賴氨酸是動物和人體必需氨基酸，能促進(jìn)人體發(fā)育、增強(qiáng)免疫能力，并有提高中樞神經(jīng)組織功能的作用。人體不能靠自身合成L-賴氨酸，只能從食物中攝取，而谷物食品中的賴氨酸含量甚低，故也被稱為第一限制性氨基酸。

一、賴氨酸的應(yīng)用

當(dāng)前賴氨酸廣泛用于動物飼料添加劑、食品、醫(yī)藥健康、化工新材料等領(lǐng)域，其中90%賴氨酸被應(yīng)用在飼料行業(yè)。在生豬、蛋雞、魚、蝦等的飼料中添加賴氨酸作為飼料添加劑，能夠顯著促進(jìn)食欲、促進(jìn)生長。已有研究表明，賴氨酸是豬飼料的第一限制性氨基酸，是雞禽類飼料的第二限制性氨基酸。營養(yǎng)學(xué)家認(rèn)為，在食物中添加賴氨酸作為食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑，可以提高兒童智力和體格發(fā)育、增強(qiáng)免疫力，而對于老年人則可明顯增加胃蛋白酶的分泌，使食欲增加。在醫(yī)藥上，賴氨酸主要作為各種輸液配方的成分，此外，賴氨酸與亞鐵化合物一起治療貧血效果顯著，也是利尿藥的輔助治療劑，對乙型肝炎、支氣管炎等也有一定療效。據(jù)報(bào)道，在四環(huán)素中添加賴氨酸可有效消除四環(huán)素在治療中的副作用。

二、賴氨酸行業(yè)的現(xiàn)狀

1、國外發(fā)展現(xiàn)狀

賴氨酸市場中主要的國外生產(chǎn)企業(yè)包括日本Ajinomoto（味之素）、日本KyowaHakko（協(xié)和發(fā)酵）、美國ADM（阿丹米）、韓國CJ（希杰）、德國EvonikDeguasa（贏創(chuàng)德固賽）等，除了近年日本協(xié)和發(fā)酵公司基本退出賴氨酸市場之外，其他幾家仍然非?；钴S，特別是日本味之素和韓國希杰公司。這些國際大型生物技術(shù)公司研發(fā)實(shí)力雄厚，自20世紀(jì)初便開展對賴氨酸菌種的研發(fā)，通過早期的誘變育種技術(shù)以及20世紀(jì)80年代興起的DNA重組及代謝工程技術(shù)，其菌種的生產(chǎn)性能不斷提高，因而在菌種技術(shù)中占據(jù)絕對優(yōu)勢。

創(chuàng)建于1909年的日本味之素公司是從事氨基酸產(chǎn)業(yè)時(shí)間最長，也是世界上最大的氨基酸制品公司，在全球22個(gè)國家設(shè)有生產(chǎn)基地，產(chǎn)品銷售覆蓋130多個(gè)國家。味之素公司擁有1700多人的研發(fā)隊(duì)伍，每年研發(fā)投入超過20億元人民幣，在以大腸桿菌為宿主的賴氨酸生產(chǎn)菌種方面進(jìn)行了多年的研發(fā)，其菌種技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先。

韓國希杰公司是目前世界第二大氨基酸制品生產(chǎn)企業(yè)，2017年其賴氨酸全球市場占有率第一，達(dá)22%。該公司創(chuàng)建于1953年，是韓國三星集團(tuán)旗下的一家專業(yè)制糖企業(yè)，1993年正式脫離三星集團(tuán)。希杰公司主要以谷氨酸棒桿菌為賴氨酸的生產(chǎn)菌株，雖然起步較晚，但其在菌種研發(fā)方面發(fā)展迅速，近年來其菌株水平不斷提升。

德國贏創(chuàng)德固賽公司是賴氨酸研發(fā)生產(chǎn)的老牌企業(yè)，前身是德固賽公司，2007年被贏創(chuàng)集團(tuán)收購并更名為贏創(chuàng)德固賽。2017年其賴氨酸全球市場占有率為7%，主要出口市場為歐盟、亞洲以及北美。其賴氨酸生產(chǎn)也是以谷氨酸棒桿菌為主，起步較早，在2000年之前就開始了菌株研發(fā)，但在2005年之后其在賴氨酸菌株研發(fā)方面投入減少，生產(chǎn)菌株水平未有明顯提升。日本協(xié)和發(fā)酵公司是世界上研制、生產(chǎn)和銷售醫(yī)藥和生物技術(shù)產(chǎn)品的先行者。1956年協(xié)和發(fā)酵公司成為世界上第一家成功以發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸等氨基酸的公司，在谷氨酸棒桿菌產(chǎn)賴氨酸的研發(fā)中占據(jù)了重要的地位，形成了多個(gè)涉及賴氨酸核心代謝途徑的重要專利。2004年協(xié)和發(fā)酵公司將其下屬全資子公司Agroferm公司的所有股份賣給德國德固賽公司，其賴氨酸等大宗氨基酸生產(chǎn)的業(yè)務(wù)逐漸停止，轉(zhuǎn)而進(jìn)行高附加值氨基酸的生產(chǎn)和經(jīng)營。

美國ADM公司是農(nóng)產(chǎn)品加工、儲運(yùn)和全球貿(mào)易的大型國際公司，2017年其賴氨酸全球市場占有率為9%。其主要的賴氨酸工業(yè)菌種為大腸桿菌，近年來，其菌種水平持續(xù)提升，但是總體技術(shù)實(shí)力落后于味之素和希杰公司。

