氨基酸及其衍生物生产现状

1、氨基酸及其衍生物生产现状舒国伟，陈合，张璐，王旭(陕西科技大学生命科学与工程学院，西安710021)摘要:文章综述了发酵法及酶法生产氨基酸及其衍生物的生产现状产品包括蛋白和非蛋白的 l氨基酸、d氨基酸及光学纯氨基酸衍生物。关键词:氨基酸;衍生物;谷氨酸棒杆菌中图分类号:ts26413文献标识码:a文章编号:10()0-9973 (2009) ()1 -0039-()3current status of production for amino acids and derivative sshu guo-wei ,chen he ,zhan g lu ,wan g xu(college of l

2、ife science & engineering , shaanxi univer sity of science &technology , xi?an 710021 ,china)abstract: a review concerning current status of production for amino acids and derivatives is pres- ented. the use of enzymes and whole cell biocatalyst s has proven particularly valuable in produc-

3、tionof bot h p rotei no genic and nonprotei no genic l-amino acids ,d-amino acids , and enantiomerical ly p ure amino acid derivatives.key words :amino acid ; derivative ; corynebacterium glutamicum氨基酸在人和动物营养和健康维持方面发挥着重要的作用。在2()种标准蛋白质氨基酸 中,8种必需氨基酸起着关键的作用,因为它们在人和动物体内不能合成，只能从食物或饲料 中摄取。就市场量而言，经过最近20多年的

4、发展，所谓饲料氨基酸(赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸 和色氨酸)快速增涨，占据了整个氨基酸市场份额的56 %(2004年的整个销售额约为45亿美 元)，食品行业氨基酸占32 %，其主要包括三种氨基酸:谷氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸浴氨酸用 于味精的生产(谷氨酸单钠盐)，而天冬氨酸和苯丙氨酸是合成甜味肽l天冬氨酰丄苯丙氨酸甲酯(阿斯巴甜)的起始原料。剩下的蛋白氨基b$(proteinogenic amino acids)用于制药和 化妆品工业，其也是合成手性活性成分的理想原料。根据bcc的调查，用于合成的氨基酸 市场年增长率约为7 %,在2009年将达到10亿美元其中用于合成甜味肽的氨基酸的市场份 额将超过

5、4亿美元本文主要综述了氨基酸及其衍生物的生产现状。1微生物氨基酸的生产80年代后氨基酸市场快速发展、主要是由于氨基酸产品生产和分离成本的降低。在氨基 酸的四种生产方法(提取法、合成法、发酵法和酶催化法)中，特别是后面两种生物工艺过程, 由于它们的经济可行和生态优势.使得氨基酸工业快速增长。从蛋白质水解物中提取氨基酸作为生产氨基酸的工艺用的越来越少了，虽然仍用于生产 l丝氨酸,l脯氨酸、l轻基脯氨酸和l酪氨酸.但是它不适合大规模生产氨基酸。随着对味 精需求的快速增长，提取法获得l谷氨酸在约50年前就被发酵法取代。谷氨酸棒杆菌的发现, 铺平了发酵技术生产氨基酸的道路。野生菌株在最适发酵条件下被用来

6、大量工业化生产谷氨酸是很有利的。谷氨酸生物合成 和提高菌株产量的方式已经被深入研究。发酵过程在原理上并不复杂:在无菌条件下向发酵 罐中填充含合适碳源的培养基,如甘蔗糖浆、氮源、硫和磷源以及一些微量元素，再接入种子 罐中的菌种，在指定的的条件下(t、ph和通气)搅拌，谷氨酸被释放到发酵液中通过结晶获 得。当前每年通过发酵生产150万吨味精,使得谷氨酸成为生产能力和需求最大的氨基酸。发酵技术的进步和氨基酸生产微生物的菌株改良使得可以象生产谷氨酸那样工业化规 模生产l赖氨酸.这主要是对氨基酸过量生产者谷氨酸棒杆菌的更深的了解，因为其全部基因组序列已经被测定。赖氨酸是对猪饲养(作为第一个限制氨基酸)和

