憶王義翹教授對生物煉制的貢獻和我對此領域未來發展的觀點

張以恒

（中國科學院天津工業生物技術研究所，天津 300308）

1 生物化學工程學和王義翹教授對生物煉制的貢獻

現代的生物化學工程學（biochemical engineering，簡稱生化工程）始于20 世紀50 年代，開始于利用微生物發酵技術滿足對抗生素生產和現代食品加工的需求。現在，生化工程已經發展成為化學工程的最重要前沿分支之一，應用化學工程的原理和方法，研究解決活的生物體或酶參與的生物制造過程，即生化反應過程中的基礎理論及工程技術問題。生化工程是一種使能技術，促進生物學、微生物學、化學工程、酶學和食品學之間的合作，是生物技術中將現代生物學的成就轉變成生產力和社會財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酵罐大量培養青霉素生產菌，代替了原來用上萬個表面培養皿的生產方法。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中的氧供應、培養基優化、空氣滅菌、青霉素提取以及青霉素儲存中的關鍵技術和設備問題，從中建立了發酵過程中的攪拌通氣、培養基滅菌和空氣滅菌等單元操作，也為生化工程學科的建立奠定了初步的理論基礎。為了解決青霉素降解問題，冷凍干燥技術被發明、改進和大規模應用，人們可以方便地儲存、運輸和使用青霉素。隨后，1944 年發現的鏈霉素，1946 年發現的氯霉素等都相繼順利地工業化發酵生產。在此以后，生化工程在為其后出現的氨基酸發酵、酶制劑生產、甾體生物轉化以及酶的工業應用等過程開發和對微生物發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院營養和食品科學系，擔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科的教育，大力地推動多學科交叉的研究創新，使之正式發展成為化學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60 年代中期，全球玉米和大豆的價格迅速上漲，而全球糧食資源卻分布極其不均。基于對未來糧食可能短缺的預測，科學家和工程師面臨一個新挑戰——如何利用創新方式生產足夠的糧食？王教授選擇研究單細胞蛋白（single cell protein，SCP）的培養和生產［2］。單細胞蛋白，也叫微生物蛋白，它是利用工農業廢料及石油廢料培養的微生物菌體，可作為蛋白質的新來源。單細胞蛋白具有諸多優點：①生產速度快，比動植物高成百上千倍，這主要是因為微生物的生長繁殖速度快。②生產原料來源廣，如農業廢物、廢水，工業廢物、廢水，石油、天然氣及相關產品，以及含氫氣、一氧化碳等的工業廢氣。③可以工業化生產，不受地區、季節和氣候的限制，而且質量穩定。④能源轉化利用效率高。單細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胞蛋白制成的“人造肉”，如Quorn?。單細胞蛋白可用作為食品添加劑，用以補充蛋白質、維生素、礦物質等，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，單細胞蛋白也作為動物飼料蛋白，其營養價值優于魚粉和大豆粉。

為了實現單細胞蛋白的經濟生產，王教授實驗室集中解決低成本、大規模單細胞蛋白培養和分離技術，包括氣升式（air-lifted）發酵罐［3］、絮凝技術［4］、針對細胞和蛋白質回收的膜技術［5］，并闡明了高壓破碎細胞的原理。當時石油和天然氣等化石能源價格低廉，他利用甲烷、甲醇和石油烷烴作為碳源來培養微生物，生產單細胞蛋白［6］。

但是，到1975 年，綠色革命對全球小麥、玉米和大豆的供應產生積極影響，全球糧食價格開始持續下降。幾乎與此同時，第一次石油危機（1973—1974年）發生，石油價格從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（1979 年至20 世紀80 年代初）發生，造成石油價格從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格的預期完全反轉了，開始考慮利用多余的糧食生產生物燃料，解決能源危機。比如，美國開始利用多余的玉米生產乙醇，巴西利用富余的蔗糖生產乙醇。

