中國網/中國發展門戶網訊 隨著經濟發展和國民生涯程度不斷進步，動物產品的人均消費量逐年增添。2023年我國人均肉類、禽蛋、乳制品消費量分別為74.27 kg、25.24 kg、24.16 kg，由此導致2023年我國養殖業耗費487 Mt飼料；此中，卵白飼料（豆粕）耗費量為81.45 Mt，進口37.03 Mt，進口占比45.5%。隨著畜禽養殖業的疾速發展，飼料資源尤其是卵白飼料資源的嚴重缺乏，導致每年需求進口大批豆粕和魚粉等卵白飼料資源進行填補，使得我國豆粕對外依存度為80%以上，嚴重影響了畜禽養殖業的安康發展。是以，若何減少養殖行業對豆粕的應用，對保證養殖行業安康發展和國民生涯程度進步，具有主要意義。為此，2023年4月農業農村部啟動了《飼用豆粕減量替換三年行動計劃》，發展低卵白氨基酸均衡日糧技術，通過在飼糧中補充必須氨基酸，在確保畜禽正常生產機能的條件下，下降動物飼猜中卵白質程度。飼糧中補充必須氨基酸能的優點包含：進步飼料卵白轉化效力； 改良畜禽肉品質； 進步畜禽消化機能。假如畜禽日糧中依照必定比例添加一些小品種氨基酸，如L-色氨酸+L-纈氨酸+L-異亮氨酸+L-苯丙氨酸+L-組氨酸等，則能夠完整實現日糧中“無豆目標”。
飼猜中需求添加的氨基酸重要包含L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸、L-色氨酸、L-纈氨酸和其他小品種氨基酸（L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-組氨酸和L-亮氨酸）。今朝，除了DL-蛋氨酸生產方式以化學分解法為主，其他品種氨基酸均應用微生物發酵法生產。本文剖析了飼用氨基酸的國內外市場形勢，列舉了微生物制造氨基酸的主要技術進展，探討當前氨基酸生產中存在的重要問題，最后瞻望了微生物制造氨基酸的未來發展標的目的及解決計劃。
飼用氨基酸的市場需求與產能情況
隨著全球對高效動物飼養和畜產品質量的請求不斷進步，飼用氨基酸的應用領域不斷擴展，需求不斷增長，推動飼用氨基酸工業疾速發展。2023年全球飼用氨基酸（重要包含L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸、L-色氨酸，下同）總產量約615萬噸，同比增長2.0%，2016—2023年產量復合年均增長率（CAGR）為4.9%，市場規模達到121.8億美元。
我國是飼用氨基酸最年夜的生產和出口國，在市場競爭的推動下，供應端和應用市場的發展呈現出新的業態。L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸等大批氨基酸行業的格式持續優化，同時L-纈氨酸、L-色氨酸和L-精氨酸等小品種氨基酸的工藝不斷改進，產能也在穩步擴張。今朝，中國飼用氨基酸的年產量約為4.33 Mt，全球市場占比晉陞至70.4%，為全球畜產品生產供給了主要保證。2016—2023年，中國飼用氨基酸產量CAGR達到12.1%，高于全球的增長速率，市場規模已達到69.5億美元。此中，2023年L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸和L-色氨酸的產量分別為2.85 Mt、0.45 Mt、0.95 Mt和0.03 Mt，同比分別增長了10.7%、31.2%、7.1%和30.3%，其全球市場占比分別為81.6%、34.6%、94.7%和41.4%。中國氨基酸行業的集中度較高，重要生產商包含梅花生物、阜豐生物、星湖科技（伊品生物）和新和成等公司。
飼用氨基酸生產菌株研討進展
常用飼用氨基酸生產菌株
