中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，動物產(chǎn)品的人均消費(fèi)量逐年增加。2023年我國人均肉類、禽蛋、乳制品消費(fèi)量分別為74.27 kg、25.24 kg、24.16 kg，由此導(dǎo)致2023年我國養(yǎng)殖業(yè)消耗487 Mt飼料；其中，蛋白飼料（豆粕）消耗量為81.45 Mt，進(jìn)口37.03 Mt，進(jìn)口占比45.5%。隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，飼料資源尤其是蛋白飼料資源的嚴(yán)重短缺，導(dǎo)致每年需要進(jìn)口大量豆粕和魚粉等蛋白飼料資源進(jìn)行填補(bǔ)，使得我國豆粕對外依存度為80%以上，嚴(yán)重影響了畜禽養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展。因此，如何減少養(yǎng)殖行業(yè)對豆粕的使用，對保障養(yǎng)殖行業(yè)健康發(fā)展和人民生活水平提高，具有重要意義。為此，2023年4月農(nóng)業(yè)農(nóng)村部啟動了《飼用豆粕減量替代三年行動方案》，發(fā)展低蛋白氨基酸平衡日糧技術(shù)，通過在飼糧中補(bǔ)充必需氨基酸，在確保畜禽正常生產(chǎn)性能的前提下，降低動物飼料中蛋白質(zhì)水平。飼糧中補(bǔ)充必需氨基酸能的優(yōu)點(diǎn)包括：提高飼料蛋白轉(zhuǎn)化效率； 改善畜禽肉品質(zhì)； 提高畜禽消化機(jī)能。如果畜禽日糧中按照一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，則能夠完全實(shí)現(xiàn)日糧中“無豆目標(biāo)”。

飼料中需要添加的氨基酸主要包括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）。目前，除了DL-蛋氨酸生產(chǎn)方法以化學(xué)合成法為主，其他品種氨基酸均使用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)。本文分析了飼用氨基酸的國內(nèi)外市場形勢，列舉了微生物制造氨基酸的重要技術(shù)進(jìn)展，探討當(dāng)前氨基酸生產(chǎn)中存在的主要問題，最后展望了微生物制造氨基酸的未來發(fā)展方向及解決方案。

飼用氨基酸的市場需求與產(chǎn)能情況

隨著全球?qū)Ω咝游镲曫B(yǎng)和畜產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，飼用氨基酸的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，需求不斷增長，推動飼用氨基酸工業(yè)快速發(fā)展。2023年全球飼用氨基酸（主要包括L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸、L-色氨酸，下同）總產(chǎn)量約615萬噸，同比增長2.0%，2016—2023年產(chǎn)量復(fù)合年均增長率（CAGR）為4.9%，市場規(guī)模達(dá)到121.8億美元。

我國是飼用氨基酸最大的生產(chǎn)和出口國，在市場競爭的推動下，供應(yīng)端和應(yīng)用市場的發(fā)展呈現(xiàn)出新的業(yè)態(tài)。L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸等大宗氨基酸行業(yè)的格局持續(xù)優(yōu)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(jìn)，產(chǎn)能也在穩(wěn)步擴(kuò)張。目前，中國飼用氨基酸的年產(chǎn)量約為4.33 Mt，全球市場占比提升至70.4%，為全球畜產(chǎn)品生產(chǎn)提供了重要保障。2016—2023年，中國飼用氨基酸產(chǎn)量CAGR達(dá)到12.1%，高于全球的增長速度，市場規(guī)模已達(dá)到69.5億美元。其中，2023年L-賴氨酸、DL-蛋氨酸、L-蘇氨酸和L-色氨酸的產(chǎn)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(yè)的集中度較高，主要生產(chǎn)商包括梅花生物、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(chǎn)菌株研究進(jìn)展

