張以恒

（中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，天津 300308）

1 生物化學(xué)工程學(xué)和王義翹教授對生物煉制的貢獻(xiàn)

現(xiàn)代的生物化學(xué)工程學(xué)（biochemical engineering，簡稱生化工程）始于20 世紀(jì)50 年代，開始于利用微生物發(fā)酵技術(shù)滿足對抗生素生產(chǎn)和現(xiàn)代食品加工的需求?，F(xiàn)在，生化工程已經(jīng)發(fā)展成為化學(xué)工程的最重要前沿分支之一，應(yīng)用化學(xué)工程的原理和方法，研究解決活的生物體或酶參與的生物制造過程，即生化反應(yīng)過程中的基礎(chǔ)理論及工程技術(shù)問題。生化工程是一種使能技術(shù)，促進(jìn)生物學(xué)、微生物學(xué)、化學(xué)工程、酶學(xué)和食品學(xué)之間的合作，是生物技術(shù)中將現(xiàn)代生物學(xué)的成就轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力和社會財(cái)富所必不可少的重要組成部分。1943 年，美國默克公司利用具有通氣攪拌裝置的發(fā)酵罐大量培養(yǎng)青霉素生產(chǎn)菌，代替了原來用上萬個表面培養(yǎng)皿的生產(chǎn)方法。這個時期，生化工程師成功地解決了好氣性微生物在液體培養(yǎng)中的氧供應(yīng)、培養(yǎng)基優(yōu)化、空氣滅菌、青霉素提取以及青霉素儲存中的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備問題，從中建立了發(fā)酵過程中的攪拌通氣、培養(yǎng)基滅菌和空氣滅菌等單元操作，也為生化工程學(xué)科的建立奠定了初步的理論基礎(chǔ)。為了解決青霉素降解問題，冷凍干燥技術(shù)被發(fā)明、改進(jìn)和大規(guī)模應(yīng)用，人們可以方便地儲存、運(yùn)輸和使用青霉素。隨后，1944 年發(fā)現(xiàn)的鏈霉素，1946 年發(fā)現(xiàn)的氯霉素等都相繼順利地工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)。在此以后，生化工程在為其后出現(xiàn)的氨基酸發(fā)酵、酶制劑生產(chǎn)、甾體生物轉(zhuǎn)化以及酶的工業(yè)應(yīng)用等過程開發(fā)和對微生物發(fā)酵過程的改造起了決定性作用。

1965 年，王義翹（Daniel I.C.Wang）教授加入麻省理工學(xué)院營養(yǎng)和食品科學(xué)系，擔(dān)任生化工程方向的助理教授。在接下來的50 多年中，他成功地定義生化工程學(xué)科的教育，大力地推動多學(xué)科交叉的研究創(chuàng)新，使之正式發(fā)展成為化學(xué)工程的一個前沿分支［1］。

王義翹教授的科研選題總是面向世界重大需求。20 世紀(jì)60 年代中期，全球玉米和大豆的價(jià)格迅速上漲，而全球糧食資源卻分布極其不均?；趯ξ磥砑Z食可能短缺的預(yù)測，科學(xué)家和工程師面臨一個新挑戰(zhàn)——如何利用創(chuàng)新方式生產(chǎn)足夠的糧食？王教授選擇研究單細(xì)胞蛋白（single cell protein，SCP）的培養(yǎng)和生產(chǎn)［2］。單細(xì)胞蛋白，也叫微生物蛋白，它是利用工農(nóng)業(yè)廢料及石油廢料培養(yǎng)的微生物菌體，可作為蛋白質(zhì)的新來源。單細(xì)胞蛋白具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①生產(chǎn)速度快，比動植物高成百上千倍，這主要是因?yàn)槲⑸锏纳L繁殖速度快。②生產(chǎn)原料來源廣，如農(nóng)業(yè)廢物、廢水，工業(yè)廢物、廢水，石油、天然氣及相關(guān)產(chǎn)品，以及含氫氣、一氧化碳等的工業(yè)廢氣。③可以工業(yè)化生產(chǎn)，不受地區(qū)、季節(jié)和氣候的限制，而且質(zhì)量穩(wěn)定。④能源轉(zhuǎn)化利用效率高。單細(xì)胞蛋白已被廣泛用于食品加工和飼料中。在歐美，每天有幾百萬人食用單細(xì)胞蛋白制成的“人造肉”，如Quorn?。單細(xì)胞蛋白可用作為食品添加劑，用以補(bǔ)充蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)等，例如，酵母濃縮蛋白具有鮮味，已廣泛用作食品的增鮮劑。干酵母含熱量低，常作為減肥食品的添加劑。在全世界范圍內(nèi)，單細(xì)胞蛋白也作為動物飼料蛋白，其營養(yǎng)價(jià)值優(yōu)于魚粉和大豆粉。

為了實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞蛋白的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，王教授實(shí)驗(yàn)室集中解決低成本、大規(guī)模單細(xì)胞蛋白培養(yǎng)和分離技術(shù)，包括氣升式（air-lifted）發(fā)酵罐［3］、絮凝技術(shù)［4］、針對細(xì)胞和蛋白質(zhì)回收的膜技術(shù)［5］，并闡明了高壓破碎細(xì)胞的原理。當(dāng)時石油和天然氣等化石能源價(jià)格低廉，他利用甲烷、甲醇和石油烷烴作為碳源來培養(yǎng)微生物，生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白［6］。