飼用氨基酸生產菌株重要是遺傳佈景清楚、生長敏捷的年夜腸桿菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）。隨著CRISPR/Cas9系統和堿基編輯器等基因編輯東西的疾速發展，可在E. coli和C. glutamicum基因組上進行特定基因精準編輯或年夜片斷基因組精簡，從而疾速獲得目標性狀的高產菌株，包含被歐盟授權允許在飼猜中應用的68株菌種：21株L-賴氨酸菌種、12株L-蘇氨酸菌種、11株L-纈氨酸菌種、7株L-精氨酸菌種、7株L-色氨酸菌種、6株L-組氨酸菌種、4株L-蛋氨酸菌株（圖1）。這些菌株顯著晉陞了氨基酸生產強度、產量和糖酸轉化率，為飼用氨基酸低本錢高效生產供給了新思緒。
氨基包養酸生產菌株的構建技術戰略
飼用氨基酸發酵常用的原料為淀粉水解液、甘蔗或甜菜制糖后的廢糖蜜等低價易得的糖質原料。在原料和工藝相對固定的情況下，氨基酸生產菌株機能的晉陞對下降生產本錢、進步產量具有主要的意義。高生產機能菌株的開發重要圍繞設計與重構原子經濟性高的氨基酸分解途徑、進步氨基酸分解途徑效力，以及進步菌株環境適應性3方面開展任務；所采用的重要技術戰略有4種。
代謝網絡程度的高效氨基酸分解途徑設計戰略。2024年12月，已構建完成了58個E. coli模子和6個C. glutamicum模子，結合代謝組、轉錄組等組學數據，解析氨基酸分解途徑的關鍵節點和變化規律。通過“元件—路徑—網絡—細胞”4個層級的模擬剖析，評估分解途徑對代謝流分布、能量均衡和細胞生長的影響，確定最優分解途徑和關鍵改革靶點，指導后續基因改革。
元件程度的酶改革與表達優化戰略。氨基酸分解路徑的關鍵酶存在反饋克制、催化效力低、酶活性調控掉衡等問題。結合計算生物學、結構生物學和卵白質工程包養網改革的技術方式，通過感性改革解除酶的反饋克制、增強酶催化活性、強化或許弱化目標酶的表達程度等進步氨基酸的分解效力。
途徑程度的碳流精準重構戰略。通過發展氨基酸代謝路徑精準調控新戰略，如基于轉運工程、空間工程和輔因子工程戰略，解決了氨基酸分解中底物運輸效力低、代謝物傳輸距離遠和代謝反應供能缺乏的問題；通過基因線路設計和卵白品貌精細調控，解決了混雜底物應用難、代謝自立調控少和多酶催化協同差的問題；基于轉錄調控設計和生物傳感器，解決了碳原子流掉導致產物得率低的問題，進步目標氨基酸產率。
細胞程度的環境抗逆強化戰略。發酵液中高濃度氨基酸會導致細胞膜效能受損，下降微生物生產機能。是以，需求在解析生產菌株與工業環境互作應答機制的基礎上，篩選高效抗逆元件，定向改革和工程化調控抗逆機能，從而構建環境耐受性好、生產強度高的生產菌株，解決氨基酸轉化率低和發酵周期長等個性問題。
創制飼用氨基酸的高機能生產菌株
DL-蛋氨酸，禽類、高產奶牛和魚類第一限制氨基酸、豬的第二限制性氨基酸。今朝，DL-蛋氨酸工業化生產重要采用丙烯醛法，分解過程會觸及丙烯醛、甲硫醇、氰化物等有毒物質，對生產過程中平安防護請求較高。L-蛋氨酸中含有巰基基團，使其代謝分解路徑較為復雜，限制了以生物質為原料直接發酵生產蛋氨酸的工業化應用。今朝，國內外重要采用2種技術路線：以基因工程改革的E. coli為菌種進行直接發酵。中國科學院微生物研討所溫廷益團隊以E. coli W3110為底盤，通過定點突變L-高絲氨酸O-琥珀酰基轉移酶（MetA）、過表達L-蛋氨酸結尾分解模塊、阻斷副產物L-異亮氨酸的分解路徑等方式構建了E. coli MET17，其L-蛋氨酸產量為21.28 g/L，生產強度為0.333 g/(L·h)，是今朝文獻報道的最高產量。應用“發酵—酶法”偶聯的方法。以葡萄糖為底物，發酵生產前體O-琥珀酰-L-高絲氨酸（OSH），進一個步驟在O-琥珀酰-L-高絲氨酸巰基轉移酶（MetZ）感化下與甲硫醇反應分解L-蛋氨酸。希杰公司于2015年在馬來西亞建成了世界首個年產80000 t的“發酵—酶催化”偶聯生產L-蛋氨酸工廠。鄭裕國院士團隊基于環境因子驅動的發酵過程調控與生物分解OSH強化技術，發酵60 h，OSH產量和轉化率分別達到125.07 g/L、0.62 g/g葡萄糖，該方式原子經濟性高、“三廢”排放少。此外，團隊基于序列—結構—效能的構效關系，創制了具有高活性、高穩定性、高耐受性的MetZ，能夠高效催化OSH向L-蛋氨酸的轉化。2024年7月，鄭裕國院士團隊與華恒生物合資的子公司恒裕生物聯合建成了國內首條年產3000 t的L-蛋氨酸中試生產線。