常用飼用氨基酸生產(chǎn)菌株

飼用氨基酸生產(chǎn)菌株主要是遺傳背景清晰、生長迅速的大腸桿菌（Escherichia coli）和谷氨酸棒桿菌（Corynebacterium glutamicum）。隨著CRISPR/Cas9系統(tǒng)和堿基編輯器等基因編輯工具的快速發(fā)展，可在E. coli和C. glutamicum基因組上進(jìn)行特定基因精準(zhǔn)編輯或大片段基因組精簡，從而快速獲得目標(biāo)性狀的高產(chǎn)菌株，包括被歐盟授權(quán)允許在飼料中使用的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）。這些菌株顯著提升了氨基酸生產(chǎn)強(qiáng)度、產(chǎn)量和糖酸轉(zhuǎn)化率，為飼用氨基酸低成本高效生產(chǎn)提供了新思路。

氨基酸生產(chǎn)菌株的構(gòu)建技術(shù)策略

飼用氨基酸發(fā)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(zhì)原料。在原料和工藝相對固定的情況下，氨基酸生產(chǎn)菌株性能的提升對降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量具有重要的意義。高生產(chǎn)性能菌株的開發(fā)主要圍繞設(shè)計(jì)與重構(gòu)原子經(jīng)濟(jì)性高的氨基酸合成途徑、提高氨基酸合成途徑效率，以及提高菌株環(huán)境適應(yīng)性3方面開展工作；所采用的主要技術(shù)策略有4種。

代謝網(wǎng)絡(luò)水平的高效氨基酸合成途徑設(shè)計(jì)策略。2024年12月，已構(gòu)建完成了58個E. coli模型和6個C. glutamicum模型，結(jié)合代謝組、轉(zhuǎn)錄組等組學(xué)數(shù)據(jù)，解析氨基酸合成途徑的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和變化規(guī)律。通過“元件—路徑—網(wǎng)絡(luò)—細(xì)胞”4個層級的模擬分析，評估合成途徑對代謝流分布、能量平衡和細(xì)胞生長的影響，確定最優(yōu)合成途徑和關(guān)鍵改造靶點(diǎn)，指導(dǎo)后續(xù)基因改造。

元件水平的酶改造與表達(dá)優(yōu)化策略。氨基酸合成路徑的關(guān)鍵酶存在反饋抑制、催化效率低、酶活性調(diào)控失衡等問題。結(jié)合計(jì)算生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和蛋白質(zhì)工程改造的技術(shù)方法，通過理性改造解除酶的反饋抑制、增強(qiáng)酶催化活性、強(qiáng)化或者弱化目標(biāo)酶的表達(dá)水平等提高氨基酸的合成效率。

途徑水平的碳流精準(zhǔn)重構(gòu)策略。通過發(fā)展氨基酸代謝路徑精準(zhǔn)調(diào)控新策略，如基于轉(zhuǎn)運(yùn)工程、空間工程和輔因子工程策略，解決了氨基酸合成中底物運(yùn)輸效率低、代謝物傳輸距離遠(yuǎn)和代謝反應(yīng)供能不足的問題；通過基因線路設(shè)計(jì)和蛋白豐度精細(xì)調(diào)控，解決了混合底物利用難、代謝自主調(diào)控少和多酶催化協(xié)同差的問題；基于轉(zhuǎn)錄調(diào)控設(shè)計(jì)和生物傳感器，解決了碳原子流失導(dǎo)致產(chǎn)物得率低的問題，提高目標(biāo)氨基酸產(chǎn)率。

細(xì)胞水平的環(huán)境抗逆強(qiáng)化策略。發(fā)酵液中高濃度氨基酸會導(dǎo)致細(xì)胞膜功能受損，降低微生物生產(chǎn)性能。因此，需要在解析生產(chǎn)菌株與工業(yè)環(huán)境互作應(yīng)答機(jī)制的基礎(chǔ)上，篩選高效抗逆元件，定向改造和工程化調(diào)控抗逆性能，從而構(gòu)建環(huán)境耐受性好、生產(chǎn)強(qiáng)度高的生產(chǎn)菌株，解決氨基酸轉(zhuǎn)化率低和發(fā)酵周期長等共性問題。