但是，到1975 年，綠色革命對全球小麥、玉米和大豆的供應(yīng)產(chǎn)生積極影響，全球糧食價(jià)格開始持續(xù)下降。幾乎與此同時，第一次石油危機(jī)（1973—1974年）發(fā)生，石油價(jià)格從1973年的每桶不到3 美元爆漲到接近12 美元。緊接著，第二次石油危機(jī)（1979 年至20 世紀(jì)80 年代初）發(fā)生，造成石油價(jià)格從1979 年的每桶15 美元左右漲到1981 年2 月的39 美元。此時，人們對石油以及糧食價(jià)格的預(yù)期完全反轉(zhuǎn)了，開始考慮利用多余的糧食生產(chǎn)生物燃料，解決能源危機(jī)。比如，美國開始利用多余的玉米生產(chǎn)乙醇，巴西利用富余的蔗糖生產(chǎn)乙醇。

將糧食轉(zhuǎn)化為生物燃料會對糧食安全和環(huán)境產(chǎn)生一些負(fù)面影響，所以人們將注意力集中在非糧的纖維素生物質(zhì)（以下簡稱生物質(zhì)）的轉(zhuǎn)化和利用。在20 世紀(jì)70 年代后期，王教授將他的研究興趣集中于利用厭氧微生物將生物質(zhì)中纖維素和半纖維素直接轉(zhuǎn)化生物燃料（direct microbial conversion，DMC）［7-8］。在這個厭氧過程中，纖維素降解微生物生產(chǎn)纖維素酶，將生物質(zhì)中的纖維素水解，發(fā)酵水解糖生產(chǎn)乙醇，整個過程不添加昂貴的外源纖維素酶。厭氧發(fā)酵是高效率生物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，因?yàn)楸苊饬颂妓衔锏闹苯友趸?。除了簡化生產(chǎn)過程，支持DMC 觀點(diǎn)的科學(xué)家和工程師相信這種生產(chǎn)方式可能大幅降低生物燃料的生產(chǎn)成本。王教授實(shí)驗(yàn)室研究一些在嚴(yán)格厭氧條件下生長的微生物，比如，熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）［7］。除了生產(chǎn)乙醇，他還關(guān)注生產(chǎn)乙酸、丁酸、丁醇和丙酮等大宗生物產(chǎn)品（biocommodity），同時開發(fā)了用于對專性厭氧菌的基因改造方法［9］。盡管王教授證明了可以將纖維素生物質(zhì)直接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇和其他生物產(chǎn)品［8］，但是由于全球石油價(jià)格再次下降，該技術(shù)無法大規(guī)模應(yīng)用。

到1980 年，重組DNA 技術(shù)開始用于改造微生物和動植物細(xì)胞，生產(chǎn)許多新的生物制品，如促紅細(xì)胞生成素、胰島素、單抗等。因?yàn)樵诩?xì)菌系統(tǒng)中很難生產(chǎn)重組人源蛋白質(zhì)（尤其是糖基化蛋白質(zhì)），因此動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)再一次受到重視。20 世紀(jì)60 年代后期，王教授就開始構(gòu)建動物細(xì)胞培養(yǎng)的研究平臺［10］。1977 年，他進(jìn)一步發(fā)展微載體技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)動物細(xì)胞來生產(chǎn)病毒［11］。王教授實(shí)驗(yàn)室長期改善動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，包括：重新設(shè)計(jì)動物細(xì)胞的生長培養(yǎng)基［12］，設(shè)計(jì)用于動物細(xì)胞培養(yǎng)的新型生物反應(yīng)器［13］，引入新型傳感器來監(jiān)測發(fā)酵性能［14］，應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制以增強(qiáng)和理解發(fā)酵過程［15］。同時，他利用數(shù)學(xué)模型分析了動物細(xì)胞培養(yǎng)中的供氧需求和機(jī)械剪切的關(guān)系，得出一個全新的理論，推動了動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的重大改進(jìn)［16-17］。王教授的學(xué)生以及合作者共同發(fā)展的動物細(xì)胞培養(yǎng)的研究平臺，成為了生物制造的最關(guān)鍵平臺之一［18］。

2010 年，本文作者有幸獲得《生物技術(shù)和生物工程》（Biotechnology&Bioengineering）雜志以王義翹教授（Daniel I.C.Wang）名字命名的獎項(xiàng)，該獎項(xiàng)每年授予全球生化工程領(lǐng)域的一位青年科學(xué)家。當(dāng)時，本人是美國維吉尼亞理工大學(xué)（Virginia Tech.）的副教授，剛剛獲得終身教職，因此有著新夢想——開創(chuàng)屬于自己的全新領(lǐng)域。王教授和他夫人邀請我一起吃飯，我利用這個機(jī)會請教王教授有關(guān)科研選題的問題。王教授告誡我：“針對重大需求，抓住關(guān)鍵問題?！薄坝兴鶠椋兴粸?，甘心坐冷板凳?！薄安槐刈非蟀l(fā)表高分論文，有影響的工作，無論發(fā)表在什么雜志，都會有長期影響力的。”幾年之后，我在全美化學(xué)年會的生物技術(shù)分會場再次見到王教授，我十分興奮地告訴他我的新突破——在未來的生物煉制工廠中，我們可以將纖維素轉(zhuǎn)化為淀粉，從而可能最終解決人類的糧食問題。王教授立刻就理解了這個想法的重要性，但是他也反復(fù)提醒一定要解決該生物轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)可行性問題。2015 年，作者實(shí)驗(yàn)室在《美國國家科學(xué)院院刊》發(fā)表論文，證明了利用體外合成生物技術(shù)聯(lián)合微生物發(fā)酵生產(chǎn)人造淀粉的技術(shù)可行性［19］。

