我国氨基酸产业现状及发展对策

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(1.代谢控制发酵技术国家地方联合工程实验室，天津 300457；2.天津科技大学 生物工程学院，天津 300457)

我国氨基酸产业现状及发展对策

陈宁1,2，范晓光1,2

(1.代谢控制发酵技术国家地方联合工程实验室，天津 300457；2.天津科技大学 生物工程学院，天津 300457)

氨基酸作为生命体蛋白质的基本组成单位，在人和动物的营养健康方面发挥着重要的作用.氨基酸工业是发酵工业的支柱产业之一，当前全球氨基酸工业已发展成为一个品种繁多、门类齐全的庞大产业群.由于氨基酸需求量大，世界各大氨基酸生产国的厂商积极发展氨基酸生产技术，抢占世界市场，竞争十分激烈.从氨基酸产品的供求和价格趋势，氨基酸制造商的分布格局以及氨基酸产业的发展对策等方面展开综述.

氨基酸；产业现状；发展对策

氨基酸具有重要的生理调控功能，是人和动物不可或缺的初级代谢产物.近年来，随着氨基酸营养功能的不断开发，包括新型饲料添加剂、健康食品、膳食补充剂以及化妆品在内的各种终端应用市场对氨基酸的需求与日俱增.市场的良性发展和持续升温拉动了氨基酸工业的发展，因此引发的产业技术升级、产品多样性开发等竞争也日趋激烈.笔者着重围绕目前氨基酸产品的供求和价格趋势、国内外氨基酸制造商的分布格局以及氨基酸产业的发展对策等方面进行综述.

1 氨基酸产品的供求趋势

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，氨基酸工业总产量及年产值均居于世界前列.2016年，我国氨基酸行业总产量超过460 万吨，大宗氨基酸产品谷氨酸及其盐年产已超过270 万吨，总产值占我国食品发酵工业总产值的1/4以上，产量占世界总产量的70%以上.饲用氨基酸产品产量居世界前列，如赖氨酸及其盐年产已超过135 万吨，苏氨酸年产量已突破48 万吨，蛋氨酸年产量突破10 万吨，色氨酸的年产量突破1 万吨.近几年，一些高附加值的氨基酸品种也迅速发展，如苯丙氨酸、脯氨酸、异亮氨酸、缬氨酸和亮氨酸等受到国家产业政策的支持，产能及产量均有所提升，发展前景较好.

中国是全球氨基酸的主要供应国.2015年全球饲用氨基酸总供应量达393 万吨，同比增长4.2%，市场价值121.1 亿美元，同比增长5.4%.中国饲用氨基酸供应量达到159 万吨，同比增长6.3%，市场价值达30.4 亿美元，同比增长3.7%[1].其中，2015年全球赖氨酸供应量达到221 万吨，同比下降1.5%，中国赖氨酸供应量为110 万吨，同比下降2.3%；全球蛋氨酸供应量达到116.5 万吨，同比增长14.1%，中国蛋氨酸供应量为9.2 万吨，同比增长104.6%；全球苏氨酸供应量达到52.3 万吨，同比增长11.7%，中国苏氨酸供应量为38.5 万吨，同比增长16.6%；全球色氨酸供应量达到3 万吨，同比增长11.1%，中国色氨酸供应量为1.2 万吨，同比增长39.4%.除此之外，缬氨酸、精氨酸是继色氨酸之后快速增长的氨基酸工业化生产产品.从2008年开始，饲料级缬氨酸开始供应市场，因为缺乏缬氨酸在饲料配方中的数据支撑和生物评价数据，缬氨酸在工业化饲料配方中的应用进程缓慢.近两年，饲料市场技术进步和饲料产品的不断细分，缬氨酸应用价值挖掘的不断深入，为小品种氨基酸打开商业化应用发展提供了空间.目前市场上缬氨酸和精氨酸以医药级和食品级居多，饲料级只占10%～20%.2015年，中国饲料级缬氨酸供应量为820 吨，饲料级精氨酸供应量为839 吨.