創(chuàng)制飼用氨基酸的高性能生產(chǎn)菌株

DL-蛋氨酸，禽類、高產(chǎn)奶牛和魚類第一限制氨基酸、豬的第二限制性氨基酸。目前，DL-蛋氨酸工業(yè)化生產(chǎn)主要采用丙烯醛法，合成過程會涉及丙烯醛、甲硫醇、氰化物等有毒物質(zhì)，對生產(chǎn)過程中安全防護(hù)要求較高。L-蛋氨酸中含有巰基基團(tuán)，使其代謝合成路徑較為復(fù)雜，限制了以生物質(zhì)為原料直接發(fā)酵生產(chǎn)蛋氨酸的工業(yè)化應(yīng)用。目前，國內(nèi)外主要采用2種技術(shù)路線：以基因工程改造的E. coli為菌種進(jìn)行直接發(fā)酵。中國科學(xué)院微生物研究所溫廷益團(tuán)隊(duì)以E. coli W3110為底盤，通過定點(diǎn)突變L-高絲氨酸O-琥珀酰基轉(zhuǎn)移酶（MetA）、過表達(dá)L-蛋氨酸末端合成模塊、阻斷副產(chǎn)物L(fēng)-異亮氨酸的合成路徑等方法構(gòu)建了E. coli MET17，其L-蛋氨酸產(chǎn)量為21.28 g/L，生產(chǎn)強(qiáng)度為0.333 g/(L·h)，是目前文獻(xiàn)報道的最高產(chǎn)量。利用“發(fā)酵—酶法”偶聯(lián)的方式。以葡萄糖為底物，發(fā)酵生產(chǎn)前體O-琥珀酰-L-高絲氨酸（OSH），進(jìn)一步在O-琥珀酰-L-高絲氨酸巰基轉(zhuǎn)移酶（MetZ）作用下與甲硫醇反應(yīng)合成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(chǎn)80000 t的“發(fā)酵—酶催化”偶聯(lián)生產(chǎn)L-蛋氨酸工廠。鄭裕國院士團(tuán)隊(duì)基于環(huán)境因子驅(qū)動的發(fā)酵過程調(diào)控與生物合成OSH強(qiáng)化技術(shù)，發(fā)酵60 h，OSH產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到125.07 g/L、0.62 g/g葡萄糖，該方法原子經(jīng)濟(jì)性高、“三廢”排放少。此外，團(tuán)隊(duì)基于序列—結(jié)構(gòu)—功能的構(gòu)效關(guān)系，創(chuàng)制了具有高活性、高穩(wěn)定性、高耐受性的MetZ，能夠高效催化OSH向L-蛋氨酸的轉(zhuǎn)化。2024年7月，鄭裕國院士團(tuán)隊(duì)與華恒生物合資的子公司恒裕生物聯(lián)合建成了國內(nèi)首條年產(chǎn)3000 t的L-蛋氨酸中試生產(chǎn)線。

L-蘇氨酸，豬飼料的第二大限制性氨基酸、家禽飼料的第三大限制性氨基酸。在提升E. coli生產(chǎn)L-蘇氨酸生產(chǎn)性能方面，江南大學(xué)饒志明團(tuán)隊(duì)協(xié)同輔因子工程、轉(zhuǎn)錄因子工程、底物利用工程等多模塊策略顯著增加了菌株的L-蘇氨酸產(chǎn)量，工程菌株THRH16經(jīng)過45 h的發(fā)酵，L-蘇氨酸的產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到了170.3 g/L、0.625 g/g葡萄糖。在C. glutamicum方面，天津工業(yè)生物技術(shù)研究所孫際賓團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了C. glutamicum高質(zhì)量基因過表達(dá)集合，該集合包含3049個菌株，覆蓋了99.7%的基因。利用這一集合，進(jìn)行了全基因組篩選，鑒定了4個新的L-蘇氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Cgl2078、Cgl2286、Cgl2344和Cgl2656），并利用這些新發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白創(chuàng)制了高產(chǎn)L-蘇氨酸的C. glutamicum，發(fā)酵50 h，L-蘇氨酸產(chǎn)量75.1 g/L，轉(zhuǎn)化率為0.22 g/g葡萄糖，生產(chǎn)強(qiáng)度1.50 g/(L·h)。