2 生物煉制工廠以及現(xiàn)存問題

生物煉制工廠（biorefinery）是一種將廣義的生物質(zhì)（包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物）轉(zhuǎn)化過程和設(shè)備集成在一起的設(shè)施，用于從生物質(zhì)中生產(chǎn)生物燃料、電力、熱量和增值的生物產(chǎn)品（如燃料和材料）（即大宗生化產(chǎn)品）。生物煉制工廠概念類似于石油煉制廠，后者以石油為原料生產(chǎn)多種液體燃料（如汽油、柴油、煤油）和多種石化產(chǎn)品（如乙烯、丙烯、苯、甲苯等）。

第一代生物煉制工廠是指使用蔗糖和淀粉類等原料（如玉米、陳化糧）進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生乙醇制得生物燃料，還包括從油脂生產(chǎn)生物柴油。第一代生物煉制工廠生產(chǎn)工藝已經(jīng)十分成熟，美國、巴西、中國和歐盟等一些國家和地區(qū)已經(jīng)形成了完善的產(chǎn)業(yè)鏈。燃料乙醇主要產(chǎn)自甘蔗和玉米，產(chǎn)自小麥、甜菜和木薯的較少。生物柴油大多產(chǎn)自油菜籽和被回收的食用油（如地溝油），但棕櫚油、大豆油、麻瘋樹等也可用于制造生物柴油。圖1顯示了一個生物煉制工廠利用玉米生產(chǎn)乙醇和其他多種生物產(chǎn)品［如玉米油、面筋、淀粉、多種甜味劑（包括高果糖漿、葡萄糖、麥芽糖、甘露醇、山梨醇等）］。對于第一代生物煉制工廠，原料成本常常占據(jù)整個生產(chǎn)成本的一半以上。在這個煉制過程中，生產(chǎn)其他生物產(chǎn)品可以帶來一半以上的收入，超過乙醇收入，可以有效地改善生物煉制工廠的經(jīng)濟(jì)可行性和持續(xù)性。同理，石油煉制廠的大多數(shù)營收是來自石化產(chǎn)品，僅僅生產(chǎn)液體燃料（如汽油和柴油）的石油煉制廠在經(jīng)濟(jì)上是不可持續(xù)的。

圖1 基于玉米的第一代生物煉制工廠生產(chǎn)乙醇和多種生物產(chǎn)品Fig.1 Scheme of corn kernel-based first-generation biorefinery that can make multiple products from food&feed to sweeteners to ethanol,biochemicals and CO2

燃料乙醇是對環(huán)境相對友好的生物燃料，可作為汽油品質(zhì)改善劑和增氧劑，用于取代甲基叔丁基醚（methyltert-butyl ether，MTBE），以一定比例添加到汽油中，形成車用乙醇汽油（比如E10，是指包括10%乙醇和90%汽油的燃料）。2019 年全球燃料乙醇產(chǎn)量大約是8700 萬噸［20］。MTBE是一種高辛烷值汽油添加劑，常被用作汽油添加劑，以改善汽油的冷啟動特性、加速性能及提升辛烷值。但是MTBE 具有一定的毒性，它易于與水融合，可滲入土壤，是一種環(huán)境污染物。與常規(guī)汽油相比，使用乙醇汽油可減少汽車尾氣中40%的碳排放、36%～64%的細(xì)顆粒物（PM）排放，能明顯降低汽車尾氣有毒物質(zhì)含量。同時，汽車油路比較清潔，發(fā)動機(jī)積炭較少。

第一代生物燃料有著諸多缺點(diǎn)：①利用糧食生產(chǎn)燃料，可能造成糧食短缺和食品價(jià)格上漲；②絕大多數(shù)國家沒有足夠的耕地能夠滿足哪怕僅僅10%的液態(tài)燃油原料需求；③當(dāng)將玉米生長、收獲及加工期間的所有碳排放納入整個經(jīng)濟(jì)成本，二氧化碳減排效果有限。美國利用第一代生物煉制工廠將過剩的玉米生產(chǎn)乙醇，是“一箭雙雕”的策略，可以提高農(nóng)民收入（通過財(cái)政補(bǔ)貼）和改進(jìn)國家的能源安全。但是，其他國家難以效仿。

第二代生物煉制工廠是指以非糧生物質(zhì)為原料，生產(chǎn)以纖維素乙醇為代表的第二代液體生物燃料。生物質(zhì)是重要的可再生能源之一，分布廣泛，數(shù)量巨大，比如全球的木質(zhì)纖維素生物質(zhì)年產(chǎn)量大約是2000 億噸，是全球糧食總產(chǎn)量（大約27億噸）的70倍。（非糧的）木質(zhì)纖維素材料包括從木材廢料（如鋸木屑、木質(zhì)建筑殘片）到農(nóng)業(yè)廢棄物（如玉米秸稈、小麥莖稈），富含纖維素、生長迅速的草本植物，再到“能源作物”。能源作物是指生長迅速、纖維含量高、專門種植用作能源生產(chǎn)的多年生草本和木本植物。能源作物的種植生產(chǎn)不會干擾和危及現(xiàn)有糧食生產(chǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)能源作物能夠在不能用作農(nóng)田的邊際土地上快速生長，還有一些能夠在被廢水或者重金屬污染的土壤中生長并凈化土壤，如生長周期較短的灌木柳樹。利用木質(zhì)纖維素質(zhì)原料生產(chǎn)纖維素乙醇，可以更有效實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排，大幅提高燃料乙醇的生產(chǎn)潛力。中國可用的非糧生物質(zhì)以農(nóng)業(yè)廢棄物和木材廢物為主。隨著生活水平的提高，家用電器、煤氣使用日益廣泛，農(nóng)民對柴草的需求下降；秸稈焚燒產(chǎn)生的有害氣體及顆粒物成為導(dǎo)致霧霾天氣的污染源之一。

