我国氨基酸产业现状及发展

我国氨基酸产业现状及发展〔接要〕目前世界氨基酸产量已达600多万吨，生产向发展中国家扩展转移。我国氨基酸生产经历了五十多年的发展历程，已成为氨基酸生产和消费大国，无论是在工业总产量还是在年产值方面，都居于世界前列，在我国国民经济发展中扮演着重要角色。本文从氨基酸生产规模、产品结构、生产方法、生产水平、产能与效益、技术发展和清洁生产等方面介绍了我国氨基酸生产现状，并对其发展方向作简要概述。〔关键词〕氨基酸；生产；清洁生产氨基酸在食品工业、医药、农业、畜牧业、以及人类健康、保健、化妆品行业等方面，发挥了越来越广泛的作用。据统计，氨基酸及其衍生物的种类已由20世纪60年代的50种左右发展到现在的1000余种。目前世界氨基酸已达600多万吨，生产向发展中国家扩展转移。国际氨基酸科学协会公布的调查报告显示，亚太地区已成为全球最大的氨基酸市场。中国是氨基酸生产和消费大国，无论是在工业总产量还是在年产值方面，都居于世界前列，在我国国民经济发展中扮演着重要角色。但与其他行业或国外氨基酸行业相比，我国氨基酸行业存在创新产品少、产品结构不合理、主要生产技术指标落后、能源消耗大、环境污染严重、生产成本较高等问题，特别是在生产装备等硬件方面，无法满足国际标准的要求。因此，中国虽然是氨基酸生产和消费大国，却难以称为真正的氨基酸强国。本文介绍了我国氨基酸发酵产业的现状，并对其发展方向进行简要概述。1我国氨基酸生产规模我国氨基酸工业只有近50年的发展历程。1965年发酵法生产味精的成功，带动了氨基酸的研究开发。目前我国氨基酸产业规模以上生产厂家已达近百家，年产值近500亿元。2013年氨基酸总产量超过400万吨，同比增长10%；谷氨酸及其盐产量达240万吨，占世界总产量的70%以上，位居世界第一位；赖氨酸作为我国第二大氨基酸工业，年产量达85万吨，位居世界第一位，我国已成为氨基酸产品的“世界工厂”。我国氨基酸产量如表1所示。表1中国主要氨基酸生产规模2我国氨基酸产品结构我国氨基酸工业是从20世纪60年代开始逐步发展起来的。氨基酸产品的涵义已从传统的蛋白质氨基酸发展到包括非蛋白质氨基酸、主要品种产量(2013年)L-谷氨酸钠MSG2400000L-赖氨酸L-Lysine850000L-苏氨酸L-Threonine120000L-苯丙氨酸L-Phenylalanine7000L-精氨酸L-Arginine4000L-缬氨酸L-Valine2000L-异亮氨酸L-Isoleucine1500L-亮氨酸L-Leucine2500L-色氨酸L-Tryptophan2000L-脯氨酸L-Proline1200L-组氨酸L-Histidine120L-丝氨酸L-Serine65L-半胱氨酸L-Cysteine300氨基酸衍生物及短肽类在内的一大类对人类生活和生产起着愈来愈重要作用的产品类群，这为氨基酸生产的进一步发展提供了更大市场，为氨基酸及相关产业注入新的活力。目前，我国已能工业化生产的氨基酸品种有谷氨酸、氨酸、缬氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸等。我国氨基酸产品中，谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸等低值大宗氨基酸占主导地位，大宗氨基酸产品产量大，附加值低，节能减排压力大。分支链氨基酸、色氨酸、精氨酸、组氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸、半胱氨酸等高附加值小品种氨基酸产品开发加快。除了参与蛋白质组成的氨基酸外，瓜氨酸、鸟氨酸、茶氨酸、Υ-氨基丁酸、L-叔亮氨酸等非蛋白氨基酸和D型氨基酸、多聚氨基酸、短肽、氨基酸脱氨脱羧产物、氮化物等氨基酸衍生物需求旺盛。我国拥有自主知识产权的新型氨基酸产品相对较少，新兴产品比例相对较低，新产品产业化能力较弱。经过近几十年的发展，虽然产量已位居世界前列，生产工艺、技术水平和节能环保能力都已比较成熟，但主导产品种类并没有明显改变。