L-色氨酸，屬于芳香族氨基酸，是豬的第三大限制性氨基酸、水產(chǎn)動物的第五大限制性氨基酸。L-色氨酸的主要生產(chǎn)菌株為E. coli，合成受到多種調(diào)控機(jī)制的影響，包括終產(chǎn)物L(fēng)-色氨酸的反饋?zhàn)瓒簟⒎答佉种坪腿趸{(diào)節(jié)等。此外，L-色氨酸的合成不僅需要磷酸烯醇丙酮酸（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(xié)調(diào)供應(yīng)涉及眾多代謝過程及多種代謝物調(diào)控。因此，L-色氨酸的發(fā)酵技術(shù)指標(biāo)多年來難以突破，產(chǎn)量一般在50—55 g/L，轉(zhuǎn)化率為0.20—0.22 g/g葡萄糖。江南大學(xué)劉立明團(tuán)隊(duì)通過強(qiáng)化L-色氨酸合成路徑、敲除L-色氨酸轉(zhuǎn)錄抑制基因和競爭路徑、促進(jìn)L-色氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)、啟動子精細(xì)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)PEP和E4P比例、提高前體L-絲氨酸供應(yīng)等策略，獲得一株L-色氨酸高產(chǎn)菌株，產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到52.1 g/L和0.177 g/g葡萄糖。

L-纈氨酸，組成蛋白質(zhì)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(chǎn)性能、泌乳性能及泌乳期仔豬的生長性能等。L-纈氨酸主要通過E. coli和C. glutamicum發(fā)酵生產(chǎn)。天津科技大學(xué)謝希賢團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上，通過改造生物合成途徑、轉(zhuǎn)運(yùn)模塊、過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子PdhR和抑制表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子RpoS、增強(qiáng)NADPH供應(yīng)等策略，構(gòu)建獲得菌株VAL38，發(fā)酵48 h，L-纈氨酸產(chǎn)量達(dá)到92.0 g/L，轉(zhuǎn)化率為0.34 g/g葡萄糖。在C. glutamicum方面，江南大學(xué)劉立明團(tuán)隊(duì)以C. glutamicum FMME446為出發(fā)菌株通過強(qiáng)化前體丙酮酸供給、定點(diǎn)突變乙酰羥酸合酶、優(yōu)化路徑關(guān)鍵酶表達(dá)水平、改變乙酰羥酸還原異構(gòu)酶和支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶的輔因子偏好性等策略構(gòu)建了菌株C. glutamicum K020，在5 L發(fā)酵罐采用好氧-厭氧兩階段策略，L-纈氨酸產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)強(qiáng)度分別達(dá)到了110.0 g/L、0.51 g/g和2.29 g/(L·h)。