第二代生物煉制工廠對木質(zhì)纖維素利用，在技術(shù)發(fā)展初期是以酸水解技術(shù)作為起點(diǎn)，獲得單糖（葡萄糖和木糖）后，再用微生物將葡萄糖發(fā)酵成為乙醇。在第二次世界大戰(zhàn)中，美國曾經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)木糖部分取代蔗糖，作替代性甜味劑。20 世紀(jì)70 年代之后，纖維素酶水解技術(shù)概念開始取代酸水解技術(shù)，因?yàn)榉磻?yīng)條件更溫和、水解產(chǎn)物雜質(zhì)更少。同時，第二代生物煉制工廠將利用水解糖生產(chǎn)液體生物燃料以及其他生化產(chǎn)品和材料。第二代生物煉制工廠比第一代生物煉制工廠更復(fù)雜，主要包括三個步驟：生物質(zhì)原料的預(yù)處理，糖平臺技術(shù)（從木質(zhì)纖維素和半纖維素酶解制糖），以及發(fā)酵技術(shù)（尤其是木糖的利用和轉(zhuǎn)化）。在過去20多年間，全世界的科研活動主要集中在以上三個方向，比如：美國的生物質(zhì)加工應(yīng)用聯(lián)合體（CAFI）集中研究和比較不同生物質(zhì)的預(yù)處理技術(shù)［21］；酶制劑公司（如諾維信公司和杜邦杰能科）大幅減少纖維素酶生產(chǎn)成本，使之接近酶的最低理論生產(chǎn)成本［每千克酶（干重）大約10～20美元］［22-23］；多糖共同發(fā)酵［24-25］。

除了以上三個主要方向，王義翹教授提出的DMC概念再次引起大家的興趣。因?yàn)镈MC概念可以有效地減少纖維素酶和半纖維素酶成本，避免專門生產(chǎn)和添加纖維素酶；同時，基因工程改造的DMC 細(xì)菌或者混合細(xì)菌可以同時利用葡萄糖和戊糖。美國達(dá)特茅斯學(xué)院的Lee Lynd 教授將DMC重新命名為Consolidated BioProcessing（CBP，整合生物加工）［26］。作者在Lee Lynd的實(shí)驗(yàn)室中，證明了熱纖梭菌擁有一個特殊的纖維素酶水解機(jī)理，是利用纖維小體（一種纖維素酶的多酶復(fù)合體），將纖維素水解到纖維多糖而不是葡萄糖，將纖維多糖快速運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞體內(nèi)，進(jìn)行體內(nèi)纖維多糖磷酸化（而不是簡單纖維多糖水解），再進(jìn)行代謝，最后生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物乙醇［27］。這種特殊的纖維素水解機(jī)理能夠讓專性厭氧菌熱纖梭菌生產(chǎn)足夠ATP用于合成纖維素酶和菌體，同時，提高纖維水解速度，減少纖維素酶的合成量［28］。

但是，到21 世紀(jì)10 年代后期，全球石油價(jià)格再次大幅下降，基于纖維素乙醇的第二代生物煉制工廠面臨與20 世紀(jì)80 年代中期一樣的困局。相較于石油汽油和糧食乙醇，纖維素乙醇目前沒有任何市場競爭優(yōu)勢，主要原因是生產(chǎn)成本過高。這主要包括以下幾方面的問題：①原料收集困難，沒有現(xiàn)成基礎(chǔ)設(shè)施；②原料預(yù)處理過程能耗高、物耗高；③水解制糖用的纖維酶制劑水解能力低（酶用量大、成本高）；④廢水處理難度大。美國、意大利和巴西等國纖維素乙醇技術(shù)已經(jīng)接近成熟，商業(yè)化示范項(xiàng)目都已建成投產(chǎn)，但均沒有實(shí)現(xiàn)可盈利性生產(chǎn)。纖維素乙醇售價(jià)和石油價(jià)格緊密相關(guān)。即使國際油價(jià)重回70～80 美元/桶，第二代生物煉制工廠僅僅靠生產(chǎn)乙醇和其他低值產(chǎn)品（比如沼氣、發(fā)電）可能還是難以為繼的。