2 主要氨基酸产品的价格趋势

氨基酸产品的价格受两方面因素影响较大：一是相关原料的价格变化；二是企业的供应能力.其中，谷氨酸、赖氨酸和苏氨酸等产能过剩的氨基酸价格与原料价格息息相关.2015年以来，国际原油价格一路震荡下跌，多数化工原材料产品价格走低，氨基酸尤其是蛋氨酸原材料使用成本在一定程度上降低.2013—2016年，国际玉米市场价格大幅走低，同时中国玉米进入大库存时代，玉米价格下跌，有效降低了发酵类氨基酸成本，赖氨酸和苏氨酸的价格也持续走低并且趋于平稳(图1),图1的数据来源于中国产业信息.与之相比，蛋氨酸和色氨酸等氨基酸价格则与企业的供应能力息息相关，随着国内蛋氨酸和色氨酸生产企业的不断崛起，二者的产能及供应量持续增加，导致其价格逐渐平民化，产品认可度逐年提高，需求增长迅速，价格震荡下行.

图1 我国赖氨酸和苏氨酸价格走势图Fig.1 Price tendency of lysine and threonine in China

3 氨基酸制造商的分布格局

氨基酸是构成蛋白质的基础，是动物体(人体)的重要组成成分，主要作为营养剂和药物使用.同时，以氨基酸为基础形成的多肽和其他化合物也被越来越多地应用于不同领域.受市场及利润的双重驱动，国内外氨基酸生产企业的数量及生产规模急速扩张，生产能力不断扩大.目前，在国外的以微生物制造技术为核心的氨基酸生产企业既有传统的味之素(Ajinomoto)、ADM、帝斯曼(DSM)、协和(KK)和希杰(CJ)等大型发酵生产公司，也有许多著名的跨国化学工业公司，如嘉吉(Cargill)、巴斯夫(BASF)、赢创(Evonik)和住友(Sumitomo)等.随着全球经济一体化的发展，美欧、韩国和日本等发达国家通过合资或独资的方式在中国快速增加投产，迅速占领中国氨基酸高端市场.控制着全球氨基酸市场30%份额的日本味之素公司等已经进入我国市场，并在我国设立了10余家企业，有10 种医药类氨基酸产品在我国市场上销售.德国第三大化工企业赢创工业集团(原德固赛)在进入我国20多年后拥有了10多家独资或合资企业，其氨基酸产品每年在我国实现的销售收入达数亿欧元，占据了大量的国内氨基酸销售市场.希杰公司也在中国山东聊城建厂生产赖氨酸和苏氨酸，而且其氨基酸产品的种类和产能也逐步增加.

饲用氨基酸市场占有率随企业产能的增加以及原料价格影响波动较大且趋于集中.赖氨酸方面，2013年赖氨酸产能扩张达到顶峰，生产厂家数量达到23 家，之后赖氨酸行业进入供给侧改革阶段，2015年部分企业退出、停产，领先企业兼并重组，厂家数量和顶峰期相比减少10 家，产能下降近50 万吨/年.2015年，赖氨酸行业集中度提高，韩国希杰、长春大成、味之素、宁夏伊品、梅花生物五大企业占全球市场份额的75%，其中希杰领跑全球赖氨酸市场，梅花、伊品后来居上，在中国市场绝对领先.蛋氨酸方面，全球蛋氨酸的主要生产企业为赢创、安迪苏、诺伟司和住友.领先企业继续扩产以加大竞争优势，但伴随着中国紫光和韩国希杰进入市场，四大厂家在全球及中国国内供应的比重将逐年下降，预计未来两年可能实现本土供需平衡.苏氨酸方面，2015年以前苏氨酸的主要生产企业为梅花生物(产能15 万吨)、味之素(产能10 万吨)、韩国希杰(产能5 万吨)、宁夏伊品(产能5 万吨)和阜丰集团(产能5 万吨).2015年，领先企业继续扩产以提高竞争优势，2015年11月，梅花通辽西区8 万吨苏氨酸项目投产，12月阜丰10 万吨苏氨酸项目投产，预计未来上述两家企业产能将远超国内其他厂家，市场占有率会进一步扩大.色氨酸方面，伴随着色氨酸生产应用技术的普及，2012—2014年全球色氨酸厂家数量达到14 家，中国厂家11 家，全球色氨酸产能迅速增长.2015年色氨酸产能过剩，企业竞争加剧，导致色氨酸市场价格跌至新低，弱势企业退出色氨酸生产，目前主要生产企业为韩国希杰，日本的昭和电工、协和发酵和三井化学公司，中国的河南巨龙、梅花生物和阜丰集团.小品种氨基酸方面，2015年饲料级缬氨酸的供应企业为韩国希杰(600 吨)，中国星湖(120 吨)和阜丰(100 吨)；饲料级精氨酸的供应企业为韩国希杰(279 吨)，中国阜丰(300 吨)、梅花(160 吨)和星湖(100 吨).