L-精氨酸，一種半必需氨基酸，用于提高動物的生長速度、增強(qiáng)免疫力、改善蛋白質(zhì)代謝和繁殖能力。L-精氨酸的主要工業(yè)生產(chǎn)菌株為E. coli和C. glutamicum。天津科技大學(xué)謝希賢團(tuán)隊(duì)以E. coli MG1655為底盤，通過重編程L-精氨酸合成通量、強(qiáng)化產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)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(fā)酵罐中L-精氨酸產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率達(dá)到132.0 g/L和0.51 g/g。韓國Sang Yup Lee團(tuán)隊(duì)在提高C. glutamicum ATCC 21831對L-精氨酸類似物耐受性的基礎(chǔ)上，通過去除精氨酸操縱子的調(diào)節(jié)抑制因子、優(yōu)化NADPH水平、阻斷L-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)、優(yōu)化限速步驟通量等策略，使L-精氨酸的產(chǎn)量和轉(zhuǎn)化率分別達(dá)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(yè)菌株經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)低、生產(chǎn)工藝成本較高，導(dǎo)致產(chǎn)品價格較高，限制了其作為飼料氨基酸配方的使用。

我國飼用氨基酸行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和展望

全鏈條核心專利布局與保護(hù)

我國雖然是氨基酸生產(chǎn)大國，但并不是氨基酸生產(chǎn)技術(shù)強(qiáng)國。在“八五”“九五”期間，無錫輕工大學(xué)、天津輕工業(yè)學(xué)院、上海微生物研究所、上海天廚味精廠等單位的研究人員利用菌種篩選和誘變育種的方法，獲得了一批高生產(chǎn)性能菌種，實(shí)現(xiàn)了氨基酸的工業(yè)化生產(chǎn)，并將相關(guān)菌種出口到日本和韓國相關(guān)公司；但受限于見識，幾乎所有核心菌種沒有進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。隨著DNA重組、代謝工程、基因組編輯等技術(shù)的快速興起，國外氨基酸生產(chǎn)公司利用前期篩選或購置的底盤菌種進(jìn)行代謝工程改造，獲得了一批生產(chǎn)性能顯著提升的生產(chǎn)菌種，并對整個構(gòu)建過程中涉及的質(zhì)粒、中性位點(diǎn)、關(guān)鍵酶及其來源、蛋白質(zhì)工程策略和位點(diǎn)、生產(chǎn)菌株構(gòu)建方法、生產(chǎn)菌株、發(fā)酵工藝和分離提取工藝進(jìn)行了全面知識產(chǎn)權(quán)布局。以E. coli生產(chǎn)L-賴氨酸為例，日本味之素公司對主要代謝步驟進(jìn)行了全方位的保護(hù)；而韓國希杰公司則對C. glutamicum生產(chǎn)L-賴氨酸的主要合成途徑、關(guān)鍵改造靶點(diǎn)等形成900多項(xiàng)全球?qū)＠季帧Ｓ捎谠缙诰N的原創(chuàng)改造，使得專利獲得授權(quán)的保護(hù)范圍極大，已有專利對目標(biāo)產(chǎn)品關(guān)鍵酶元件、合成途徑、分支路徑等都進(jìn)行了全方位的保護(hù)，這對后來者開發(fā)提升相關(guān)菌種制造了極大的專利壁壘，侵犯專利的風(fēng)險顯著提高，突破專利封鎖的空間進(jìn)一步被壓縮。除此之外，國外氨基酸生產(chǎn)公司根據(jù)產(chǎn)業(yè)和市場的特點(diǎn)進(jìn)行了嚴(yán)密的專利布局，確保在生產(chǎn)國和銷售國（如中國和美國）都有關(guān)鍵技術(shù)的專利申請，以充分維護(hù)自身的市場權(quán)益。