將糧食轉化為生物燃料會對糧食安全和環境產生一些負面影響，所以人們將注意力集中在非糧的纖維素生物質（以下簡稱生物質）的轉化和利用。在20 世紀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中纖維素和半纖維素直接轉化生物燃料（direct microbial conversion，DMC）［7-8］。在這個厭氧過程中，纖維素降解微生物生產纖維素酶，將生物質中的纖維素水解，發酵水解糖生產乙醇，整個過程不添加昂貴的外源纖維素酶。厭氧發酵是高效率生物轉化的關鍵，因為避免了碳水化合物的直接氧化。除了簡化生產過程，支持DMC 觀點的科學家和工程師相信這種生產方式可能大幅降低生物燃料的生產成本。王教授實驗室研究一些在嚴格厭氧條件下生長的微生物，比如，熱纖梭菌（Clostridium thermocellum）［7］。除了生產乙醇，他還關注生產乙酸、丁酸、丁醇和丙酮等大宗生物產品（biocommodity），同時開發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直接發酵生產乙醇和其他生物產品［8］，但是由于全球石油價格再次下降，該技術無法大規模應用。

到1980 年，重組DNA 技術開始用于改造微生物和動植物細胞，生產許多新的生物制品，如促紅細胞生成素、胰島素、單抗等。因為在細菌系統中很難生產重組人源蛋白質（尤其是糖基化蛋白質），因此動物細胞培養技術再一次受到重視。20 世紀60 年代后期，王教授就開始構建動物細胞培養的研究平臺［10］。1977 年，他進一步發展微載體技術進行大規模培養動物細胞來生產病毒［11］。王教授實驗室長期改善動物細胞培養技術，包括：重新設計動物細胞的生長培養基［12］，設計用于動物細胞培養的新型生物反應器［13］，引入新型傳感器來監測發酵性能［14］，應用計算機控制以增強和理解發酵過程［15］。同時，他利用數學模型分析了動物細胞培養中的供氧需求和機械剪切的關系，得出一個全新的理論，推動了動物細胞培養技術的重大改進［16-17］。王教授的學生以及合作者共同發展的動物細胞培養的研究平臺，成為了生物制造的最關鍵平臺之一［18］。

2010 年，本文作者有幸獲得《生物技術和生物工程》（Biotechnology&Bioengineering）雜志以王義翹教授（Daniel I.C.Wang）名字命名的獎項，該獎項每年授予全球生化工程領域的一位青年科學家。當時，本人是美國維吉尼亞理工大學（Virginia Tech.）的副教授，剛剛獲得終身教職，因此有著新夢想——開創屬于自己的全新領域。王教授和他夫人邀請我一起吃飯，我利用這個機會請教王教授有關科研選題的問題。王教授告誡我：“針對重大需求，抓住關鍵問題。”“有所為，有所不為，甘心坐冷板凳。”“不必追求發表高分論文，有影響的工作，無論發表在什么雜志，都會有長期影響力的。”幾年之后，我在全美化學年會的生物技術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，但是他也反復提醒一定要解決該生物轉化的經濟可行性問題。2015 年，作者實驗室在《美國國家科學院院刊》發表論文，證明了利用體外合成生物技術聯合微生物發酵生產人造淀粉的技術可行性［19］。

2 生物煉制工廠以及現存問題

生物煉制工廠（biorefinery）是一種將廣義的生物質（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的廢棄物）轉化過程和設備集成在一起的設施，用于從生物質中生產生物燃料、電力、熱量和增值的生物產品（如燃料和材料）（即大宗生化產品）。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多種液體燃料（如汽油、柴油、煤油）和多種石化產品（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）進行發酵產生乙醇制得生物燃料，還包括從油脂生產生物柴油。第一代生物煉制工廠生產工藝已經十分成熟，美國、巴西、中國和歐盟等一些國家和地區已經形成了完善的產業鏈。燃料乙醇主要產自甘蔗和玉米，產自小麥、甜菜和木薯的較少。生物柴油大多產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乙醇和其他多種生物產品［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，原料成本常常占據整個生產成本的一半以上。在這個煉制過程中，生產其他生物產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濟可行性和持續性。同理，石油煉制廠的大多數營收是來自石化產品，僅僅生產液體燃料（如汽油和柴油）的石油煉制廠在經濟上是不可持續的。

圖1 基于玉米的第一代生物煉制工廠生產乙醇和多種生物產品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