7、家禽(作为第二种 限制氨基酸第一种为蛋氨酸)首选的动物饲料添加剂,2005年对赖氨酸(按赖氨酸盐酸盐计) 的需求为85()0()() t,赖氨酸的主要生产国家为日本的味之素公司，美国的adm公司,韩国的 cheil-jedang公司冲国的全球生化公司及德国的basf和degussa公司。使用的菌株为高 性能的谷氨酸棒杆菌突变株通常使用分批发酵工艺，营养物根据培养液的需求添加,可达到 最适产量和生产率。竞争不仅在于生产菌株的性能,也在于增加的便利产品形式，这样除了传 统产品形式赖氨酸盐酸盐其它形式的如颗粒状的赖氨酸硫酸盐和液体赖氨酸也已经生产，因 为该生产工艺能更经济和产生更少的液体和固体废物。

8、苏氨酸和色氨酸的发酵法生产也已经被建立，这是非常重要的，因为其作为猪生长的第二 和第三种限制氨基酸。在该情况下，重组大肠杆菌已被证明具有特别的生产能力。2005年世 界需求苏氨酸和色氨酸的量分别为70000 t和3000 t o苯丙氨酸和半胱氨酸的生产以前主要利用酶法，现在可以通过发酵大肠杆菌获得该法的 成本比酶法更低这样可以得到更大的市场份额1“ o几乎大部分蛋白氨基酸，除了少数几种例 外.都可以谷氨酸棒杆菌突变株或者大肠杆菌工业化生产，如以c. glutamicum b-6和 e.coliky 10935分别发酵生产l赖氨酸盐酸和l苏氨酸.其浓度均达100 g/ l ,c. glulami

9、cum ky9218和e.coli发酵生产l色氨酸,其浓度分别为58 g/l和45 g/ l ,e.coli mwpwj304发酵 生产l苯丙氨酸为51 g/ l ,brevi-bacterium flavum aj12429发酵生产组氨酸为36 g/ l , c.glutamicum f81发酵生产l组氨酸为23 g/l ,e.colih-8461发酵生产l异亮氨酸为3() g/ l ,methylobacteri-um sp. mn43 发酵丝氨酸为65 g/ l 以及c. glutamicumvr 3 发酵生产l绷氨 酸为 99 g/ l(5j o含硫氨基酸蛋氨酸是一个例外，它作为家禽的

10、第一种限制性氨基酸。蛋氨酸已经以丙烯醛、氢氧酸、甲基硫醇和氨为起始原料,化学合成得到dl蛋氨酸的消旋体，作为饲料 添加剂在市场上销售了5()多年。实际上q型在自然界并不存在，在动物体内借助于氧化酶 和转氨酶酶法转化为具有营养价值的l2型,因此允许直接使用合成的消旋混合物作为饲料添 加剂。对别的氨基酸，如赖氨酸和苏氨酸，因为不存在转化d型的酶系统所以这些氨基酸只能 生产纯的l型。根据从赖氨酸和苏氨酸发酵的经验，尝试着开发成本低的l蛋氨酸发酵工艺 迄今还没有获得成功。2酶法生产蛋白氨基酸酶催化在化学工业已经被沿用已久，用于生产精细化学品，现正大力开发其潜力。工业开 发酶生产氨基酸开始于差不多40年

11、前，当时日本为了通过固定化酰化酶拆分n乙酰dl氨基 酸。为了生产l 蛋氨酸.要求用于输液和特别的饮食，这要求继续选择生产方法，使用米曲霉酰 化酶在酶膜反应器上酶法拆分可最小化的减少酶的消耗被证明是特别有用的冋c每年几百吨 l蛋氨酸和l纟颉氨酸通过酶膜反应器生产。一个新的酶法生产蛋氨酸的途径近来被提出，该 法借助于d型氨基酸氧化酶和亮氨酸脱氢酶酶法转化dl蛋氨酸生产l蛋氨酸，这两种酶均 可以通过重组大肠杆菌表达得到。l 天冬氨酸是适宜酶法获得的又一种氨基酸,天冬氨酸酶催化添加的氨到富马酸上可直 接得到l 天冬氨酸,l 天冬氨酸在甜味剂阿斯巴甜生产上大量需要，也是作为使用固定化天冬 氨酸b 脱竣酶