國內(nèi)龍頭企業(yè)經(jīng)歷多次氨基酸知識產(chǎn)權(quán)訴訟后，意識到專利保護(hù)的重要性，紛紛加大研發(fā)投入，逐漸開發(fā)出具有自有知識產(chǎn)權(quán)氨基酸高產(chǎn)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，其中發(fā)明專利占比75.0%。但所申請的專利重點(diǎn)布局在國內(nèi)市場，國際市場布局較少。其原因在于：我國是氨基酸的主要生產(chǎn)國和出口國，對菌株、生產(chǎn)工藝專利保護(hù)的目標(biāo)主要集中在國內(nèi)；所申請的專利技術(shù)原始創(chuàng)新性和前瞻性不足，因而無法通過技術(shù)上的優(yōu)勢進(jìn)入技術(shù)更優(yōu)且專利保護(hù)更為成熟的歐美日韓市場。這就要求企業(yè)重視核心技術(shù)的研發(fā)投入，同時注重專利的質(zhì)量而非數(shù)量，申請高價值的發(fā)明專利，如伊品生物開發(fā)了一種利用弱化烏頭酸酶提升L-賴氨酸生產(chǎn)性能的方法，并對該技術(shù)進(jìn)行了《專利合作條約》（PCT）專利申請。除了在國內(nèi)同時在美國、歐盟、日本、韓國、俄羅斯等地進(jìn)行了專利布局，并獲得了授權(quán)。

基于多維組學(xué)數(shù)據(jù)的高產(chǎn)菌株創(chuàng)制

通過整合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等多維組學(xué)技術(shù)，并結(jié)合人工智能方法，對組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，快速識別和選擇具有生產(chǎn)特定性狀的基因，指導(dǎo)菌株的理性設(shè)計(jì)和改造。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展高效基因編輯工具，更加精準(zhǔn)、高效地對目標(biāo)基因或表型進(jìn)行改造，極大地提升了菌種改造的成功率。結(jié)合自動化、機(jī)器人操作和人工智能，構(gòu)建高通量篩選平臺，從大量菌株中快速、準(zhǔn)確地篩選出具有優(yōu)異發(fā)酵性能的菌株。

非糧原料高效利用

目前，由于飼用氨基酸高產(chǎn)菌株的生產(chǎn)原料是“糧食生物質(zhì)”淀粉，大型發(fā)酵工廠通常位于玉米資源豐富的新疆、內(nèi)蒙古、吉林等地，消耗大量的淀粉資源，存在“與人爭糧，與糧爭地”等問題。因此，拓展非糧生物質(zhì)為原料引起了廣泛關(guān)注。未來的研究方向主要包括：以二氧化碳（CO2）為原料，借助電化學(xué)等方法，將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇、甲酸或者乙酸，再在E .coli或者C. glutamicum中引入甲醇、甲酸或者乙酸利用途徑；在此基礎(chǔ)上，引入碳鏈延長途徑，獲得能利用甲醇、甲酸或者乙酸生產(chǎn)氨基酸的菌株。例如，韓國蔚山科技大學(xué)的Sunghoon Park教授采用類似的方法，獲得了以乙酸為碳源生產(chǎn)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，江南大學(xué)劉立明團(tuán)隊(duì)在E. coli中引入CO2固定途徑和開發(fā)仿生光反應(yīng)系統(tǒng)，構(gòu)建能直接捕獲光能和CO2的人工光合細(xì)胞。構(gòu)建以生物柴油副產(chǎn)物甘油、木質(zhì)纖維素水解液等工農(nóng)業(yè)廢棄物為原料的飼用氨基酸生產(chǎn)菌株，不僅減少環(huán)境污染，還能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物的資源化利用。例如，研究人員利用合成生物學(xué)技術(shù)與代謝工程技術(shù)，對E. coli進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了以甘油為底物生產(chǎn)L-色氨酸，產(chǎn)量達(dá)到12.5 g/L；以玉米秸稈水解液為底物生產(chǎn)L-賴氨酸，通過分批補(bǔ)料發(fā)酵產(chǎn)量達(dá)到46.32 g/L。

積極推動精準(zhǔn)發(fā)酵技術(shù)