燃料乙醇是對環境相對友好的生物燃料，可作為汽油品質改善劑和增氧劑，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，是一種環境污染物。與常規汽油相比，使用乙醇汽油可減少汽車尾氣中40%的碳排放、36%～64%的細顆粒物（PM）排放，能明顯降低汽車尾氣有毒物質含量。同時，汽車油路比較清潔，發動機積炭較少。

第一代生物燃料有著諸多缺點：①利用糧食生產燃料，可能造成糧食短缺和食品價格上漲；②絕大多數國家沒有足夠的耕地能夠滿足哪怕僅僅10%的液態燃油原料需求；③當將玉米生長、收獲及加工期間的所有碳排放納入整個經濟成本，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乙醇，是“一箭雙雕”的策略，可以提高農民收入（通過財政補貼）和改進國家的能源安全。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為原料，生產以纖維素乙醇為代表的第二代液體生物燃料。生物質是重要的可再生能源之一，分布廣泛，數量巨大，比如全球的木質纖維素生物質年產量大約是2000 億噸，是全球糧食總產量（大約27億噸）的70倍。（非糧的）木質纖維素材料包括從木材廢料（如鋸木屑、木質建筑殘片）到農業廢棄物（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的多年生草本和木本植物。能源作物的種植生產不會干擾和危及現有糧食生產，因為大多數能源作物能夠在不能用作農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。利用木質纖維素質原料生產纖維素乙醇，可以更有效實現二氧化碳減排，大幅提高燃料乙醇的生產潛力。中國可用的非糧生物質以農業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，農民對柴草的需求下降；秸稈焚燒產生的有害氣體及顆粒物成為導致霧霾天氣的污染源之一。

第二代生物煉制工廠對木質纖維素利用，在技術發展初期是以酸水解技術作為起點，獲得單糖（葡萄糖和木糖）后，再用微生物將葡萄糖發酵成為乙醇。在第二次世界大戰中，美國曾經大規模生產木糖部分取代蔗糖，作替代性甜味劑。20 世紀70 年代之后，纖維素酶水解技術概念開始取代酸水解技術，因為反應條件更溫和、水解產物雜質更少。同時，第二代生物煉制工廠將利用水解糖生產液體生物燃料以及其他生化產品和材料。第二代生物煉制工廠比第一代生物煉制工廠更復雜，主要包括三個步驟：生物質原料的預處理，糖平臺技術（從木質纖維素和半纖維素酶解制糖），以及發酵技術（尤其是木糖的利用和轉化）。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：美國的生物質加工應用聯合體（CAFI）集中研究和比較不同生物質的預處理技術［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成本，使之接近酶的最低理論生產成本［每千克酶（干重）大約10～20美元］［22-23］；多糖共同發酵［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。因為DMC概念可以有效地減少纖維素酶和半纖維素酶成本，避免專門生產和添加纖維素酶；同時，基因工程改造的DMC 細菌或者混合細菌可以同時利用葡萄糖和戊糖。美國達特茅斯學院的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的實驗室中，證明了熱纖梭菌擁有一個特殊的纖維素酶水解機理，是利用纖維小體（一種纖維素酶的多酶復合體），將纖維素水解到纖維多糖而不是葡萄糖，將纖維多糖快速運輸到細胞體內，進行體內纖維多糖磷酸化（而不是簡單纖維多糖水解），再進行代謝，最后生產目標產物乙醇［27］。這種特殊的纖維素水解機理能夠讓專性厭氧菌熱纖梭菌生產足夠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10 年代后期，全球石油價格再次大幅下降，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勢，主要原因是生產成本過高。這主要包括以下幾方面的問題：①原料收集困難，沒有現成基礎設施；②原料預處理過程能耗高、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已經接近成熟，商業化示范項目都已建成投產，但均沒有實現可盈利性生產。纖維素乙醇售價和石油價格緊密相關。即使國際油價重回70～80 美元/桶，第二代生物煉制工廠僅僅靠生產乙醇和其他低值產品（比如沼氣、發電）可能還是難以為繼的。

