中國網/中國成長門戶網訊 跟著經濟成長和國民生涯程度不竭進步，植物產物的人均花費量逐年增添。2023年我國人均肉類、禽蛋、乳制品花費量分辨為74.27 kg、25.24 kg、24.16 kg，由此招致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，入口37.03 Mt，入口占比45.5%。跟著畜禽養殖業的疾速成長，飼料資本尤其是卵白飼料資本的嚴重缺乏，招致每年需求入口大批豆粕和魚粉等卵白飼料資本停止彌補，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成長。是以，若何削減養殖行業對豆粕的應用，對保證養殖行業安康成長和國民生涯程度進步，具有主要意義。為此，2023年4月農業鄉村部啟動了《飼用豆粕減量替換三年舉動計劃》，成長低卵白氨基酸均衡日糧技巧，經由過程在飼糧中彌補必須氨基酸，在確保畜禽正常生孩子機能的條件下，下降植物飼猜中卵白質程度。飼糧中彌補必須氨基酸能的長處包含：進步飼料卵白轉化效力； 改良畜禽肉品德； 進步畜禽消化性能。假如畜禽日糧中依照必定比例添加一些小種類氨基酸，如L-色氨酸+L-纈氨酸+L-異亮氨酸+L-苯丙氨酸+L-組氨酸等，則可以或許完整完成日糧中“無豆目的”。
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-纈氨酸和其他小種類氨基酸（L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸、L-組氨酸和L-亮氨酸）。今朝，除了DL-蛋氨酸生孩子方式以化學分解法為主，其他種類氨基酸均應用微生物發酵法生孩子。本文剖析了飼用氨基酸的國際外市場情勢，羅列了微生物制造氨基酸的主要技巧停頓，切磋以後氨基酸生孩子中存在的重要題目，最后瞻望了微生物制造氨基酸的將來成長標的目的及處理計劃。
飼用氨基酸的市場需求與產能情形
跟著全球對高效植物豢養和畜產物東西的品質的請求不竭進步，飼用氨基酸的利用範疇不竭擴大，需求不竭增加，推進飼用氨基酸產業疾速成長。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，同比增加2.0%，2016—2023年產量復合年均增加率（CAGR）為4.9%，市場範圍到達121.8億美元。
我國事飼用氨基酸最年夜的生孩子和出口國，在市場競爭的推進下，供給端和利用市場的成長浮現出新的業態。L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸等大批氨基酸行業的格式連續優化，同時L-纈氨酸、L-色氨酸和L-精氨酸等小種類氨基酸的工藝精益求精，產能也在穩步擴大。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%，為全球畜產物生孩子供給了主要保證。2016—2023年，中國飼用氨基酸產量CAGR到達12.1%，高于全球的增加速率，市場範圍已到達69.5億美元。此中，2023年L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸和L-色氨酸的產量分辨為2.85 Mt、0.45 Mt、0.95 Mt和0.03 Mt，同比分辨增加了10.7%、31.2%、7.1%和30.3%，其全球市場占比分辨為81.6%、34.6%、94.7%和41.4%。中國氨基酸行業的集中度較高，重要生孩子商包含梅花生物、阜豐生物、星湖科技（伊品生物）和新和成等公司。
飼用氨基酸生孩子菌株研討停頓
常用飼用氨基酸生孩子菌株