精準(zhǔn)發(fā)酵技術(shù)具有菌種背景簡單、目標(biāo)產(chǎn)物相對可控、成本和能耗降低和污染降低等優(yōu)點(diǎn)。精準(zhǔn)發(fā)酵通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、過程監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、過程優(yōu)化和數(shù)據(jù)管理等步驟，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程中數(shù)據(jù)采集、分析和控制功能，能有效提高發(fā)酵工藝控制的智能化和自動化水平；并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，深入挖掘發(fā)酵過程中隱藏的規(guī)律和優(yōu)化潛力，為工藝改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。通過發(fā)展先進(jìn)的傳感器，實(shí)時在線采集發(fā)酵過程中溫度、pH值、溶氧量、營養(yǎng)物濃度、細(xì)胞生長、細(xì)胞形態(tài)、關(guān)鍵代謝物濃度等在線參數(shù)。然后，將這些參數(shù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，再結(jié)合攝像頭和軟件實(shí)時監(jiān)控發(fā)酵過程中的各項(xiàng)參數(shù)，確保生產(chǎn)過程在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行；當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定范圍時，系統(tǒng)會按要求發(fā)出警報（如聲光、電話、網(wǎng)絡(luò)等），并自動采取相應(yīng)措施。此外，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對不同時期、不同批次、不同發(fā)酵罐所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)現(xiàn)隱藏的規(guī)律和趨勢，同時利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法對發(fā)酵過程進(jìn)行建模和優(yōu)化，提高預(yù)測和控制的準(zhǔn)確性。借助比例—積分—微分（PID）反饋控制方法和先進(jìn)的算法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下工藝過程控制的自動化、智能化和柔性化，提高氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)效率和生產(chǎn)穩(wěn)定性，增強(qiáng)企業(yè)的盈利能力。

加強(qiáng)政策引導(dǎo)與市場培育

豆粕減量替代政策推動了飼用氨基酸產(chǎn)業(yè)鏈上下游的發(fā)展。然而，為了更全面地提升行業(yè)的持續(xù)性和穩(wěn)定性，需進(jìn)一步拓寬氨基酸的應(yīng)用領(lǐng)域，并提升其附加值。在此過程中，需要政府、企業(yè)及投資機(jī)構(gòu)等多方面的支持與投入，致力于構(gòu)建一個集技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)等多功能于一體的綜合性創(chuàng)新服務(wù)系統(tǒng)，為行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)有力的支撐與保障。

展望

隨著系統(tǒng)代謝工程與合成生物學(xué)技術(shù)的迅猛進(jìn)步，飼用氨基酸發(fā)酵產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，也面臨著諸多挑戰(zhàn)。在市場競爭日益加劇的背景下，擁有高效生產(chǎn)菌株與精準(zhǔn)發(fā)酵技術(shù)已成為氨基酸企業(yè)在競爭中脫穎而出的關(guān)鍵要素。為應(yīng)對這一形勢：政府層面，需采取多元化的策略?？茖W(xué)制定合成生物學(xué)領(lǐng)域的教育體系和人才培養(yǎng)計(jì)劃，積極搭建氨基酸技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新平臺，加大科研經(jīng)費(fèi)投入力度，以充分激發(fā)科研人員的創(chuàng)新潛能，共同攻克氨基酸生產(chǎn)領(lǐng)域中的核心技術(shù)難題。企業(yè)層面，應(yīng)積極提升自身的技術(shù)攻關(guān)能力。通過與科研院所緊密合作，建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室或協(xié)同創(chuàng)新中心，集中優(yōu)勢資源攻克關(guān)鍵技術(shù)；同時，與高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)合作開展教育與培訓(xùn)，培養(yǎng)一批具有強(qiáng)大工程開發(fā)能力的復(fù)合型人才。此外，企業(yè)還應(yīng)重視專利布局與規(guī)劃，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心專利技術(shù)，從而在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位。可以預(yù)見，隨著科研力量的持續(xù)投入和各方共同努力，氨基酸行業(yè)將迎來更加蓬勃、健康的發(fā)展態(tài)勢。

（作者：劉佳、盛琦、劉開放、劉立明，江南大學(xué)生物工程學(xué)院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）