在低油價時期，為了改進第二代生物煉制工廠的投資回報率（ROI，return on investment），除了減少生產成本（包括生物質原料、直接工資和制造費用），另一個重要的方法是增加產品收入。尋找可以從木質纖維素生產大宗、高值生物產品的方法是未來生物煉制工廠的核心問題。高值產品可以幫助生物煉制工廠改進投資回報率，實現經濟可行性；大宗產品意味著廣大的市場潛力，可以和燃料乙醇生產規模相匹配（例如，2019 年全球燃料乙醇產量大約8700 萬噸［20］）。生產小宗高值產品對第二代生物煉制工廠在經濟上幫助有限。比如，盡管可以利用木質素生產香蘭素（一種廣泛使用的高值可食用香料），但是它的市場規模太小，難以補貼多個第二代生物煉制工廠。

生物煉制工廠經濟可行性的關鍵是聯產高值生物產品，而其重大影響是在于大宗生物產品（如燃料和材料）的生產。比如，從半纖維素生產低聚木糖，是由2～7 個木糖分子以β-1，4-糖苷鍵結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，其附加值遠遠超過葡萄糖和乙醇。它是有益腸道微生物（如雙歧桿菌、丁酸梭菌）生長的碳源，促進益生菌增殖，同時生產多種有機酸，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公司就是將低聚木糖作為纖維素乙醇生產的副產品進行開發和推廣使用，目前其低聚木糖的生產規模已達萬噸以上。

生物煉制工廠也可以將生產特定高值產品為主要產品，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），其售價也比蔗糖高幾倍。它的生產工藝是以玉米芯或其他木質纖維素（如樺樹皮、甘蔗渣）為原料，半纖維素經過酸水解得到D-木糖，對純化的D-木糖加氫合成得到木糖醇。現在，全球木糖醇總銷量已達30 萬噸左右。丹麥丹尼斯克以及中國的華康藥業股份有限公司和山東福田是木糖醇的主要生產公司。L-阿拉伯糖是從玉米芯半纖維素水解生產木糖醇的副產物。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防和治療作用［29］。但是，L-阿拉伯糖產量少，因為原料來源有限且含量低。因此，L-阿拉伯糖作為新甜味劑沒有得到廣泛應用。

3 關于新生物煉制工廠的個人觀點

人類社會的重大需求包括糧食安全、環境安全、大健康、能源安全等。糧食安全是中國基本國策。“手中有糧，心中不慌”，糧食安全與社會的和諧、政治的穩定、經濟的持續發展息息相關。雖然中國糧食連續十多年取得豐收，但大量使用化肥，導致耕地板結、沙化、酸化。中國的糧食安全必須實施以我為主、立足國內、確保產能、適度進口、科技支撐的國家糧食安全戰略。要依靠自己保口糧，集中國內資源保重點，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來源以應對可能的糧食危機。利用生物技術生產非轉基因人造食物的研究在美國和歐洲等發達國家和地區剛剛起步，但已經受到廣泛關注。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%。根據世界衛生組織的推薦，健康膳食中淀粉應該大約占熱量攝取的60%。

中國每年大約消耗1500 萬噸蔗糖，每年進口約300 萬～400 萬噸蔗糖。2017 年5 月，中國商務部最終決定，對關稅配額外進口食糖征收保障措施關稅。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，會導致肥胖、糖尿病、心血管疾病等［30-31］。在海外，高果糖漿的生產和消費正在萎縮，大量食品開始標注無高果糖漿添加。

新生物煉制工廠能夠將生物質（如秸稈）有效地轉化為糧食和飼料（如人造淀粉、單細胞蛋白）、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品（圖2），將有效地部分解決中國的糧食安全、環境安全、大健康等挑戰。基于目前已有眾多技術突破（如生物質預處理［21，32］、纖維素酶改進和酶發酵成本下降［22-23］、多糖共同發酵［24-25］、高效生產生物制品的代謝工程改造微生物［33］），個人認為下一代生物煉制過程中最重要的三個技術突破可能是：