飼用氨基酸生孩子菌株重要是遺傳佈景清楚、發展敏捷的年夜腸桿菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）。跟著CRISPR/Cas9體系和堿基編纂器等基因編纂東西的疾速成長，可在E. coli和C. glutamicum基因組長進行特定基因精準編纂或年夜片斷基因組精簡，從而疾速取得目的性狀的高產菌株，包含被歐盟受權答應在飼猜中應用的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）。這些菌株明顯晉陞了氨基酸生孩子強度、產量和糖酸轉化率，為飼用氨基酸低本錢高效生孩子供給了新思緒。
氨基酸生孩子菌株的構建技巧戰略
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。在原料和工藝絕對固定的情形下，氨基酸生孩子菌株機能的晉陞對下降生孩子本錢、進步產量具有主要的意義。高生孩子機能菌株的開闢重要繚繞design與重構原子經濟性高的氨基酸分解道路、進步氨基酸分解道路效力，以及進步菌株周遭的狀況順應性3方面展開任務；所采用的重要技巧戰略有4種。
代謝收集程度的高效氨基酸分解道路design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，聯合代謝組、轉錄組等組學數據，解析氨基酸分解道路的要害節點和變更紀律。經由過程“元件—途徑—收集—細胞”4個層級的模仿剖析，評價分解道路對代謝流分布、能量均衡和細胞發展的影響，斷定最優分解道路和要害改革靶點，領導后續基因改革。
元件程度的酶改革與表達優化戰略。氨基酸分解途徑的要害酶存在反應克制、催化效力低、酶活性調控掉衡等題目。聯合盤算生物學、構造生物學和卵白質工程改革的技巧方式，經由過程感性改革解除酶的反應克制、加強酶催化活性、強化或許弱化目的酶的表達程度等進步氨基酸的分解效力。
道路程度的碳流精準重構戰略。經由過程成長氨基酸代謝途徑精準調控新戰略，如基于轉運工程、空間工程和輔因子包養工程戰略，處理了氨基酸分解中底物運輸效力低、代謝物傳輸間隔遠和代謝反映供能缺乏的題目；經由過程基因線路design和卵白豐度精緻調控，處理了混雜底物應用難、代謝自立調控少和多酶催化協同差的題目；基于轉錄調控design和生物傳感器，處理了碳原子流掉招致產品得率低的題目，進步目的氨基酸產率。
細胞程度的周遭的狀況抗逆強化戰略。發酵液中高濃度氨基酸會招致細胞膜效能受損，下降微生物生孩子機能。是以，需求在解析生孩子菌株與產業周遭的狀況互作應對機制的基本上，挑選高效抗逆元件，定向改革和工程化調控抗逆機能，從而構建周遭的狀況耐受性好、生孩子強度高的生孩子菌株，處理氨基酸轉化率低和發酵周期長等個性題目。
創制飼用氨基酸的高機能生孩子菌株
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-蛋氨酸產業化生孩子重要采用丙烯醛法，分解經過歷程會觸及丙烯醛、甲硫醇、氰化物等有毒物資，對生孩子經過歷程中平安防護請求較高。L-蛋氨酸中含有巰基基團，使其代謝分解途徑較為復雜，限制了以生物資為原料直接發酵生孩子蛋氨酸的產業化利用。今朝，國際外重要采用2種技巧道路：以基因工程改革的E. coli為菌種停止直接發酵。中國迷信院微生物研討所溫廷益團隊以E. coli W3110為底盤，經由過程定點漸變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、阻斷副包養網產品L-異亮氨酸的分解途徑等方式構建了E. coli MET17，其L-蛋氨酸產量為21.28 g/L，生孩子強度為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，發酵生孩子前體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）感化下與甲硫醇反映分解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”偶聯生孩子L-蛋氨酸工場。鄭裕國院士團隊基于周遭的狀況因子驅動的發酵經過歷程調控與生物分解OSH強化技巧，發酵60 h，OSH產量和轉化率分辨到達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—構造—效能的構效關系，創制了具有高活性、高穩固性、高耐受性的MetZ，可以或許高效催化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夥的子公司恒裕生物結合建成了國際首條年產3000 t的L-蛋氨酸中試生孩子線。