L-蘇氨酸，豬飼料的第二年夜限制性氨基酸、家禽飼料的第三年夜限制性氨基酸。在晉陞E. coli生產L-蘇氨酸生產機能方面，江南年夜學饒志明團隊協同輔因子工程、轉錄因子工程、底物應用工程等多模塊戰略顯著增添了菌株的L-蘇氨酸產量，工程菌株THRH16經過45 h的發酵，L-蘇氨酸的產量和轉化率分別達到了170.3 g/L、0.625 g/g葡萄糖。在C. glutamicum方面，天津工業生物技術研討所孫際賓團隊構建了C. glutamicum高質量基因過表達聚集，該聚集包括3049個菌株，覆蓋了99.7%的基因。應用這一聚集，進行了全基因組篩選，鑒定了4個新的L-蘇氨酸轉運卵白（Cgl2078、Cgl2286、Cgl2344和Cgl2656），并應用這些新發現的轉運卵白創制了高產L-蘇氨酸的C. glutamicum，發酵50 h，L-蘇氨酸產量75.1 g/L，轉化率為0.22 g/g葡萄糖，生產強度1.50 g/(L·h)。
L-色氨酸，屬于芬芳族氨基酸，是豬的第三年夜限制性氨基酸、水產動物的第五年夜限制性氨基酸。L-色氨酸的重要生產菌株為E. coli，分解遭到多種調控機制的影響，包含終產物L-色氨酸的反饋隔絕、反饋克制和弱化調節等。此外，L-色氨酸的分解不僅需求磷酸烯醇丙酮酸（PEP）和赤蘚糖-4-磷酸（E4P）作為前體物，還需L-絲氨酸和L-谷氨酰胺等其他前體物，這些前體物的協調供應觸及眾多代謝過程及多種代謝物調控。是以，L-色氨酸的發酵技術指標多年來難以衝破，產量普通在50—55 g/L，轉化率為0.20—0.22 g/g葡萄糖。江南年夜學劉立明團隊通過強化L-色氨酸分解路徑、敲除L-色氨酸轉錄克制基因和競爭路徑、促進L-色氨酸轉運、啟動子精細調控細胞內PEP和E4P比例、進步前體L-絲氨酸供應等戰略，獲得一株L-色氨酸高產菌株，產量和轉化率分別達到52.1 g/L和0.177 g/g葡萄糖。
L-纈氨酸，組成卵白質的3種支鏈氨基酸之一，在泌乳母豬飼糧中添加纈氨酸會影響母豬生產機能、泌乳機能及泌乳期仔豬的生長機能等。L-纈氨酸重要通過E. coli和C. glutamicum發酵生產。天津科技年夜學謝希賢團隊通過誘變和高通量篩選獲得積累L-纈氨酸的E. coli突變菌株，在此基礎上，通過改革生物分解途徑、轉運模塊、過表達轉錄因子PdhR和克制表達轉錄因子RpoS、增強NADPH供應等戰略，構建獲得菌株VAL38，發酵48 h，L-纈氨酸產量達到92.0 g/L，轉化率為0.34 g/g葡萄糖。在C. glutamicum方面，江南年夜學劉立明團包養行情隊以C. glutamicum FMME446為出發菌株通過強化前體丙酮酸供給、定點突變乙酰羥酸合酶、優化路徑關鍵酶表達程度、改變乙酰羥酸還原異構酶和支鏈氨基酸轉氨酶的輔因子偏好性等戰略構建了菌株C. glutamicum K020，在5 L發酵罐采用好氧-厭氧兩階段戰略，L-纈氨酸產量、轉化率和生產強度分別達到了110.0 g/L、0.51 g/g和2.29 g/(L·h)。
L-精氨酸，一種半必須氨基酸，用于進步動物的生長速率、增強免疫力、改良卵白質代謝和滋生才能。L-精氨酸的重要工業生產菌株為E. coli和C. glutamicum。天津科技年夜學謝希賢團隊以E. coli MG1655為底盤，通過重編程L-精氨酸分解通量、強化產物轉運和基于生物傳感器輔助的高通量篩選，獲得突變菌株，在5 L發酵罐中L-精氨酸產量和轉化率達到132.0 g/L和0.51 g/g。韓國Sang Yup Lee團隊在進步C. glutamicum ATCC 21831對L-精氨酸類似物耐受性的基礎上，通過往除精氨酸包養網操縱子的調節克制因子、優化NADPH程度、阻斷L-谷氨酸轉運、優化限速步驟通量等戰略，使L-精氨酸的產量和轉化率分別達到了92.5 g/L和0.40 g/g葡萄糖。