圖2 基于生物質的未來生物煉制工廠生產糧食和飼料、健康糖以及多種生物產品（包括半纖維素衍生的產品）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，將生物質中的D-木糖轉化為L-阿拉伯糖是新生物煉制的最重要關鍵之一。首先，利用D-木糖生產L-阿拉伯糖的增值倍數是利用D-木糖生產乙醇的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 億噸蔗糖的年產量和幾千萬噸高果糖漿的年產量）。第三，天然L-阿拉伯糖的稀缺性和高價導致它沒有被廣泛接受。近來，作者在中科院天津生物技術研究所的實驗室通過對自然界的酶進行篩選尋找沒有被報道過的戊糖碳4位差向異構酶，利用酶的雜錯性挑選出最好的碳4位差向異構酶，建立D-木酮糖4位差向異構酶的高通量篩選方法，利用定向進化大幅提高D-木酮糖4位差向異構酶的酶活，反應速度已經可以滿足工業生產。2019年，作者提交了有關戊糖碳4位差向異構酶的中國專利申請以及PCT［34］。該技術可以通過三個酶（D-木糖異構酶、D-木酮糖4位差向異構酶和L-阿拉伯糖異構酶）將D-木糖轉化為L-阿拉伯糖；該級聯反應不需要輔酶，不涉及氧化還原反應［34］。該技術解決了自然界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，為大規模從生物質生產L-阿拉伯糖鋪平了道路。

（2）為了降低生物煉制工廠的生產成本，需要發展能更有效降解纖維素的新CBP 微生物，進一步降低纖維素酶的生產成本，甚至可以有效降解沒有或輕微預處理的生物質［35］；同時，該微生物能夠將各種糖（如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖）共同高效、高速發酵到所需的生物產品。另外，這種微生物可以生長在便宜的工業培養基上；菌體不含內毒素，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靈活性，將生物質中的（一部分）不可食用纖維素部分轉化為人造淀粉。簡單而言，通過體外多酶分子機器和纖維素降解的微生物將預處理后生物質（如稻稈、麥稈等）一步法轉化為人造淀粉、乙醇（或其他生物產品）以及單細胞蛋白［19］。2015 年，作者發表論文，顯示了該想法的技術可行性［19］。美國《科學》雜志請加州理工的弗朗西絲·阿諾德（Frances Arnold，2018 年諾貝爾化學家獲得者）評論，她寫道：“該論文展示了一個重要的轉換，總體思路很酷。……但是，該過程是否在經濟上可行還是一個大問題。”［36］總體而言，該轉化技術不消耗能源，不需要昂貴的催化劑和反應器，并且沒有糖損失，作者認為很有可能實現工業放大和生產。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器”代表低成本的催化劑和低設備投入以及工業放大的可行性，“沒有糖損失”代表高原料利用率。為了解決該技術的生產成本問題，需要解決有關酶的生產成本、延長酶的壽命和實現酶的循環利用三個技術難點。參考現有工業酶的生產成本（如纖維素酶和蛋白酶），以及工業（高溫）酶的壽命和固定化酶的循環利用（如葡萄糖異構酶），作者認為以上三個技術挑戰是可以解決的。

利用體外多酶分子機器可以生產與植物淀粉性質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發酵原料，部分取代淀粉類糧食。將人造淀粉在淀粉產品中添加，改變已有產品的口感和營養價值。大鼠實驗已經證明人造直鏈淀粉和人造支鏈淀粉有著不同的升糖指數，比天然淀粉更難被大鼠利用（未發表）。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人群的保健食品。進一步，改變人造淀粉合成條件也可以生產與天然淀粉性質不同的新型淀粉，可能具有一些新功能以及新應用。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可降解的生物塑料膜，尤其適合于食品和藥品包裝，因為它的氧氣透過率較低［19］。人造淀粉也是高密度儲能化合物，其儲氫密度高達14.8%（質量分數），可以用于驅動氫-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生產糧食和飼料、健康糖以及生物產品（如乙醇、丁醇以及生物材料等），可能將為中國和世界的農業和生物制造帶來劃時代變革。對于農業，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致可持續農業的革命。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）有著十大優點：①生物質產量高，替代糧食生產的潛力大；②以量計算，現代農業是最大的廢水生產部門，農業耗水大幅減少，一些半干旱的土地有可能將成為未來的糧倉；③大幅減少農業的投入，如化肥和農藥使用，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，糧食生產潛力將大大增強，實現糧食生產的絕對安全；⑦非糧生物質可以有著超長保存期，實現真正的“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的革新。體外多酶分子機器將成為生化過程的新生產平臺之一，可以實現高效、高速的生物轉化。在很多應用上，它實現微生物發酵難以實現的生物轉化。比如，體外多酶分子機器可以將纖維素高效率轉化到淀粉；然而，微生物不能有效進行該轉化，因為底物和產物都是高分子量的聚合物，難以通過細胞膜。

