中國網/中國發展門戶網訊 隨著經濟發展和人民生活水平不斷提高，動物產品的人均消費量逐年增加。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年我國養殖業消耗487 Mt飼料；其中，蛋白飼料（豆粕）消耗量為81.45 Mt，進口37.03 Mt，進口占比45.5%。隨著畜禽養殖業的快速發展，飼料資源尤其是蛋白飼料資源的嚴重短缺，導致每年需要進口大量豆粕和魚粉等蛋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健康發展。因此，如何減少養殖行業對豆粕的使用，對保障養殖行業健康發展和人民生活水平提高，具有重要意義。為此，2023年4月農業農村部啟動了《飼用豆粕減量替代三年行動方案》，發展低蛋白氨基酸平衡日糧技術，通過在飼糧中補充必需氨基酸，在確保畜禽正常生產性能的前提下，降低動物飼料中蛋白質水平。飼糧中補充必需氨基酸能的優點包括：提高飼料蛋白轉化效率； 改善畜禽肉品質； 提高畜禽消化機能。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，則能夠完全實現日糧中“無豆目標”。

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-蛋氨酸生產方法以化學合成法為主，其他品種氨基酸均使用微生物發酵法生產。本文分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重要技術進展，探討當前氨基酸生產中存在的主要問題，最后展望了微生物制造氨基酸的未來發展方向及解決方案。

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要求不斷提高，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快速發展。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大的生產和出口國，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-蘇氨酸等大宗氨基酸行業的格局持續優化，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。目前，中國飼用氨基酸的年產量約為4.33 Mt，全球市場占比提升至70.4%，為全球畜產品生產提供了重要保障。2016—2023年，中國飼用氨基酸產量CAGR達到12.1%，高于全球的增長速度，市場規模已達到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，主要生產商包括梅花生物、阜豐生物、星湖科技（伊品生物）和新和成等公司。

飼用氨基酸生產菌株研究進展

常用飼用氨基酸生產菌株

飼用氨基酸生產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系統和堿基編輯器等基因編輯工具的快速發展，可在E. coli和C. glutamicum基因組上進行特定基因精準編輯或大片段基因組精簡，從而快速獲得目標性狀的高產菌株，包括被歐盟授權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強度、產量和糖酸轉化率，為飼用氨基酸低成本高效生產提供了新思路。

氨基酸生產菌株的構建技術策略

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，氨基酸生產菌株性能的提升對降低生產成本、提高產量具有重要的意義。高生產性能菌株的開發主要圍繞設計與重構原子經濟性高的氨基酸合成途徑、提高氨基酸合成途徑效率，以及提高菌株環境適應性3方面開展工作；所采用的主要技術策略有4種。

代謝網絡水平的高效氨基酸合成途徑設計策略。2024年12月，已構建完成了58個E. coli模型和6個C. glutamicum模型，結合代謝組、轉錄組等組學數據，解析氨基酸合成途徑的關鍵節點和變化規律。通過“元件—路徑—網絡—細胞”4個層級的模擬分析，評估合成途徑對代謝流分布、能量平衡和細胞生長的影響，確定最優合成途徑和關鍵改造靶點，指導后續基因改造。

元件水平的酶改造與表達優化策略。氨基酸合成路徑的關鍵酶存在反饋抑制、催化效率低、酶活性調控失衡等問題。結合計算生物學、結構生物學和蛋白質工程改造的技術方法，通過理性改造解除酶的反饋抑制、增強酶催化活性、強化或者弱化目標酶的表達水平等提高氨基酸的合成效率。

途徑水平的碳流精準重構策略。通過發展氨基酸代謝路徑精準調控新策略，如基于轉運工程、空間工程和輔因子工程策略，解決了氨基酸合成中底物運輸效率低、代謝物傳輸距離遠和代謝反應供能不足的問題；通過基因線路設計和蛋白豐度精細調控，解決了混合底物利用難、代謝自主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，解決了碳原子流失導致產物得率低的問題，提高目標氨基酸產率。

細胞水平的環境抗逆強化策略。發酵液中高濃度氨基酸會導致細胞膜功能受損，降低微生物生產性能。因此，需要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，定向改造和工程化調控抗逆性能，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共性問題。