在低油價(jià)時期，為了改進(jìn)第二代生物煉制工廠的投資回報(bào)率（ROI，return on investment），除了減少生產(chǎn)成本（包括生物質(zhì)原料、直接工資和制造費(fèi)用），另一個重要的方法是增加產(chǎn)品收入。尋找可以從木質(zhì)纖維素生產(chǎn)大宗、高值生物產(chǎn)品的方法是未來生物煉制工廠的核心問題。高值產(chǎn)品可以幫助生物煉制工廠改進(jìn)投資回報(bào)率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性；大宗產(chǎn)品意味著廣大的市場潛力，可以和燃料乙醇生產(chǎn)規(guī)模相匹配（例如，2019 年全球燃料乙醇產(chǎn)量大約8700 萬噸［20］）。生產(chǎn)小宗高值產(chǎn)品對第二代生物煉制工廠在經(jīng)濟(jì)上幫助有限。比如，盡管可以利用木質(zhì)素生產(chǎn)香蘭素（一種廣泛使用的高值可食用香料），但是它的市場規(guī)模太小，難以補(bǔ)貼多個第二代生物煉制工廠。

生物煉制工廠經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵是聯(lián)產(chǎn)高值生物產(chǎn)品，而其重大影響是在于大宗生物產(chǎn)品（如燃料和材料）的生產(chǎn)。比如，從半纖維素生產(chǎn)低聚木糖，是由2～7 個木糖分子以β-1，4-糖苷鍵結(jié)合而成的功能性聚合糖，它可以通過半纖維素部分水解得到。低聚木糖是一種重要的食品和飼料添加劑，其附加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過葡萄糖和乙醇。它是有益腸道微生物（如雙歧桿菌、丁酸梭菌）生長的碳源，促進(jìn)益生菌增殖，同時生產(chǎn)多種有機(jī)酸，降低腸道pH 值，抑制有害菌生長。隨著各國禁止在動物飼料中添加抗生素，低聚木糖已經(jīng)成為重要的飼料添加劑，減少甚至避免抗生素使用。中國山東龍力生物技術(shù)公司就是將低聚木糖作為纖維素乙醇生產(chǎn)的副產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和推廣使用，目前其低聚木糖的生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)萬噸以上。

生物煉制工廠也可以將生產(chǎn)特定高值產(chǎn)品為主要產(chǎn)品，如健康糖。健康糖是一種幾乎無熱量、無脂肪、不含蔗糖的甜味劑，不會使人發(fā)胖，適用于任何人群，廣泛用于冰淇淋、飲料、餅干等食品。健康糖主要分為糖醇產(chǎn)品（如木糖醇、D-木糖、L-阿拉伯糖、赤蘚糖醇、麥芽糖醇、D-阿洛酮糖、D-塔格糖）、三氯蔗糖、阿斯巴甜、甜菊糖等。其中，木糖醇是一種低熱量的健康糖，可以部分取代蔗糖（但是對狗有劇毒），其售價(jià)也比蔗糖高幾倍。它的生產(chǎn)工藝是以玉米芯或其他木質(zhì)纖維素（如樺樹皮、甘蔗渣）為原料，半纖維素經(jīng)過酸水解得到D-木糖，對純化的D-木糖加氫合成得到木糖醇?，F(xiàn)在，全球木糖醇總銷量已達(dá)30 萬噸左右。丹麥丹尼斯克以及中國的華康藥業(yè)股份有限公司和山東福田是木糖醇的主要生產(chǎn)公司。L-阿拉伯糖是從玉米芯半纖維素水解生產(chǎn)木糖醇的副產(chǎn)物。它是一種純天然的零熱量健康糖，甜度為蔗糖的50%，對蔗糖代謝利用具有阻斷作用，適用于任何人群，對肥胖癥、糖尿病、高血糖、高血脂以及心腦血管病患者來說有預(yù)防和治療作用［29］。但是，L-阿拉伯糖產(chǎn)量少，因?yàn)樵蟻碓从邢耷液康?。因此，L-阿拉伯糖作為新甜味劑沒有得到廣泛應(yīng)用。

3 關(guān)于新生物煉制工廠的個人觀點(diǎn)

人類社會的重大需求包括糧食安全、環(huán)境安全、大健康、能源安全等。糧食安全是中國基本國策?！笆种杏屑Z，心中不慌”，糧食安全與社會的和諧、政治的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。雖然中國糧食連續(xù)十多年取得豐收，但大量使用化肥，導(dǎo)致耕地板結(jié)、沙化、酸化。中國的糧食安全必須實(shí)施以我為主、立足國內(nèi)、確保產(chǎn)能、適度進(jìn)口、科技支撐的國家糧食安全戰(zhàn)略。要依靠自己?？诩Z，集中國內(nèi)資源保重點(diǎn)，做到谷物基本自給、口糧絕對安全。因此，中國需要不斷拓寬新的糧食生產(chǎn)來源以應(yīng)對可能的糧食危機(jī)。利用生物技術(shù)生產(chǎn)非轉(zhuǎn)基因人造食物的研究在美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)剛剛起步，但已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。從人類食物的熱量攝取來看，碳水化合物是膳食的最重要組成，占熱量攝取的40%～80%。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的推薦，健康膳食中淀粉應(yīng)該大約占熱量攝取的60%。

中國每年大約消耗1500 萬噸蔗糖，每年進(jìn)口約300 萬～400 萬噸蔗糖。2017 年5 月，中國商務(wù)部最終決定，對關(guān)稅配額外進(jìn)口食糖征收保障措施關(guān)稅。淀粉制果糖正在部分取代蔗糖。但是，越來越多研究表明大量攝入果糖和蔗糖，特別是果糖，會導(dǎo)致肥胖、糖尿病、心血管疾病等［30-31］。在海外，高果糖漿的生產(chǎn)和消費(fèi)正在萎縮，大量食品開始標(biāo)注無高果糖漿添加。