英國學者托馬斯·馬爾薩斯在他1798 年出版的《人口論》里預言：人口會指數增長超越食物供應，導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，幾個關鍵科學技術突破（比如，合成氨、農藥、農業機械以及良種）和耕地的增加大幅提高了糧食產量，使馬爾薩斯的預言落空。未來的生物煉制工廠將幫助實現“新農業的工業化”，在以市場需求為導向的前提下，用工業生物技術手段和生物煉制工廠，對生物質進行深加工，用工業手段生產糧食、飼料、再生能源、材料以及各種生物產品。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 結語

王教授的學術生涯可以給我們三個重要的啟示：①科研選題的重要性；②經濟學決定生物產品產業化的可行性；③持續的科研經費資助對科技人員研發能力的提升，以及技術迭代積累的重要性。王教授一生中多次調整他的科研方向。為解決20 世紀60 年代的糧食需求，他研究單細胞蛋白的培養和分離。為解決80 年代初的可再生液體燃料需求，他研究利用生物質生產第二代生物燃料。20 世紀80 年代，為解決大規模低成本生產蛋白藥物，集中研究動物細胞培養技術。總之，他的科研生涯很好地體現了“社會需求決定科技發展的方向”。同時，盡管很多技術（如纖維素乙醇，利用甲烷生產SCP）可以在實驗室實現，但是當外部環境改變（如石油價格上升或下降，糧食價格下降），經濟學決定它們是否能工業生產。王教授將傳統微生物發酵知識擴展到動物細胞培養中，最終動物細胞培養技術成為了生物制造的最關鍵平臺之一。政府和企業對王教授的持續資助，尤其是他領導下的麻省理工學院生物技術過程工程中心（Biotechnology Process Engineering Center，BPEC），保證他的實驗室的持續發展和創新能力，最終在動物細胞培養技術上獲得最大的成功。

現在中國正面臨重大挑戰，糧食安全、能源安全、大健康以及環境保護等等。重大需求對新農業和生化工程、合成生物學的發展指出了新方向。全新的可持續農業革命可能將導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點：生物質產量高，減少農業水需求，減少化肥和農藥投入，幾乎不用翻耕，基本徹底消除農業面源污染，減少水土流失和土地侵蝕，大幅減少碳排放，實現碳固定，更耐受極端氣候，以及增加生物多樣性。體外多酶分子機器，合成生物學分支之一，是生物制造的全新生產平臺之一，該技術將眾多酶元件、多酶模塊、輔酶以及仿生輔酶構成全新多酶代謝途徑，可以高效、高速、高得率地將底物轉化為目標化合物［40-44］。與微生物發酵相比，多酶分子機器具有很多優勢，例如原子得率高、副反應少、反應速度快、可耐受有毒的環境、產品易分離、系統可操作性強等。與（多）酶催化相比，多酶分子機器能實現更加復雜的生物轉化，大大地擴展傳統酶催化的領域和利用。在很多工業應用上，它實現微生物發酵和酶催化難以實現的生物轉化［19，45-50］。

種植多年生非糧作物和未來生物煉制工廠相結合，不僅將能源和農業緊密相連，農業需要能源，也產生能源；同時，推動地方糧食-能源生產體系整合，避免浪費，增加糧食和能源體系的總體生產力。大力推廣健康糖的生產和使用不僅提高農民收入，而且促進人民健康，減少糖尿病、肥胖、心血管疾病等的發生率。未來生物煉制工廠將利用生物質生產糧食和飼料、健康糖以及生物產品，這為中國農業生產帶來劃時代變革，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）將加快各子領域科技創新，幫助掌握全球科技競爭先機。未來生物精煉廠和可持續農業革命可以解決我們時代面臨的挑戰，以滿足能源-食品-水需求關系的不斷增長。

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。