賴氨酸是動物和人體必需氨基酸，能促進人體發(fā)育、增強免疫能力，并有提高中樞神經組織功能的作用。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、賴氨酸的應用

當前賴氨酸廣泛用于動物飼料添加劑、食品、醫(yī)藥健康、化工新材料等領域，其中90%賴氨酸被應用在飼料行業(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，能夠顯著促進食欲、促進生長。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)學家認為，在食物中添加賴氨酸作為食品營養(yǎng)強化劑，可以提高兒童智力和體格發(fā)育、增強免疫力，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。據報道，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)的現狀

1、國外發(fā)展現狀

賴氨酸市場中主要的國外生產企業(yè)包括日本Ajinomoto（味之素）、日本KyowaHakko（協和發(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公司研發(fā)實力雄厚，自20世紀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以及20世紀80年代興起的DNA重組及代謝工程技術，其菌種的生產性能不斷提高，因而在菌種技術中占據絕對優(yōu)勢。

創(chuàng)建于1909年的日本味之素公司是從事氨基酸產業(yè)時間最長，也是世界上最大的氨基酸制品公司，在全球22個國家設有生產基地，產品銷售覆蓋130多個國家。味之素公司擁有1700多人的研發(fā)隊伍，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菌種方面進行了多年的研發(fā)，其菌種技術水平處于世界領先。

韓國希杰公司是目前世界第二大氨基酸制品生產企業(yè)，2017年其賴氨酸全球市場占有率第一，達22%。該公司創(chuàng)建于1953年，是韓國三星集團旗下的一家專業(yè)制糖企業(yè)，1993年正式脫離三星集團。希杰公司主要以谷氨酸棒桿菌為賴氨酸的生產菌株，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)生產的老牌企業(yè)，前身是德固賽公司，2007年被贏創(chuàng)集團收購并更名為贏創(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，生產菌株水平未有明顯提升。日本協和發(fā)酵公司是世界上研制、生產和銷售醫(yī)藥和生物技術產品的先行者。1956年協和發(fā)酵公司成為世界上第一家成功以發(fā)酵法生產賴氨酸等氨基酸的公司，在谷氨酸棒桿菌產賴氨酸的研發(fā)中占據了重要的地位，形成了多個涉及賴氨酸核心代謝途徑的重要專利。2004年協和發(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的業(yè)務逐漸停止，轉而進行高附加值氨基酸的生產和經營。

美國ADM公司是農產品加工、儲運和全球貿易的大型國際公司，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，但是總體技術實力落后于味之素和希杰公司。

2、國內發(fā)展現狀

我國賴氨酸工業(yè)菌種研發(fā)起步于20世紀60年代，20世紀80～90年代開始進行工業(yè)化生產，2000年產能開始迅猛擴增，經過十多年的快速發(fā)展，2017年我國賴氨酸產能占全球總產能的50%以上，成為賴氨酸的第一生產國和出口國。主要的生產企業(yè)為寧夏伊品、通遼梅花、長春大成等。受玉米加工政策鼓勵，近年來產能持續(xù)增加，我國2017年總產能已經超過250萬噸（圖1）?，F有龍頭企業(yè)在2018年普遍有擴產計劃，同時多家新企業(yè)也準備進軍賴氨酸產業(yè)領域。如果擴產和新增計劃全部實現投產，則未來1～2年我國賴氨酸新增產能將超過120萬噸/年，增加50%。

三、賴氨酸菌種的研發(fā)現狀

賴氨酸的主要生產方法有抽提法、化學合成法、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)酵生產賴氨酸。由于微生物發(fā)酵法較其他生產方法有明顯優(yōu)勢，發(fā)酵法逐漸成為賴氨酸主要的生產方法。當前，賴氨酸最主要的生產菌株有谷氨酸棒桿菌和大腸桿菌，菌種是發(fā)酵產業(yè)的核心，其生產性能是影響企業(yè)整體技術水平的關鍵因素。谷氨酸棒桿菌是最早用于工業(yè)發(fā)酵生產賴氨酸的菌種，早期主要利用隨機誘變育種技術。1960年日本首先利用紫外誘變技術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）。利用分子生物學和基因工程手段，德國贏創(chuàng)德固賽、韓國希杰、日本協和發(fā)酵等公司都對產賴氨酸的谷氨酸棒桿菌進行了大量全面的基因改造。

改造策略主要包括：加強賴氨酸合成途徑，如糖酵解途徑、四碳回補途徑、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；加強原料攝入，強化產物外排；解除關鍵酶的反饋抑制等。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Pyc加強四碳回補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物如蘇氨酸的合成；通過加強PtsG糖轉運系統(tǒng)或者引入新的糖轉運系統(tǒng)（BglF）的方式加強葡萄糖向胞內的運輸。終產物對關鍵酶的反饋抑制是細胞調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限速酶LysC受到終產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，解除關鍵酶LysC的反饋抑制是提高賴氨酸產量的核心策略，已有大量文獻報道和專利保護了解除反饋抑制的不同LysC突變體?？偠灾?，各公司組合不同的菌種改造策略，對工業(yè)菌種進行大量基因組編輯，并且進一步結合細胞抗逆性能提升與發(fā)酵環(huán)境的適應性改造后，目前谷氨酸棒桿菌工業(yè)菌種發(fā)酵產賴氨酸（以鹽酸鹽計）的濃度已經超過200g/L，葡萄糖到賴氨酸（以鹽酸鹽計）的糖酸轉化率已經超過70%。

大腸桿菌是另一個重要的賴氨酸工業(yè)發(fā)酵生產菌種。日本味之素公司于20世紀70年代就開始通過誘變篩選的方式獲得了高產賴氨酸的大腸桿菌，到20世紀80～90年代隨著分子生物學的不斷發(fā)展，該公司利用重組DNA技術對大腸桿菌進行了全面的基因工程改造。主要的改造靶點和策略與谷氨酸棒桿菌的大致相同，如解除關鍵限速步驟LysC、DapA的反饋抑制，加強合成途徑相關酶（DapB、DapC、LysA）的表達，引入外源Ddh等。目前，大腸桿菌工業(yè)菌種發(fā)酵產賴氨酸（以鹽酸鹽計）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）的糖酸轉化率與谷氨酸棒桿菌相當，超過70%。

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