新生物煉制工廠能夠?qū)⑸镔|(zhì)（如秸稈）有效地轉(zhuǎn)化為糧食和飼料（如人造淀粉、單細(xì)胞蛋白）、健康糖、大宗低值生物燃料、生物材料及其他高附加值的生物產(chǎn)品（圖2），將有效地部分解決中國的糧食安全、環(huán)境安全、大健康等挑戰(zhàn)?；谀壳耙延斜姸嗉夹g(shù)突破（如生物質(zhì)預(yù)處理［21，32］、纖維素酶改進(jìn)和酶發(fā)酵成本下降［22-23］、多糖共同發(fā)酵［24-25］、高效生產(chǎn)生物制品的代謝工程改造微生物［33］），個人認(rèn)為下一代生物煉制過程中最重要的三個技術(shù)突破可能是：

圖2 基于生物質(zhì)的未來生物煉制工廠生產(chǎn)糧食和飼料、健康糖以及多種生物產(chǎn)品（包括半纖維素衍生的產(chǎn)品）Fig.2 Scheme of lignocellulose-based new-generation biorefinery that can make multiple products from food&feed,sweeteners,materials to hydrogen,biofuels,biochemicals,and biomaterials.

（1）為了增加在未來生物煉制工廠的ROI，將生物質(zhì)中的D-木糖轉(zhuǎn)化為L-阿拉伯糖是新生物煉制的最重要關(guān)鍵之一。首先，利用D-木糖生產(chǎn)L-阿拉伯糖的增值倍數(shù)是利用D-木糖生產(chǎn)乙醇的5～10倍以上，可以大幅改善生物煉制工廠的ROI。其次，L-阿拉伯糖作為純天然甜味劑，有著廣大市場潛力，可以到達(dá)每年幾千萬噸，甚至1 億噸水平（參考超過1 億噸蔗糖的年產(chǎn)量和幾千萬噸高果糖漿的年產(chǎn)量）。第三，天然L-阿拉伯糖的稀缺性和高價(jià)導(dǎo)致它沒有被廣泛接受。近來，作者在中科院天津生物技術(shù)研究所的實(shí)驗(yàn)室通過對自然界的酶進(jìn)行篩選尋找沒有被報(bào)道過的戊糖碳4位差向異構(gòu)酶，利用酶的雜錯性挑選出最好的碳4位差向異構(gòu)酶，建立D-木酮糖4位差向異構(gòu)酶的高通量篩選方法，利用定向進(jìn)化大幅提高D-木酮糖4位差向異構(gòu)酶的酶活，反應(yīng)速度已經(jīng)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)。2019年，作者提交了有關(guān)戊糖碳4位差向異構(gòu)酶的中國專利申請以及PCT［34］。該技術(shù)可以通過三個酶（D-木糖異構(gòu)酶、D-木酮糖4位差向異構(gòu)酶和L-阿拉伯糖異構(gòu)酶）將D-木糖轉(zhuǎn)化為L-阿拉伯糖；該級聯(lián)反應(yīng)不需要輔酶，不涉及氧化還原反應(yīng)［34］。該技術(shù)解決了自然界L-阿拉伯糖的來源有限、在半纖維素中含量低、分離成本高的難題，為大規(guī)模從生物質(zhì)生產(chǎn)L-阿拉伯糖鋪平了道路。

（2）為了降低生物煉制工廠的生產(chǎn)成本，需要發(fā)展能更有效降解纖維素的新CBP 微生物，進(jìn)一步降低纖維素酶的生產(chǎn)成本，甚至可以有效降解沒有或輕微預(yù)處理的生物質(zhì)［35］；同時，該微生物能夠?qū)⒏鞣N糖（如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）共同高效、高速發(fā)酵到所需的生物產(chǎn)品。另外，這種微生物可以生長在便宜的工業(yè)培養(yǎng)基上；菌體不含內(nèi)毒素，最好是GRAS的微生物，可以作為SCP用作動物飼料的蛋白添加；有著成熟的基因改造工具。滿足以上要求的微生物現(xiàn)在并不存在，這種新CBP微生物是下一個研究方向。

（3）為了增加未來生物煉制工廠的生產(chǎn)靈活性，將生物質(zhì)中的（一部分）不可食用纖維素部分轉(zhuǎn)化為人造淀粉。簡單而言，通過體外多酶分子機(jī)器和纖維素降解的微生物將預(yù)處理后生物質(zhì)（如稻稈、麥稈等）一步法轉(zhuǎn)化為人造淀粉、乙醇（或其他生物產(chǎn)品）以及單細(xì)胞蛋白［19］。2015 年，作者發(fā)表論文，顯示了該想法的技術(shù)可行性［19］。美國《科學(xué)》雜志請加州理工的弗朗西絲·阿諾德（Frances Arnold，2018 年諾貝爾化學(xué)家獲得者）評論，她寫道：“該論文展示了一個重要的轉(zhuǎn)換，總體思路很酷?！?，該過程是否在經(jīng)濟(jì)上可行還是一個大問題。”［36］總體而言，該轉(zhuǎn)化技術(shù)不消耗能源，不需要昂貴的催化劑和反應(yīng)器，并且沒有糖損失，作者認(rèn)為很有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大和生產(chǎn)。具體而言，“不消耗能源”代表高能源利用效率，“不需要昂貴的催化劑和反應(yīng)器”代表低成本的催化劑和低設(shè)備投入以及工業(yè)放大的可行性，“沒有糖損失”代表高原料利用率。為了解決該技術(shù)的生產(chǎn)成本問題，需要解決有關(guān)酶的生產(chǎn)成本、延長酶的壽命和實(shí)現(xiàn)酶的循環(huán)利用三個技術(shù)難點(diǎn)。參考現(xiàn)有工業(yè)酶的生產(chǎn)成本（如纖維素酶和蛋白酶），以及工業(yè)（高溫）酶的壽命和固定化酶的循環(huán)利用（如葡萄糖異構(gòu)酶），作者認(rèn)為以上三個技術(shù)挑戰(zhàn)是可以解決的。