對于L-色氨酸、L-纈氨酸、L-精氨酸等小品種的氨基酸，由于工業菌株經濟機能指標低、生產工藝本錢較高，導致產品價格較高，限制了其作為飼料氨基酸配方的應用。
我國飼用氨基酸行業面臨的挑戰和瞻望
全鏈條焦點專利布局與保護
我國雖然是氨基酸生產年夜國，但并不是氨基酸生產技術強國。在“八五”“九五”期間，無錫輕工年夜學、天津輕工業學院、上海微生物研討所、上海天廚味精廠等單位的研討人員應用菌種篩選和誘變育種的方式，獲得了一批高生產機能菌種，實現了氨基酸的工業化生產，并將相關菌種出口到japan(日本)和韓國相關公司；但受限于見識，幾乎一切焦點菌種沒有進行知識產權保護。隨著DNA重組、代謝工程、基因組編輯等技術的疾速興起，國外氨基酸生產公司應用後期篩選或購置的底盤菌種進行代謝工程改革，獲得了一批生產機能顯著晉陞的生產菌種，并對整個構建過程中觸及的質粒、中性位點、關鍵酶及其來源、卵白質工程戰略和位點、生產菌株構建方式、生產菌株、發酵工藝和分離提取工藝進行了周全知識產權布局。以E. coli生產L-賴氨酸為例，japan(日本)味之素公司對重要代謝步驟進行了全方位的保護；而韓國希杰公司則對C. glutamicum生產L-賴氨酸的重要分解途徑、關鍵改革靶點等構成900多項全球專利布局。由于晚期菌種的原創改革，使得專利獲得授權的保護范圍極年夜，已有專利對目標產品關鍵酶元件、分解途徑、分歧路徑等都進行了全方位的保護，這對后來者開發晉陞相關菌種制造了極年夜的專利壁壘，侵略專利的風險顯著進步，衝破專利封鎖的空間進一個步驟被壓縮。除此之外，國外氨基酸生產公司根據產業和市場的特點進行了嚴密的專利布局，確保在生產國和銷售國（如中國和american）都有關鍵技術的專利申請，以充足維護本身的市場權益。
國內龍頭企業經歷屢次氨基酸知識產權訴訟后，意識到專利保護的主要性，紛紛加年夜研發投進，逐漸開發出具有自有知識產權氨基酸高產菌株。截至2024年11月，梅花生物、阜豐生物、伊品生物等公司申請專利均超過400件，此中發明專利占比75.0%。但所申請的專利重點布局在國內市場，國際市場布局較少。其緣由在于：我國是氨基酸的重要生產國和出口國，對菌株、生產工藝專利保護的目標重要集中在國內；所申請的專利技術原始創新性和前瞻性缺乏，因此無法通過技術上的優勢進進技術更優且專利保護更為成熟的歐美日韓市場。這就請求企業重視焦點技術的研發投進，同時重視專利的質量而非數量，申請高價值的發明專利，如伊品生物開發了一種應用弱化烏頭酸酶晉陞L-賴氨酸生產機能的方式，并對該技術進行了《專利一起配合條約》（PCT）專利申請。除了在國內同時在american、歐盟、japan(日本)、韓國、俄羅斯等地進行了專利布局，并獲得了授權。
基于多維組學數據的高產菌株創制
通過整合基因組學、轉錄組學、卵白質組學和代謝組學等多維組學技術，并結合人工智能方式，對組學數據進行剖析和優化，疾速識別和選擇具有生產特定性狀的基因，指導菌株的感性設計和改革。在此基礎上，發展高效基因編輯東西，加倍精準、高效地對目標基因或表型進行改革，極年夜地晉陞了菌種改革的勝利率。結合自動化、機器人操縱和人工智能，構建高通量篩選平臺，從大批菌株中疾速、準確地篩選出具有優異發酵機能的菌株。
非糧原料高效應用