同时由于生产技术水平的不足，高端氨基酸产品的种类和产量均受到不同程度的影响，一些高端氨基酸产品仍需国外进口。在稳定生产大宗氨基酸的前提下，氨基酸产品多元化，开发新型氨基酸产品，扩大氨基酸的应用领域，是提高我国氨基酸产业国际竞争力的有效手段。氨基酸可应用于食品、医药、饲料、化妆品、保健品、化学品等诸多领域，而氨基酸生产企业在中国尚未对其进行准确的行业定位，仅处于一般工业品或化学品的产业归类中，极大限制了氨基酸企业的发展。我国的氨基酸产业对于一些要求较高的药用氨基酸及其衍生物的需求还十分巨大，而我国的氨基酸产品多数还仅用作附加值低的饲料，对纯度要求较高的医药用氨基酸普遍缺乏生产能力。氨基酸要进入食品、医药或保健品领域，在国内外获得高端市场的认可必须获得相应的资质和许可，但由于国内目前没有完善的标准对其进行规定，整个氨基酸行业面临着严峻挑战。国内众多氨基酸生产企业不得不将单一氨基酸原料以饲料级出口到国外，在国外被加工成各种的氨基酸产品。因此，必须加大政策支持，建立行业标准，增加高端氨基酸产品的种类和产量。开发氨基酸产品的新功能，拓展氨基酸的应用领域。目前市场上主要的赖氨酸产品类型根据提纯情况分赖氨酸盐酸盐和赖氨酸硫酸盐；2011年味之素营养集团首先推出了新赖氨酸产品“AjiProTM-L”(一种瘤胃保护赖氨酸，又称过瘤胃，专用于反刍动物)，2012年味之素又通过改进技术，增加该产品产能。通过氨基酸衍生产品和氨基酸合成途径的改造来延伸氨基酸产品。如戊二酸是一种重要的五碳化合物，具有广泛的应用范围。由于目前缺乏稳定生产工艺，生产成本过高，直接限制了戊二酸作为重要化工原料的应用范围。我国科学家已开发出利用谷氨酸脱氨生产戊二酸的方法，即谷氨酸生产菌通过代谢改造和工艺控制，实现谷氨酸前体物α-酮戊二酸的积累，再通过2-羟基戊二酸脱氢酶和烯戊二酸脱氢酶催化生成戊二酸。德国、日本和韩国都对赖氨酸脱羧生产戊二酸进行了大量的研究。在大肠杆菌中过表达赖氨酸脱羧酶，重构成戊二胺合成途径，构建了戊二胺工程菌。工程菌以L-赖氨酸盐酸为底物，通过流加发酵生产戊二胺。赖氨酸脱羟工艺的开发应用将拓宽赖氨酸的工业化应用前景。3我国氨基酸发酵生产水平氨基酸生产方法有提取法、化学合成法、酶法以及微生物发酵法。发酵法具有原料成本低、反应条件温和、容易实现大规模生产等优点。目前我国除L-组氨酸，部分L-亮氨酸和L-半胱氨酸用提取法生产，L-丝氨酸和部分L-半胱氨酸由酶法生产外，其他的氨基酸产品都是由发酵法来生产。与国外氨基酸产业相比，我国氨基酸发酵产业主要生产技术指标还比较落后，离真正意义上的发酵强国尚有不小的距离。我国氨基酸生产水平如表2所示。表2中国主要氨基酸产酸水平4产能与效益近年来，我国氨基酸产业的不断提升，提高了行业的整体水平。主要品种产酸水平(g/L)转化率(%)提取收率(%)L-谷氨酸钠MSG160-180≥67≥88L-赖氨酸L-Lysine180-210≥65≥90L-苏氨酸L-Threonine110-120≥58≥88L-苯丙氨酸L-Phenylalanine60-65≥25≥80L-缬氨酸L-Valine50-55≥26≥78L-异亮氨酸L-Isoleucine25-30≥12≥60L-亮氨酸L-Leucine30-45≥20≥75L-精氨酸L-Arginine55-65≥25≥70L-脯氨酸L-Proline70-75≥35≥80L-色氨酸L-Tryptophan40-45≥15≥70但同时，我国企业的经济效益有所下滑，其原因有二：其一，我国拥有的大宗氨基酸产品的产能已达到几百万吨，远远超出实际的需求量，供大于求的市场行情严重，且存在着盲目扩张产能的现象。近年来虽然氨基酸行业原料药领域受到的价格波动不大，但注射液和保健品领域价格的无序竞争比较严重。因此，控制产能，遏制低水平重复建设将成为我国氨基酸行业未来几年的发展方向之一。其二，原辅材料的上涨。近几年，在玉米价格不断高涨的背景下，国家对玉米深加工制约调控的政策频发。