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生孩子L-蘇氨酸生孩子機能方面，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明顯增添了菌株的L-蘇氨酸產量，工程菌株THRH16顛末45 h的發酵，L-蘇氨酸的產量和轉化率分辨到達了170.3 g/L、0.625 g/g葡萄糖。在C. glutamicum方面，天津產業生物技巧研討所孫際賓團隊構建了C. glutamicum高東西的品質基因過表達聚集，該聚集包括3049個菌株，籠罩了99.7%的基因。應用這一聚集，停止了全基因組挑選，判定了4個新的L-蘇氨酸轉運卵白（Cgl2078、Cgl2286、Cgl2344和Cgl2656），并應用這些新發明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，生孩子強度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、水產植物的第五年夜限制性氨基酸。L-色氨酸的重要生孩子菌株為E. coli，分解遭到多種調控機制的影響，包含終產品L-色氨酸的反應隔絕、反應克制和弱化調理等。此外，L-色氨酸的分解不只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，這些前體物的和諧供給觸及浩繁代謝經過歷程及多種代謝物調控。是以，L-色氨酸的發酵技巧目標多年來難以衝破，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經由過程強化L-色氨酸分解途徑、敲除L-色氨酸轉錄克制基因和競爭途徑、增進L-色氨酸轉運、啟動子精緻調控細胞內PEP和E4P比例、進步前體L-絲氨酸供給等戰略，取得一株L-色氨酸高產菌株，產量和轉化率分辨到達52.1 g/L和0.177 g/g葡萄糖。
L-纈氨酸，構成卵白質的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孩子機能、泌乳機能及泌乳期仔豬的發展機能等。L-纈氨酸重要經由過程E. coli和C. glutamicum發酵生孩子。天津科技年夜學謝希賢團隊經由過程誘變和高通量挑選取得積聚L-纈氨酸的E. coli漸變菌株，在此基本上，經由過程改革生物分解道路、轉運模塊包養網價錢、過表達轉錄因子PdhR和克制表達轉錄因子RpoS、加強NADPH供給等戰略，構建取得菌株VAL38，發酵48 h，L-纈氨酸產量到達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隊以C. glutamicum FMME446為動身菌株經由過程強化前體丙酮酸供應、定點漸變乙酰羥酸合酶、優化途徑要害酶表達程度、轉變乙酰羥酸復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、轉化率和生孩子強度分辨到達了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，用于進步植物的發展速率、加強免疫力、改良卵白質代謝和滋生才能。L-精氨酸的重要產業生孩子菌株為E. coli和C. glutamicum。天津科技年夜學謝希賢團隊以E. coli MG1655為底盤，經由過程重編程L-精氨酸分解通量、強化產品轉運和基于生物傳感器幫助的高通量挑選，取得漸變菌株，在5 L發酵罐中L-精氨酸產量和轉化率到達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-精氨酸相似物耐受性的基本上，經由過程往除精氨酸把持子的調理克制因子、優化NADPH程度、阻斷L-谷氨酸轉運、優化限速步調通量等戰略，使L-精氨酸的產量和轉化率分辨到達了92.5 g/L和0.40 g/g葡萄糖。