今朝，由于飼用氨基酸高產菌株的生產原料是“糧食生物質”淀粉，年夜型發酵工廠凡是位于玉米資源豐富的新疆、內蒙古、吉林等地，耗費大批的淀粉資源，存在“與人爭糧，與糧爭地”等問題。是以，拓展非糧生物質為原料惹起了廣泛關注。未來的研討標的目的重要包含：以二氧化碳（CO2）為原料，借助電化學等方式，將CO2轉化為甲醇、甲酸或許乙酸，再在E .coli或許C. glutamicum中引進甲醇、甲酸或許乙酸應用途徑；在此基礎上，引進碳鏈延長途徑，獲得能應用甲醇、甲酸或許乙酸生產氨基酸的菌株。例如，韓國蔚山科技年夜學的Sunghoon Park傳授采用類似的方式，獲得了以乙酸為碳源生產44.1 g/L L-高絲氨酸和45.8 g/L L-蘇氨酸的E .coli。除此之外，江南年夜學劉立明團隊在E. coli中引進CO2固定途徑和開發仿生光反應系統，構建能直接捕獲光能和CO2的人工光合細胞。構建以生物柴油副產物甘油、木質纖維素水解液等工農業廢棄物為原料的飼用氨基酸生產菌株，不僅減少環境淨化，還能夠實現廢棄物的資源化應用。例如，研討人員應用分解生物學技術與代謝工程技術，對E. coli進行改革，實現了以甘油為底物生產L-色氨酸，產量達到12.5 g/L；以玉米秸稈水解液為底物生產L-賴氨酸，通過分批補料發酵產量達到46.32 g/L。
積極推動精準發酵技術
精準發酵技術具有菌種佈景簡單、目標產物相對可控、本錢和能耗下降和淨化下降等優點。精準發酵通過數據采集、數據傳輸、過程監測、數據剖析、過程優化和數據治理等步驟，實現發酵過程中數據采集、剖析和把持效能，能有用進步發酵工藝把持的智能化和自動化程度；并結合年夜數據剖析技術，深刻發掘發酵過程中隱躲的規律和優化潛力，為工藝改進供給數據支撐。通過發展先進的傳感器，實時在線采集發酵過程中溫度、pH值、溶氧量、營養物濃度、細胞生長、細胞形態、關鍵代謝物濃度等在線參數。然后，將這些參數通過有線或無線網絡傳輸到把持系統，再結合攝像頭和軟件實時監控發酵過程中的各項參數，確保生產過程在最優狀態下運行；當參數超越設定范圍時，系統會按請求發出警報（如聲光、電話、網絡等），并自動采取相應辦法。此外，借助年夜數據技術對分歧時期、分歧批次、分歧發酵罐所采集的數據進行存儲和治理，通過數據發掘技術發現隱躲的規律和趨勢，同時應用機器學習和深度學習算法對發酵過程進行建模和優化，進步預測和把持的準確性。借助比例—積分—微分（PID）反饋把持方式和先進的算法，實現復雜工況下工藝過程把持的自動化、智能化和柔性化，進步氨基酸發酵生產效力和生產穩定性，增強企業的盈利才能。
加強政策引導與市場培養
豆粕減量替換政策推動了飼用氨基酸產業鏈高低游的發展。但是，為了更周全地晉陞行業的持續性和穩定性，需進一個步驟拓寬氨基酸的應用領域，并晉陞其附加值。在此過程中，需求當局、企業及投資機構等多方面的支撐與投進，努力于構建一個集技術創新、結果轉化、人才培養等多效能于一體的綜合性創新服務系統，為行業的長遠發展供給堅實無力的支撐與保證。
瞻望
隨著系統代謝工程與分解生物學技術的迅猛進步，飼用氨基酸發酵產業迎來了新的發展機遇，也面臨著諸多挑戰。在市場競爭日益加劇的佈景下，擁有高效生產菌株與精準發酵技術已成為氨基酸企業在競爭中脫穎而出的關鍵要素。為應對這一形勢：當局層面，需采取多元化的戰略。科學制訂分解生物學領域的教導體系和人才培養計劃，積極搭建氨基酸技術開發創新平臺，加年夜科研經費投進力度，以充足激發科研人員的創新潛能，配合霸佔氨基酸生產領域中的焦點技術難題。企業層面，應積極晉陞本身的技術攻關才能。通過與科研院所緊密一起配合，樹立聯合實驗室或協同創新中間，集中優勢資源霸佔關鍵技術；同時，與高校或科研機構一起配合開展教導與培訓，培養一批具有強年夜工程開發才能的復合型人才。此外，企業還應重視專利布局與規劃，構成具有自立知識產權的焦點專利技術，從而在劇烈的市場競爭中占據有利位置。可以預見，隨著科研氣力的持續投進和各方配合盡力，氨基酸行業將迎來加倍蓬勃、安康的發展態勢。
（作者：劉佳、盛琦、劉開放、劉立明，江南年夜學生物工程學院。《中國科學院院刊》供稿）