2、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國賴氨酸工業(yè)菌種研發(fā)起步于20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)80～90年代開始進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，2000年產(chǎn)能開始迅猛擴(kuò)增，經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，2017年我國賴氨酸產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能的50%以上，成為賴氨酸的第一生產(chǎn)國和出口國。主要的生產(chǎn)企業(yè)為寧夏伊品、通遼梅花、長春大成等。受玉米加工政策鼓勵(lì)，近年來產(chǎn)能持續(xù)增加，我國2017年總產(chǎn)能已經(jīng)超過250萬噸（圖1）。現(xiàn)有龍頭企業(yè)在2018年普遍有擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)多家新企業(yè)也準(zhǔn)備進(jìn)軍賴氨酸產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。如果擴(kuò)產(chǎn)和新增計(jì)劃全部實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)，則未來1～2年我國賴氨酸新增產(chǎn)能將超過120萬噸/年，增加50%。

三、賴氨酸菌種的研發(fā)現(xiàn)狀

賴氨酸的主要生產(chǎn)方法有抽提法、化學(xué)合成法、酶法和發(fā)酵法。1960年日本首先以玉米為原料利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸。由于微生物發(fā)酵法較其他生產(chǎn)方法有明顯優(yōu)勢，發(fā)酵法逐漸成為賴氨酸主要的生產(chǎn)方法。當(dāng)前，賴氨酸最主要的生產(chǎn)菌株有谷氨酸棒桿菌和大腸桿菌，菌種是發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的核心，其生產(chǎn)性能是影響企業(yè)整體技術(shù)水平的關(guān)鍵因素。谷氨酸棒桿菌是最早用于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)賴氨酸的菌種，早期主要利用隨機(jī)誘變育種技術(shù)。1960年日本首先利用紫外誘變技術(shù)獲得谷氨酸棒桿菌營養(yǎng)缺陷型突變體。隨著研究的深入，谷氨酸棒桿菌的中心代謝及賴氨酸合成途徑逐漸被解析（圖2）。利用分子生物學(xué)和基因工程手段，德國贏創(chuàng)德固賽、韓國希杰、日本協(xié)和發(fā)酵等公司都對產(chǎn)賴氨酸的谷氨酸棒桿菌進(jìn)行了大量全面的基因改造。

改造策略主要包括：加強(qiáng)賴氨酸合成途徑，如糖酵解途徑、四碳回補(bǔ)途徑、天冬氨酸到賴氨酸合成途徑；減弱競爭性途徑，如磷酸戊糖途徑，蘇氨酸、甲硫氨酸合成途徑，TCA循環(huán)等；加強(qiáng)原料攝入，強(qiáng)化產(chǎn)物外排；解除關(guān)鍵酶的反饋抑制等。例如，通過突變Gnd弱化磷酸戊糖途徑、弱化AceE減少丙酮酸的流失、過表達(dá)Pyc加強(qiáng)四碳回補(bǔ)途徑等方法改善糖酵解途徑；通過Hom（V59A）突變體弱化減少碳流向副產(chǎn)物如蘇氨酸的合成；通過加強(qiáng)PtsG糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)或者引入新的糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（BglF）的方式加強(qiáng)葡萄糖向胞內(nèi)的運(yùn)輸。終產(chǎn)物對關(guān)鍵酶的反饋抑制是細(xì)胞調(diào)控氨基酸合成的重要手段，在谷氨酸棒桿菌中，由天冬氨酸合成賴氨酸的第一個(gè)限速酶LysC受到終產(chǎn)物賴氨酸的反饋抑制，其酶活力及對賴氨酸的敏感性直接影響賴氨酸的合成量和轉(zhuǎn)化率。因此，在盡可能保持酶的原有活性水平的前提下，解除關(guān)鍵酶LysC的反饋抑制是提高賴氨酸產(chǎn)量的核心策略，已有大量文獻(xiàn)報(bào)道和專利保護(hù)了解除反饋抑制的不同LysC突變體。總而言之，各公司組合不同的菌種改造策略，對工業(yè)菌種進(jìn)行大量基因組編輯，并且進(jìn)一步結(jié)合細(xì)胞抗逆性能提升與發(fā)酵環(huán)境的適應(yīng)性改造后，目前谷氨酸棒桿菌工業(yè)菌種發(fā)酵產(chǎn)賴氨酸（以鹽酸鹽計(jì)）的濃度已經(jīng)超過200g/L，葡萄糖到賴氨酸（以鹽酸鹽計(jì)）的糖酸轉(zhuǎn)化率已經(jīng)超過70%。

大腸桿菌是另一個(gè)重要的賴氨酸工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)菌種。日本味之素公司于20世紀(jì)70年代就開始通過誘變篩選的方式獲得了高產(chǎn)賴氨酸的大腸桿菌，到20世紀(jì)80～90年代隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，該公司利用重組DNA技術(shù)對大腸桿菌進(jìn)行了全面的基因工程改造。主要的改造靶點(diǎn)和策略與谷氨酸棒桿菌的大致相同，如解除關(guān)鍵限速步驟LysC、DapA的反饋抑制，加強(qiáng)合成途徑相關(guān)酶（DapB、DapC、LysA）的表達(dá)，引入外源Ddh等。目前，大腸桿菌工業(yè)菌種發(fā)酵產(chǎn)賴氨酸（以鹽酸鹽計(jì)）的濃度低于谷氨酸棒桿菌，約為200g/L，葡萄糖到賴氨酸（以鹽酸鹽計(jì)）的糖酸轉(zhuǎn)化率與谷氨酸棒桿菌相當(dāng)，超過70%。

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