對于L-色氨酸、L-纈氨酸、L-精氨酸等小種類的氨基酸，由于產業菌株經濟機能目標低、生孩子工藝本錢較高，招致產物價錢較高，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對的挑釁和瞻望
全鏈條焦點專利布局與維護
我國固然是氨基酸生孩子年夜國，但并不是氨基酸生孩子技巧強國。在“八五”“九五”時代，無錫輕工年夜學、天津輕產業學院、上海微生物研討所、上海天廚味精廠等單元的研討職員應用菌種挑選和誘變育種的方式，取得了一批高生孩子機能菌種，完成了氨基酸的產業化生孩子，并將相干菌種出口到japan(日本)和韓國相干公司；但受限于見識，簡直一切焦點菌種沒有停止常識產權維護。跟著DNA重組、代謝工程、基因組編纂等技巧的疾速鼓起，國外氨基酸生孩子公司應用後期挑選或購買的底盤菌種停止代謝工程改革，取得了一批生孩子機能明顯晉陞的生孩子菌種，并對全部構建經過歷程中觸及的質粒、中性位點、要害酶及其起源、卵白質工程戰略和位點、生孩子菌株構建方式、生孩子菌株、發酵工藝和分別提取工藝停止了周全常識產權布局。以E. coli生孩子L-賴氨酸為例，japan(日本)味之素公司對重要代謝步調停止了全方位的維護；而韓國希杰公司則對C. glutamicum生孩子L-賴氨酸的重要分解道路、要害改革靶點等構成900多項全球專利布局。由于晚期菌種的原創改革，使得專利取得受權的維護范圍極年夜，已有專利對目的產物要害酶元件、分解道路、分歧路徑等都停止了全方位的維護，這對后來者開闢晉陞相干菌種制造了極年夜的專利壁壘，侵略專利的風險明顯進步，衝破專利封閉的空間進一個步驟被緊縮。除此之外，國外氨基酸生孩子公司依據財產和市場的特色停止了周密的專利布局，確保在生孩子國和發賣國（如中國和美國）都有要害技巧的專利請求，以充足保護本身的市場權益。
國際龍頭企業經過的事況屢次氨基酸常識產權訴訟后，認識到專利維護的主要性，紛紜加年夜研發投進，逐步開闢出具有自有常識產權氨基酸高產菌株。截至2024年11月，梅花生物、阜豐生物、伊品生物等公司請求專利均跨越400件，此中發現專利占比75.0%。但所請求的專利重點布局在國際市場，國際市場布局較少。其緣由在于：我國事氨基酸的重要生孩子國和出口國，對菌株、生孩子工藝專利維護的目的重要集中在國際；所請求的專利技巧原始立異性和前瞻性缺乏，因此無法經由過程技巧上的上風進進技巧更優且專利維護更為成熟的歐美日韓市場。這就請求企業器重焦點技巧的研發投進，同時重視專利的東西的品質而非多少數字，請求低價值的發現專利，如伊品生物開闢了一種應用弱化烏頭酸酶晉陞L-賴氨酸生孩子機能的方式，并對該技巧停止了《專利一起配合公約》（PCT）專利請求。除了在國際同時在美國、歐盟、japan(日本)、韓國、俄羅斯等地停止了專利布局，并取得了受權。
基于多維組學數據的高產菌株創制
經由過程整合基因組學、轉錄組學、卵白質組學和代謝組學等多維組學技巧，并聯合人工智能方式，對組學數據停止剖析和優化，疾速辨認和選擇具有生孩子特定性狀的基因，領導菌株的感性design和改革。在此基本上，成長高效基因編纂東西，加倍精準、高效地對目的基因或表型停止改革，極年夜地晉陞了菌種改革的勝利率。聯合主動化、機械人操縱和人工智能，構建高通量挑選平臺，從大批菌株中疾速、正確地挑選出具有優良發酵機能的菌株。
非糧原料高效應用