从竞争力角度考虑，中国氨基酸企业普遍依靠低廉的粮食原料以及人工成本来控制氨基酸的生产价格，但其氨基酸生产技术以及生产水平与世界先进制造企业相比仍有不少差距，以低价换市场份额的策略对中国本身环境及企业自身发展无利有害.近年来，中国相对美国的工程制造业成本优势已经减弱到5%以下.全球货币竞争性贬值，大宗原料价格下跌，中国玉米价格相对北美、南美成本较高，中国氨基酸价格优势下降.中国对美国、亚洲地区的氨基酸出口已经开始下降，出口量增长遭遇瓶颈.

4 氨基酸产业的发展对策

氨基酸的生产方法包括提取法、化学合成法以及生物法(包括直接发酵法和酶转化法).其中提取法由于蛋白原料来源有限且易造成环境污染，仅用于少数氨基酸的生产，如半胱氨酸.化学合成法由于反应条件苛刻且产物容易消旋化，也仅用于蛋氨酸、甘氨酸等少数氨基酸的生产.而生物法由于具有原料成本低，反应条件温和，容易大规模生产等优点，已成为目前生产L-氨基酸的最主要方法.现阶段我国生物法制备的氨基酸及其生产水平如表1所示.

表1我国生物法制备的氨基酸及其生产水平

Table1Typesandproductionlevelsofaminoacidproducedbybiologicalmethod

主要品种生产方法原料产酸水平/(g·L-1)转化率/%提取收率/%谷氨酸发酵法葡萄糖190～210≥69≥90赖氨酸发酵法葡萄糖220～240≥69≥92苏氨酸发酵法葡萄糖120～130≥57≥88色氨酸发酵法葡萄糖40～45≥18≥80苯丙氨酸发酵法葡萄糖65～70≥25≥80缬氨酸发酵法葡萄糖50～55≥28≥85异亮氨酸发酵法葡萄糖30～35≥15≥78亮氨酸发酵法葡萄糖35～40≥18≥85精氨酸发酵法葡萄糖65～70≥25≥70脯氨酸发酵法葡萄糖70～75≥35≥80羟脯氨酸发酵法葡萄糖30～40≥25≥75谷氨酰胺发酵法葡萄糖70～80≥40≥65鸟氨酸酶法精氨酸110～120≥95≥85瓜氨酸酶法精氨酸90～100≥95≥85酪氨酸酶法丙酮酸、苯酚50～60≥95≥90