利用體外多酶分子機(jī)器可以生產(chǎn)與植物淀粉性質(zhì)完全相同的合成淀粉。人造淀粉可作為動物飼料添加，部分取代玉米飼料；人造淀粉也作為工業(yè)發(fā)酵原料，部分取代淀粉類糧食。將人造淀粉在淀粉產(chǎn)品中添加，改變已有產(chǎn)品的口感和營養(yǎng)價(jià)值。大鼠實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明人造直鏈淀粉和人造支鏈淀粉有著不同的升糖指數(shù)，比天然淀粉更難被大鼠利用（未發(fā)表）。將人造淀粉制作人造大米，難以降解的直鏈淀粉將是一種益生元，不能被人體小腸吸收和利用的部分淀粉分子，能夠支持大腸中有益菌的代謝和增殖，從而改善特殊人群（尤其是老人）的健康；富含直鏈淀粉的飲食也是糖尿病易發(fā)人群的保健食品。進(jìn)一步，改變?nèi)嗽斓矸酆铣蓷l件也可以生產(chǎn)與天然淀粉性質(zhì)不同的新型淀粉，可能具有一些新功能以及新應(yīng)用。比如，可控制鏈長和支鏈分布的人造淀粉作為藥物緩釋載體。直鏈淀粉可用于生產(chǎn)可降解的生物塑料膜，尤其適合于食品和藥品包裝，因?yàn)樗难鯕馔高^率較低［19］。人造淀粉也是高密度儲能化合物，其儲氫密度高達(dá)14.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可以用于驅(qū)動氫-燃料電池汽車；也是高能儲電載體，儲電密度超過3 kW·h/kg［37］。

新生物煉制工廠利用生物質(zhì)生產(chǎn)糧食和飼料、健康糖以及生物產(chǎn)品（如乙醇、丁醇以及生物材料等），可能將為中國和世界的農(nóng)業(yè)和生物制造帶來劃時代變革。對于農(nóng)業(yè)，從種植一年生的淀粉作物到種植多年生的非糧作物可能導(dǎo)致可持續(xù)農(nóng)業(yè)的革命。種植多年生的非糧作物（比如草和樹）比種植單年生的淀粉作物（糧食）有著十大優(yōu)點(diǎn)：①生物質(zhì)產(chǎn)量高，替代糧食生產(chǎn)的潛力大；②以量計(jì)算，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是最大的廢水生產(chǎn)部門，農(nóng)業(yè)耗水大幅減少，一些半干旱的土地有可能將成為未來的糧倉；③大幅減少農(nóng)業(yè)的投入，如化肥和農(nóng)藥使用，幾乎不用翻耕，減少每年種子使用；④化肥利用率高，幾乎徹底消除面源污染物污染（如化肥氮、化肥磷、土壤粉塵）；⑤種植多年生作物有利于保護(hù)土地，永久土層和根系形成將幫助改善土壤管理，幾乎不會有水土流失和土地侵蝕；⑥種植多年生作物對種植條件（降水、溫度、光照、肥力）要求低，糧食生產(chǎn)潛力將大大增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)的絕對安全；⑦非糧生物質(zhì)可以有著超長保存期，實(shí)現(xiàn)真正的“藏糧于山”“藏糧于林”；⑧種植多年生作物更能大幅減少碳排放，減少氣候變化的影響；⑨種植多種多年生作物可以增加生物多樣性，改善野生動植物棲息地；⑩多年生作物更耐受極端氣候（比如干旱、洪水、高溫、冰凍等）。

新生物煉制工廠也將有助于生物制造技術(shù)的革新。體外多酶分子機(jī)器將成為生化過程的新生產(chǎn)平臺之一，可以實(shí)現(xiàn)高效、高速的生物轉(zhuǎn)化。在很多應(yīng)用上，它實(shí)現(xiàn)微生物發(fā)酵難以實(shí)現(xiàn)的生物轉(zhuǎn)化。比如，體外多酶分子機(jī)器可以將纖維素高效率轉(zhuǎn)化到淀粉；然而，微生物不能有效進(jìn)行該轉(zhuǎn)化，因?yàn)榈孜锖彤a(chǎn)物都是高分子量的聚合物，難以通過細(xì)胞膜。