12、酶法生产l-丙氨酸的起始原料。对l 半胱氨酸而言，以前主要通过电化学还原蛋白质水解得到的l 胱氨酸生产现在工业 使用酶法生产，二氢嘍瞠衍生物dl2氨基2二氢-竣酸(a tc)在来自于pseudomonasthiazolinop hi-lum的三种酶(l-a tc水解酶、s氨基甲酰基-l半胱氨酸水解酶和a tc消旋 酶)的作用下转化为l半胱氨酸°随着菌株的开发将来有可能建立l半 胱氨酸生产的发酵技术。躬去生产非蛋白氨基酸酶催化是生产d型氨基酸和非蛋白l氨基酸的方法。d型氨基酸作为l型氨基酸生产 的产品获得,它们也可以消旋乙酰氨基酸为原料在特殊的消旋酶作用下、直接生产“海因酶/ 氨基甲酰

13、基酶系统也被用来工业生产d型苯基甘氨酸和p疑基d苯基甘氨酸，它们是半合 成抗生素氨节青霉素和轻氨节青霉素的原料。现代分子生物学技术(定向进化)使转换d海 因酶的专一性到l专一性变得可能o而且，联合d或l选择性海因酶和氨基甲酰基酶和定 制重组全细胞系统变得切实可行.这能被用来获得广范围的别的d氨基酸和l氨基酸和o近 来开发和优化的l 和d 海因酶系统接受广泛的底物和生产高产量的光学纯氨基酸。大多数工业应用的酶法工艺使用简单的不需要辅助因子的酶系统如水解酶，裂解酶和消 旋酶。亮氨酸是新制药活性成分的原料，需求量大，但上述的简单方式生产l亮氨酸到目前为 止仍没有成功。对这种情况开发一个系统带辅助因子

14、再生的能还原氨基化酮酸为l 氨基酸是 可能的淇在工业规模上取得了成功。通过使用亮氨酸脱氢酶作为还原酶,nadh作为辅助因 子、甲酸脱氢酶作为再生酶，三甲基丙酮酸能被转化为l 亮氨酸。4 酶法生产氨基酸衍生物手性氨基酸酯和氨基酸酰胺能从消旋酯和氨基化合物借助于酯酶、脂酶或酰胺酶得到。 商业上以消旋的(r , s)六氢毗唳竣酸酰胺经荧光假单胞菌全细胞s特异性酰胺酶催化反应 生产(s)六氢毗唏竣酸和(r)六氢毗唳竣酸酰胺该物质从孰基毗唳两步合成。在一类似的工 艺中，(r , s)哌嗪甲酰胺在burgholderia sp r特异性消旋酶作用下转化为(r)哌嗪2甲酰 胺和(s) 哌嗪2 竣酸。酶法生产

15、d型氨基酸衍生物更多的例子是卞氧基竣基d脯氨酸它被用来合成治疗偏 头疼的药物依利曲坦(elet riptan)。卞氧基竣基-d脯氨酸从节杆菌属的脯氨酸选择性消旋酶 拆分后的卞氧基竣基dl-脯氨酸得到o如果提供合适的保护集团、氨基酸能被酶法连接。例如、来自于嗜热溶蛋白芽胞杆菌 (bacillust hcrmoprotcolyticus)的嗜热菌蛋白酶能连接二肽。一个突出的例子是酶法合成l天 冬酰胺丄苯丙氨酸甲酯，该物质是人造低热能甜味剂阿斯巴甜,已经成功的占领了人造甜味 剂的市场份额被广泛应用于饮料和甜食它的甜度是蔗糖的20()倍,2003年全球需求量为 1400015000 t。5 展望发酵法

16、现在广泛应用于蛋白氨基酸的生产随着分子生物学及基因工程等技术的发展在 未来将进一步刺激和促进微生物氨基酸生产。酶催化将继续作为非蛋白氨基酸和氨基酸衍生物生产的首选方式。定向进化等先进技术 将有助于开发出选择性好、稳定高的酶和全细胞生物催化剂。发酵法和酶法生产在未来的工业生物技术的发展中都起着决定性的作用,其可持续生产 活性成分精细化学品和某些其它产品。绿色生物技术也能被用来从植物中获得感兴趣的产 品例如增加蛋氨酸和赖氨酸含量的转基因植物已经被开发，但目前还没有显示出商业竞争 力。参考文献：11 ibrownk. b-132raminoacids : highlightingsynthesisa

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