創制飼用氨基酸的高性能生產菌株

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。目前，DL-蛋氨酸工業化生產主要采用丙烯醛法，合成過程會涉及丙烯醛、甲硫醇、氰化物等有毒物質，對生產過程中安全防護要求較高。L-蛋氨酸中含有巰基基團，使其代謝合成路徑較為復雜，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。目前，國內外主要采用2種技術路線：以基因工程改造的E. coli為菌種進行直接發酵。中國科學院微生物研究所溫廷益團隊以E. coli W3110為底盤，通過定點突變L-高絲氨酸O-琥珀?；D移酶（MetA）、過表達L-蛋氨酸末端合成模塊、阻斷副產物L-異亮氨酸的合成路徑等方法構建了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)，是目前文獻報道的最高產量。利用“發酵—酶法”偶聯的方式。以葡萄糖為底物，發酵生產前體O-琥珀酰-L-高絲氨酸（OSH），進一步在O-琥珀酰-L-高絲氨酸巰基轉移酶（MetZ）作用下與甲硫醇反應合成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合成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，該方法原子經濟性高、“三廢”排放少。此外，團隊基于序列—結構—功能的構效關系，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L-蘇氨酸生產性能方面，江南大學饒志明團隊協同輔因子工程、轉錄因子工程、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究所孫際賓團隊構建了C. glutamicum高質量基因過表達集合，該集合包含3049個菌株，覆蓋了99.7%的基因。利用這一集合，進行了全基因組篩選，鑒定了4個新的L-蘇氨酸轉運蛋白（Cgl2078、Cgl2286、Cgl2344和Cgl2656），并利用這些新發現的轉運蛋白創制了高產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，屬于芳香族氨基酸，是豬的第三大限制性氨基酸、水產動物的第五大限制性氨基酸。L-色氨酸的主要生產菌株為E. coli，合成受到多種調控機制的影響，包括終產物L-色氨酸的反饋阻遏、反饋抑制和弱化調節等。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，這些前體物的協調供應涉及眾多代謝過程及多種代謝物調控。因此，L-色氨酸的發酵技術指標多年來難以突破，產量一般在50—55 g/L，轉化率為0.20—0.22 g/g葡萄糖。江南大學劉立明團隊通過強化L-色氨酸合成路徑、敲除L-色氨酸轉錄抑制基因和競爭路徑、促進L-色氨酸轉運、啟動子精細調控細胞內PEP和E4P比例、提高前體L-絲氨酸供應等策略，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，組成蛋白質的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發酵生產。天津科技大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，通過改造生物合成途徑、轉運模塊、過表達轉錄因子PdhR和抑制表達轉錄因子RpoS、增強NADPH供應等策略，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，江南大學劉立明團隊以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水平、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策略構建了菌株C. glutamicum K020，在5 L發酵罐采用好氧-厭氧兩階段策略，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，一種半必需氨基酸，用于提高動物的生長速度、增強免疫力、改善蛋白質代謝和繁殖能力。L-精氨酸的主要工業生產菌株為E. coli和C. glutamicum。天津科技大學謝希賢團隊以E. coli MG1655為底盤，通過重編程L-精氨酸合成通量、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團隊在提高C. glutamicum ATCC 21831對L-精氨酸類似物耐受性的基礎上，通過去除精氨酸操縱子的調節抑制因子、優化NADPH水平、阻斷L-谷氨酸轉運、優化限速步驟通量等策略，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，由于工業菌株經濟性能指標低、生產工藝成本較高，導致產品價格較高，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面臨的挑戰和展望

全鏈條核心專利布局與保護

我國雖然是氨基酸生產大國，但并不是氨基酸生產技術強國。在“八五”“九五”期間，無錫輕工大學、天津輕工業學院、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，獲得了一批高生產性能菌種，實現了氨基酸的工業化生產，并將相關菌種出口到日本和韓國相關公司；但受限于見識，幾乎所有核心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快速興起，國外氨基酸生產公司利用前期篩選或購置的底盤菌種進行代謝工程改造，獲得了一批生產性能顯著提升的生產菌種，并對整個構建過程中涉及的質粒、中性位點、關鍵酶及其來源、蛋白質工程策略和位點、生產菌株構建方法、生產菌株、發酵工藝和分離提取工藝進行了全面知識產權布局。以E. coli生產L-賴氨酸為例，日本味之素公司對主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-賴氨酸的主要合成途徑、關鍵改造靶點等形成900多項全球專利布局。由于早期菌種的原創改造，使得專利獲得授權的保護范圍極大，已有專利對目標產品關鍵酶元件、合成途徑、分支路徑等都進行了全方位的保護，這對后來者開發提升相關菌種制造了極大的專利壁壘，侵犯專利的風險顯著提高，突破專利封鎖的空間進一步被壓縮。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（如中國和美國）都有關鍵技術的專利申請，以充分維護自身的市場權益。