今朝，由于飼用氨基酸高產菌株的生孩子原料是“食糧生物資”淀粉，年夜型發酵工場凡是位于玉米資本豐盛的新疆、內蒙古、吉林等地，耗費大批的淀粉資本，存在“與人爭糧，與糧爭地”等題目。是以，拓展非糧生物資為原料惹起了普遍追蹤關心。將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、甲酸或許乙酸應用道路；在此基本上，引進碳鏈延伸道路，取得能應用甲醇、甲酸或許乙酸生孩子氨基酸的菌株。例如，韓國蔚山科技年夜學的Sunghoon Park傳授采用相似的方式，取得了以乙酸為碳源生孩子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固定道路和開闢仿生光反映體系，構建能直接捕捉光能和CO2的人工光合細胞。構建以生物柴油副產品甘油、木質纖維素水解液等工農業放棄物為原料的飼用氨基酸生孩子菌株，不只削減周遭的狀況淨化，還可以或許完成放棄物的資本化應用。例如，研討職員應用分解生物學技巧與代謝工程技巧，對E. coli停止改革，完成了以甘油為底物生孩子L-色氨酸，產量到達12.5 g/L；以玉米秸稈水解液為底物生孩子L-賴氨酸，經由過程分批補料發酵產量到達46.32 g/L。
積極推進精準發酵技巧
精準發酵技巧具有菌種佈景簡略、目的產品絕對可控、本錢和能耗下降和淨化下降等長處。精準發酵經由過程數據采集、數據傳輸、過包養網比擬程監測、數據剖析、經過歷程優化和數據治理等步調，完成發酵經過歷程中數據采集、剖析和把持效能，能有用進步發酵工藝把持的智能化和主動化程度；并聯合年夜數據剖析技巧，深刻發掘發酵經過歷程中暗藏的紀律和優化潛力，為工藝改良供給數據支撐。經由過程成長進步前輩的傳感器，及時在線采集發酵經過歷程中溫度、pH值、溶氧量、養分物濃度、細胞發展、細胞形狀、要害代謝物濃度等在線參數。然后，將這些參數經由過程有線或無線收集傳輸到把持體系，再聯合攝像頭和軟件及時監控發酵經過歷程中的各項參數，確保生孩子經過歷程在最優狀況下運轉；當參數超越設定范圍時，體系會按請求收回警報（如聲光、德律風、收集等），并主動采取響應辦法。此外，借助年夜數據技巧對分歧時代、分歧批次、分歧發酵罐所采集的數據停止存儲和治理，經由過程數據發掘技巧發明暗藏的紀律和趨向，同時應用機械進修和深度進修算法對發酵經過歷程停止建模和優化，進步猜測和把持的正確性。借助比例—積分—微分（PID）反應把持方式和進步前輩的算法，完成復雜工況下工藝經過歷程把持的主動化、智能化和柔性化，進步氨基酸發酵生孩子效力和生孩子穩固性，加強企業的盈利才能。
加大力度政策領導與市場培養
豆粕減量替換政策推進了飼用氨基酸財產鏈高低游的成長。但是，為了更周全地晉陞行業的連續性和穩固性，需進一個步驟拓寬氨基酸的利用範疇，并晉陞其附加值。在此經過歷程中，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巧立異、結果轉化、人才培育等多效能于一體的綜合性立異辦事體系，為行業的久遠成長供給堅實無力的支持與保證。
瞻望
跟著體系代謝工程與分解生物學技巧的迅大進步，飼用氨基酸發酵財產迎來了新的成長機會，也面對著諸多挑釁。在市場競爭日益加劇的佈景下，擁有高效生孩子菌株與精準發酵技巧已成為氨基酸企業在競爭中鋒芒畢露的要害要素。為應對這一情勢：當局層面，需采取多元化的戰略。迷信制訂分解生物學範疇的教導系統和人才培育打算，積極搭建氨基酸技巧開闢立異平臺，加年夜科研經費投進力度，以充足激起科研職員的立異潛能，配合霸佔氨基酸生孩子範疇中的焦點技巧困難。企業層面，應積極晉陞自包養網身的技巧攻關才能。經由過程與科研院所合作無懈，樹立結合試驗室或協同立異中間，集中上風資本霸佔要害技巧；同時，與高校或科研機構一起配合展開教導與培訓，培育一批具有強盛工程開闢才能的復合型人才。此外，企業還應器重專利布局與計劃，構成具有自立常識產權的焦點專利技巧，從而在劇烈的市場競爭中占佔有利位置。可以預感，跟著科研氣力的連續投進和各方配合盡力，氨基酸行業將迎來加倍蓬勃、安康的成長態勢。
（作者：劉佳、盛琦、劉開放、劉立明，江南年夜先生物工程學院。《中國迷信院院刊》供稿）