作为大多数氨基酸产品生产的主要原料，玉米价格的上涨将会带动氨基酸市场价格的高位，增加企业的生产成本。2012年豆粕和玉米等主要大宗原料价格整体呈现坚挺上行走势，分别创造了历史新高。氨基酸市场深受原料价格高位的影响，企业生产成本压力加重。5技术发展虽然我国氨基酸发酵技术已经取得了显著进展。但科技创新能力依然较弱，技术水平有待提高。虽然近年来研究开发比例明显增加，但仍相对不足。技术是氨基酸产业落后于其他产业发展的重要制约因素。日本是一个缺乏原料、能源和劳力的国家，但却成为了世界上氨基酸生产大国，他们主要是以技术的领先抵消其他方面的不足。而我国仅是依靠能源及较低的生产成本优势很难与日本等氨基酸生产大国竞争。因此，必须突破关键技术，加强自主创新能力，建立有效的技术支撑体系和质量保证体系。5.1菌种选育优良的生产菌种是提高氨基酸产量和质量的保障，新产品的需求对育种技术和生产工艺提出更高的要求。随着重组DNA技术的发展和相关微生物基因组信息的获得，基于代谢工程原理的基因工程育种技术逐渐成为主流。当前，系统生物学、化学生物学和合成生物学等技术已经取得了很大进步。将这些新技术应用于氨基酸生产菌种改良，有助于整合基因组学、蛋白组学和代谢组学信息，提出更准确全面的改造策略，使目的氨基酸产量得以大幅度提升。高通量筛选具有微型、微量、自动高效和低成本等优点，主要以多孔板为载体，用高密度微量自动化加样的方法，快速和平行地测试标靶对化合物的结合能力或生物学活性。高通量筛选技术在氨基酸生产菌中选育中的应用，将显著提高氨基酸菌种筛选的工作效率。5.2原料选择与控制玉米、大豆等粮食原料价格高涨，使拓展原料范围，开发利用生物质原料、粗原料以减少对粮食原料的依赖成必然趋势。采用复合碳氮源可以降低分解代谢物阻遏，减少有机酸生产，提高了菌体生物量和氨基酸产量。有机氮源中酵母浸出物采用纯培养面包酵母作为原料，稳定性、安全性好，游离氨基酸、维生素和成分核苷酸等营养成分含量丰富，利于微生物吸收利用。实验表明选择合适的酵母浸出物可有效提高苏氨酸、色氨酸等氨基酸产品的发酵产率和转化率。棉籽蛋白水解液生产成本低、效率高。通过发酵测试，棉籽蛋白水解液可作为谷氨酸等氨基酸发酵的一种速效有机氮源。甜菜碱作为甲基供体，替代蛋氨酸或胆碱，显著提高发酵单位；作为渗透压调节剂，促进细胞表面对代谢产物的分泌，因此发酵促进甜菜碱的使用提高了原料的利用率、转化率和产量。另外，由于玉米浆、糖蜜等成分复杂，规格不一，造成发酵生产不稳定，有必要结合高效液相色谱与高分辨质谱系统，建立原料质量控制方法和原料标准方案，从而稳定发酵生产。5.3发酵工艺与过程控制高效生产的推广促进了氨基酸产业的发展。如温度敏感突变株具有发酵周期短，全自控，强度高，转化率高的特点。在谷氨酸发酵过程中，采用温度敏感突变株强制发酵替代生物素亚适量发酵生产谷氨酸已成为味精行业主流。发酵过程是细胞内因和环境外因交互作用的结果，因此对代谢过程的分析很复杂。从细胞代谢特性和反应器特性等入手，通过细胞代谢流等技术分析发酵过程细胞实际生理参数，确定关键的代谢调控点。针对代谢工种改造后的氨基酸生产菌，能按照代谢调控网络模块重构优化策略的不同来进行各级发酵罐发酵工艺的优化。为了保证发酵的产品质量和生产效率，需要对其发酵过程进行监测。由于氨基酸的发酵是复杂的多参数多因素的生物化学过程，用越多的参数对其监控越好。传感器系统集成及在线检测系统根据发酵过程对底物、中间产物和目标产物信息变化的需求，研制多参数传感器技术集成；建立发酵生产过程的自动取样、样品的自动稀释处理和自动分析测定系统。采用红外光谱、化学计量学方法结合过程控制系统来实现发酵过程的自动调控。采用红外在线光谱实时监测转化为代表质量参数的色谱指纹图谱对生物反应过程进行网络化、自动化控制的发酵生产全过程质量控制。5.4分离提取氨基酸的分离提取过程是一项耗时长、消耗大、能耗高、产品回收率低的复杂的操作过程。研究低成本、高效率的工业色谱、新型膜等新型绿色分离装备及相关配套工艺，提高产品收率、减少环境污染。对谷氨酸发酵液采用浓缩连续等电转晶提取工艺替代了传统味精生