國內龍頭企業經歷多次氨基酸知識產權訴訟后，意識到專利保護的重要性，紛紛加大研發投入，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，其中發明專利占比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。其原因在于：我國是氨基酸的主要生產國和出口國，對菌株、生產工藝專利保護的目標主要集中在國內；所申請的專利技術原始創新性和前瞻性不足，因而無法通過技術上的優勢進入技術更優且專利保護更為成熟的歐美日韓市場。這就要求企業重視核心技術的研發投入，同時注重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利用弱化烏頭酸酶提升L-賴氨酸生產性能的方法，并對該技術進行了《專利合作條約》（PCT）專利申請。除了在國內同時在美國、歐盟、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、蛋白質組學和代謝組學等多維組學技術，并結合人工智能方法，對組學數據進行分析和優化，快速識別和選擇具有生產特定性狀的基因，指導菌株的理性設計和改造。在此基礎上，發展高效基因編輯工具，更加精準、高效地對目標基因或表型進行改造，極大地提升了菌種改造的成功率。結合自動化、機器人操作和人工智能，構建高通量篩選平臺，從大量菌株中快速、準確地篩選出具有優異發酵性能的菌株。

非糧原料高效利用

目前，由于飼用氨基酸高產菌株的生產原料是“糧食生物質”淀粉，大型發酵工廠通常位于玉米資源豐富的新疆、內蒙古、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，拓展非糧生物質為原料引起了廣泛關注。未來的研究方向主要包括：以二氧化碳（CO2）為原料，借助電化學等方法，將CO2轉化為甲醇、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；在此基礎上，引入碳鏈延長途徑，獲得能利用甲醇、甲酸或者乙酸生產氨基酸的菌株。例如，韓國蔚山科技大學的Sunghoon Park教授采用類似的方法，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，江南大學劉立明團隊在E. coli中引入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，不僅減少環境污染，還能夠實現廢棄物的資源化利用。例如，研究人員利用合成生物學技術與代謝工程技術，對E. coli進行改造，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背景簡單、目標產物相對可控、成本和能耗降低和污染降低等優點。精準發酵通過數據采集、數據傳輸、過程監測、數據分析、過程優化和數據管理等步驟，實現發酵過程中數據采集、分析和控制功能，能有效提高發酵工藝控制的智能化和自動化水平；并結合大數據分析技術，深入挖掘發酵過程中隱藏的規律和優化潛力，為工藝改進提供數據支持。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控制系統，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；當參數超出設定范圍時，系統會按要求發出警報（如聲光、電話、網絡等），并自動采取相應措施。此外，借助大數據技術對不同時期、不同批次、不同發酵罐所采集的數據進行存儲和管理，通過數據挖掘技術發現隱藏的規律和趨勢，同時利用機器學習和深度學習算法對發酵過程進行建模和優化，提高預測和控制的準確性。借助比例—積分—微分（PID）反饋控制方法和先進的算法，實現復雜工況下工藝過程控制的自動化、智能化和柔性化，提高氨基酸發酵生產效率和生產穩定性，增強企業的盈利能力。

加強政策引導與市場培育

豆粕減量替代政策推動了飼用氨基酸產業鏈上下游的發展。然而，為了更全面地提升行業的持續性和穩定性，需進一步拓寬氨基酸的應用領域，并提升其附加值。在此過程中，需要政府、企業及投資機構等多方面的支持與投入，致力于構建一個集技術創新、成果轉化、人才培養等多功能于一體的綜合性創新服務系統，為行業的長遠發展提供堅實有力的支撐與保障。

展望

隨著系統代謝工程與合成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背景下，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：政府層面，需采取多元化的策略?？茖W制定合成生物學領域的教育體系和人才培養計劃，積極搭建氨基酸技術開發創新平臺，加大科研經費投入力度，以充分激發科研人員的創新潛能，共同攻克氨基酸生產領域中的核心技術難題。企業層面，應積極提升自身的技術攻關能力。通過與科研院所緊密合作，建立聯合實驗室或協同創新中心，集中優勢資源攻克關鍵技術；同時，與高?；蚩蒲袡C構合作開展教育與培訓，培養一批具有強大工程開發能力的復合型人才。此外，企業還應重視專利布局與規劃，形成具有自主知識產權的核心專利技術，從而在激烈的市場競爭中占據有利地位?？梢灶A見，隨著科研力量的持續投入和各方共同努力，氨基酸行業將迎來更加蓬勃、健康的發展態勢。

（作者：劉佳、盛琦、劉開放、劉立明，江南大學生物工程學院?！吨袊茖W院院刊》供稿）