有品牌的脚步^[4]。光明乳业已通过菌株分离筛选、菌株遗传背景和作用机理研究、规模化发酵增殖探索,成功获得了可进入产业化应用的专利菌株“植物乳杆菌ST-Ⅲ”,并推出自有酸奶品牌“畅优”。光明乳业正在引领中国乳品企业逐步打破依赖国外进口菌种的限制,但生产规模、产品品种、产品质量与先进企业水平相比存在一定差距。

通过对法国达能和中国光明乳业专利的内容分析可以发现,法国达能专利覆盖益生菌行业全技术链条的布局,即涉及益生菌资源挖掘和功能研究、规模发酵技术、活性储存技术、创新产品研发各个环节（图6）。中国光明乳业专利则基本是益生菌应用产品开发,涉及其他环节的专利较少。进一步对法国达能和中国光明乳业益生菌应用方向相关专利进行分析,达能集中于对益生菌菌株益生功能的专利申请,例如：将嗜热链球菌菌株用于治疗幽门螺杆菌感染（US20150284675 A1）。光明乳业则聚焦对产品益生功能的专利申请,例如：一种能提高呼吸道免疫力的酸奶及其制备方法（CN106538686 A）。总体来看,达能专利技术布局的全面性使得其在全球酸奶市场始终处于领先地位。

近年来,肠道健康问题日益加剧,而益生菌对健康的调节作用获得全球共识,这些因素共同驱动益生菌行业快速发展。结合专利分析来看益生菌行业的整体发展趋势,可以发现,要在益生菌行业保持领先地位必须展开从益生菌菌株开发和功能挖掘到规模发酵培养和活性存储,再到创新产品研发完整技术链条的布局。就技术发展而言,随着分子生物学技术和组学技术的进步,研究人员在获得耐受性和活性更高的益生菌菌株的同时,进一步拓展了对已有益生菌功能和益生机制的认识。此外,以补料流加培养和微胶囊包埋技术为代表的高密度发酵培养和活性储存工艺已经获得广泛应用,为益生菌规模化生产奠定基础。从应用角度分析,益生菌在食品、动物饲料、医药制品、清洁洗涤产品中的应用为维护人类/动物健康提供了保障,而基于越来越多的微生物组与各种类型疾病关系的揭示,益生菌作用范围也在进一步拓宽。

中国虽然在益生菌专利申请数量上位居全球第一位,但在专利质量和转化应用方面与其他先进国家相比仍有较大差距。中国相关专利集中在益生菌在乳制品、食品、动物饲料、清洁产品中的单一/复配添加应用,在新型益生菌开发和原料制备工艺方面的专利布局较少。这造成了中国益生菌研发链中关键技术的缺失,以致企业多依赖益生菌菌株进口,可能面临巨大的知识产权风险。目前,以科拓恒通、东海药业、交大昂立、光明乳业、哇哈哈为代表的中国企业已经开始尝试自主知识产权菌株的研发及产业化推广,未来有望进一步打破依赖进口菌株的限制。