中国大部分氨基酸虽然已经实现了本土的供需平衡，但与世界氨基酸产业强国比较，我国氨基酸行业的部分氨基酸产酸水平、工艺控制以及技术装备等还有较大差距，同时还普遍存在先进技术推广方式落后、资源分散、技术推广渠道不畅通和技术转移服务链不足等问题[2].近些年，面对氨基酸工业日益激烈的国际竞争态势和国内外的生产技术水平差距，我国在氨基酸生产技术研发、企业管理、资源利用和环保方面的短板日益凸显.随着生物信息技术和自动化控制技术的发展，国外企业通过氨基酸菌种的不断改良和新工艺开发，逐步实现了“菌种高产稳定、过程高效节约以及产品高端优质”.从目前的技术发展趋势分析，氨基酸产品的高效制造主要应从以下四个方面入手：

1) 高通量筛选和理性菌种选育技术

氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵过程，早期主要采用传统理化诱变手段对生产菌株进行遗传选育.传统氨基酸生产菌株发酵周期长，产酸水平较低，生产成本过高，影响经济效益.近20年来，随着微生物代谢网络研究的深入及DNA重组技术的日趋完善，综合利用各种组学技术，通过系统生物学的方法构建氨基酸生产菌株已经成为国际上微生物遗传育种的研究热点[3-4].围绕着氨基酸合成的分子遗传机制和调控以及氨基酸高产菌种遗传改造等方面，国内外学者开展了广泛深入的研究，为大规模实现氨基酸发酵生产奠定了良好的遗传信息基础.美欧、韩国和日本等对微生物的氨基酸生物合成机制进行了解析，根据已知的生物学信息和遗传基础，在代谢工程理论的指导下，通过调整关键基因的表达，增加酶对底物的亲和力和抗反馈能力，强化产物向胞外的输出等策略，构建出高产基因工程菌株[5].通过基因工程改造获得的工程菌，其基因组具有最小突变，与野生菌相比具有相似的生理特性，生长较快，发酵周期短，具有更高的经济效益[6].我国虽然也有很多高等院校和科研机构开展氨基酸类产品的代谢工程育种研究工作，但研究内容过于分散，研究体系不够完善.此外，国内上游育种研究与中下游工艺开发常常脱节，导致研发的菌株难以应用于实际生产，浪费了大量的人力物力.

2) 氨基酸发酵过程的代谢调控优化与自动控制

目前，氨基酸发酵过程控制的研究趋势是通过技术集成多点多面采集发酵过程参数，同时建立多信息处理和高精度的反馈控制系统，实现发酵工艺参数的控制与改变，发酵结果预测与优化，发酵过程在线故障诊断和预警，最终实现发酵过程的智能优化与自动控制[7].氨基酸发酵过程分析强调实时自动监测各项关键工艺参数，统计分析数据结果并反馈控制工艺过程，确保批次工艺一致，产品质量可靠，减少废品几率，降低劳力成本，减少人为误差，实时产品放行，降低生产周期，利于工艺改进和工艺移交.在信息处理系统中，传感器技术与应用是关键.生物传感器解决了发酵生产过程生物量信息提取的关键技术，成为近十年来氨基酸行业不可缺少的新工具.目前国外较先进的商品发酵罐都可以用计算机进行参数(包括温度、罐压、搅拌速度、空气流量、pH、溶解氧、消泡和氧化还原电位等)的测量和控制.我国商品发酵罐对于这些数据不能自动控制，特别是一些对控制发酵过程至关重要的参数，如底物、产物、中间产物、细胞浓度、发酵液黏度和气液界面面积等，还没有真正实现联机(在线)测量和控制.由于生物过程的复杂性、非线性和时变性，基于物理和化学传感器建立的过程检测与控制系统已不能满足实际生产的需要，很多优化模型及自动控制系统在实际生产中并没有很好地实现.原因之一就是生产过程最直接的控制参数——生物(生化)参数(包括底物、重要中间代谢物和目标产物等)快速检测或在线检测技术(包括在线近红外光谱、在线色谱质谱联用等)的缺乏，这也是整个氨基酸行业面临的瓶颈技术.