英國學(xué)者托馬斯·馬爾薩斯在他1798 年出版的《人口論》里預(yù)言：人口會指數(shù)增長超越食物供應(yīng)，導(dǎo)致人均占有食物減少，最弱者就會因此而餓死。但是，在過去二百多年，幾個關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)突破（比如，合成氨、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及良種）和耕地的增加大幅提高了糧食產(chǎn)量，使馬爾薩斯的預(yù)言落空。未來的生物煉制工廠將幫助實(shí)現(xiàn)“新農(nóng)業(yè)的工業(yè)化”，在以市場需求為導(dǎo)向的前提下，用工業(yè)生物技術(shù)手段和生物煉制工廠，對生物質(zhì)進(jìn)行深加工，用工業(yè)手段生產(chǎn)糧食、飼料、再生能源、材料以及各種生物產(chǎn)品。生物煉制工廠和種植多年生作物將再一次打破“馬爾薩斯陷阱”［38-39］。

4 結(jié)語

王教授的學(xué)術(shù)生涯可以給我們?nèi)齻€重要的啟示：①科研選題的重要性；②經(jīng)濟(jì)學(xué)決定生物產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的可行性；③持續(xù)的科研經(jīng)費(fèi)資助對科技人員研發(fā)能力的提升，以及技術(shù)迭代積累的重要性。王教授一生中多次調(diào)整他的科研方向。為解決20 世紀(jì)60 年代的糧食需求，他研究單細(xì)胞蛋白的培養(yǎng)和分離。為解決80 年代初的可再生液體燃料需求，他研究利用生物質(zhì)生產(chǎn)第二代生物燃料。20 世紀(jì)80 年代，為解決大規(guī)模低成本生產(chǎn)蛋白藥物，集中研究動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)?？傊?，他的科研生涯很好地體現(xiàn)了“社會需求決定科技發(fā)展的方向”。同時，盡管很多技術(shù)（如纖維素乙醇，利用甲烷生產(chǎn)SCP）可以在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)外部環(huán)境改變（如石油價(jià)格上升或下降，糧食價(jià)格下降），經(jīng)濟(jì)學(xué)決定它們是否能工業(yè)生產(chǎn)。王教授將傳統(tǒng)微生物發(fā)酵知識擴(kuò)展到動物細(xì)胞培養(yǎng)中，最終動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)成為了生物制造的最關(guān)鍵平臺之一。政府和企業(yè)對王教授的持續(xù)資助，尤其是他領(lǐng)導(dǎo)下的麻省理工學(xué)院生物技術(shù)過程工程中心（Biotechnology Process Engineering Center，BPEC），保證他的實(shí)驗(yàn)室的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新能力，最終在動物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)上獲得最大的成功。

現(xiàn)在中國正面臨重大挑戰(zhàn)，糧食安全、能源安全、大健康以及環(huán)境保護(hù)等等。重大需求對新農(nóng)業(yè)和生化工程、合成生物學(xué)的發(fā)展指出了新方向。全新的可持續(xù)農(nóng)業(yè)革命可能將導(dǎo)致從種植一年生糧食作物到種植多年生非糧作物的重大轉(zhuǎn)變。種植多年生非糧作物比種植一年生糧食作物有著諸多優(yōu)點(diǎn)：生物質(zhì)產(chǎn)量高，減少農(nóng)業(yè)水需求，減少化肥和農(nóng)藥投入，幾乎不用翻耕，基本徹底消除農(nóng)業(yè)面源污染，減少水土流失和土地侵蝕，大幅減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳固定，更耐受極端氣候，以及增加生物多樣性。體外多酶分子機(jī)器，合成生物學(xué)分支之一，是生物制造的全新生產(chǎn)平臺之一，該技術(shù)將眾多酶元件、多酶模塊、輔酶以及仿生輔酶構(gòu)成全新多酶代謝途徑，可以高效、高速、高得率地將底物轉(zhuǎn)化為目標(biāo)化合物［40-44］。與微生物發(fā)酵相比，多酶分子機(jī)器具有很多優(yōu)勢，例如原子得率高、副反應(yīng)少、反應(yīng)速度快、可耐受有毒的環(huán)境、產(chǎn)品易分離、系統(tǒng)可操作性強(qiáng)等。與（多）酶催化相比，多酶分子機(jī)器能實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化，大大地?cái)U(kuò)展傳統(tǒng)酶催化的領(lǐng)域和利用。在很多工業(yè)應(yīng)用上，它實(shí)現(xiàn)微生物發(fā)酵和酶催化難以實(shí)現(xiàn)的生物轉(zhuǎn)化［19，45-50］。

種植多年生非糧作物和未來生物煉制工廠相結(jié)合，不僅將能源和農(nóng)業(yè)緊密相連，農(nóng)業(yè)需要能源，也產(chǎn)生能源；同時，推動地方糧食-能源生產(chǎn)體系整合，避免浪費(fèi)，增加糧食和能源體系的總體生產(chǎn)力。大力推廣健康糖的生產(chǎn)和使用不僅提高農(nóng)民收入，而且促進(jìn)人民健康，減少糖尿病、肥胖、心血管疾病等的發(fā)生率。未來生物煉制工廠將利用生物質(zhì)生產(chǎn)糧食和飼料、健康糖以及生物產(chǎn)品，這為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來劃時代變革，為中國的糧食安全提供新的思路；同時，新生物制造（如體外合成生物學(xué)）將加快各子領(lǐng)域科技創(chuàng)新，幫助掌握全球科技競爭先機(jī)。未來生物精煉廠和可持續(xù)農(nóng)業(yè)革命可以解決我們時代面臨的挑戰(zhàn)，以滿足能源-食品-水需求關(guān)系的不斷增長。

致謝：本論文是在孫際賓研究員的鼓勵下完成的，同時，我也感謝他和三個審稿人的寶貴修改意見。