3) 新型氨基酸分离精制技术

氨基酸产品分离纯化是极其重要而又十分关键的工序，其成本通常可占总成本的50%以上.传统的分离方法(结晶、沉淀和离子交换等)虽然简便，但技术含量低、精度差.我国氨基酸发酵产品的提取收率普遍偏低，提取过程造成的环境污染也较严重.目前，国外在氨基酸提取工艺上已大规模应用新型分离纯化技术，包括膜分离、工业色谱、连续闪发结晶、多效浓缩结晶以及机械蒸汽再压缩技术等，整个提取过程注重对生产过程中蒸汽及蒸发水的再利用.我国自主知识产权的膜分离、工业色谱以及高效浓缩蒸发装置较少，国外引进设备常常不配套，关键设备受到价格以及技术引进政策的限制.研究开发基于膜分离、色谱分离和全封闭循环水利用技术的氨基酸产品分离精制工艺已经成为当务之急.

4) 高附加值氨基酸衍生产品开发

从当今的氨基酸生产和发展趋势分析，大宗氨基酸产能已趋于饱和甚至过剩，延伸大宗氨基酸产业链将具有重要的应用价值.系统分析氨基酸生产菌的细胞代谢网络，针对性地设计和改造大宗氨基酸产品的代谢途径，利用现代生物技术延伸大宗氨基酸制造产业链具有重要意义.通过对氨基酸进行各种基团修饰，如甲基化、乙酰化、羟化、糖苷化、脱羧、脱氨和交联等，可以生产出多种具有高附加值的氨基酸衍生品[8-9].谷氨酸作为五碳平台的重要化合物，被选为12 种最重要的砌块中间体化学品之一，使用谷氨酸氧化酶可以将谷氨酸氧化成α-酮戊二酸，再通过2-羟基戊二酸脱氢酶和烯戊二酸脱氢酶催化可以获得戊二酸，从而完成氨基酸向有机酸，食品原料向化工原料的转变.通过向苏氨酸生产菌中引入苏氨酸脱氢酶，弱化下游代谢，可以获得α-酮丁酸[10]，α-酮丁酸再通过代谢途径延伸可以获得2-酮-3-甲基戊酸和1-丙醇等.通过挖掘、改造和应用功能性酶，可以催化底物氨基酸形成糖尿病辅助治疗药物4-羟基异亮氨酸，抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)，肠外营养剂L-丙氨酰-L-谷氨酰胺(丙谷二肽)等.上述工业化学品和医药保健品的开发将为传统氨基酸制造企业注入新的活力.

5 结 论

当前，我国氨基酸产业处于机遇与挑战并存的局面，开发高效的基因工程菌、开发新产品以及提升产品质量是氨基酸行业发展与竞争的关键.随

着我国生物技术以及工程技术的快速发展，我国在氨基酸及衍生物的生产水平、生产过程信息化与自动化控制等方面仍具有较强的发展潜力.相信随着技术研发能力的不断提高，我国氨基酸产业必将赶超国际先进水平，成为国家经济增长的重要保障.

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CurrentsituationanddevelopmentstrategyofaminoacidindustryinChina

CHEN Ning1,2, FAN Xiaoguang1,2

(1.Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology, Ministry of Education, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China; 2.College of Biotechnology, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China)

As the basic unit of proteins, amino acids play an important role in the nutritional health of people and animals. Currently, the global amino acid industry has developed into a large industrial group with a wide range of varieties and complete categories, becoming one of the pillar fermentation industries. Due to the high demand of amino acids, the world’s largest amino acid producers have competitively developed production technologies to secure the supply of amino acids. This paper reviews the demand and price trends of amino acid products, the distribution pattern of amino acid manufacturers and the development of amino acid technology.

amino acid; current situation; development strategy

2017-11-06

陈 宁(1963—)，男，天津人，教授，博士，研究方向为代谢工程，E-mail：ningch@tust.edu.cn.

TQ92

A

1674-2214(2017)04-0193-05

朱小惠)