氨基酸与其衍生物生产现状.doc

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,产品包括蛋白与非蛋白的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:1000 - 9973 (2009) 01 - 0039 – 03
Current status of production for amino acids and derivative s
SHU Guo-wei ,CHEN He ,ZHAN G Lu ,WAN G Xu
(College of Life 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-
tionof bot h p roteinogenic and nonproteinogenic L-amino acids ,D-amino acids , and enantiomerical-
ly p ure amino acid derivatives.
Key words :amino acid ; derivative ; corynebacterium glutamicum

　氨基酸在人与动物营养与健康维持方面发挥着重要的作用。在20 种标准蛋白质氨基酸中,8 种必需氨基酸起着关键的作用,因为它们在人与动物体内不能合成,只能从食物或饲料中摄取。就市场量而言,经过最近20 多年的发展,所谓饲料氨基酸(赖氨酸、蛋氨酸、苏氨酸与色氨酸) 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、天冬氨酸与苯丙氨酸,谷氨酸用于味精的生产(谷氨酸单钠盐) ,而天冬氨酸与苯丙氨酸是合成甜味肽———L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯(阿斯巴甜) 的起始原料。剩下的蛋白氨基酸(proteinogenic amino acids)用于制药与化妆品工业,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4 亿美元[1 ] 。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与分离成本的降低。在氨基酸的四种生产方法(提取法、合成法、发酵法与酶催化法) 中,特别是后面两种生物工艺过程,由于它们的经济可行与生态优势,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-羟基脯氨酸与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大量工业化生产谷氨酸是很有利的。谷氨酸生物合成与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、硫与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、p H 与通气) 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与需求最大的氨基酸。
发酵技术的进步与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)与家禽(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850000 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,中国的全球生化公司及德国的BASF 与Degussa 公司[2] 。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,可达到最适产量与生产率。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与液体赖氨酸也已经生产,因为该生产工艺能更经济与产生更少的液体与固体废物。
苏氨酸与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与第三种限制氨基酸。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 年世界需求苏氨酸与色氨酸的量分别为70000 t 与3000 t 。
苯丙氨酸与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[3 ,4] 。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 与E.coliKY10935 分别发酵生产L-赖氨酸盐酸与L-苏氨酸,其浓度均达100 g/ L ,C. glutamicum KY9218 与E. coli发酵生产L-色氨酸,其浓度分别为58 g/ L 与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30 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-缬氨酸为99 g/ L[5] 。
含硫氨基酸———蛋氨酸是一个例外,它作为家禽的第一种限制性氨基酸。蛋氨酸已经以丙烯醛、氢氰酸、甲基硫醇与氨为起始原料,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50 多年。实际上,D 型在自然界并不存在,在动物体内借助于氧化酶与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,如赖氨酸与苏氨酸,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。根据从赖氨酸与苏氨酸发酵的经验,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,要求用于输液与特别的饮食,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[6 ] 。每年几百吨L-蛋氨酸与L-缬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 型氨基酸氧化酶与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β-脱羧酶酶法生产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,二氢噻唑衍生物DL-2-氨基-2-二氢噻唑-4-羧酸(A TC) 在来自于Pseudomonas Thiazolinop hi-lum 的三种酶(L-A TC 水解酶、S-氨基甲酰基-L-半胱氨酸水解酶与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。
3　酶法生产非蛋白氨基酸
酶催化是生产D 型氨基酸与非蛋白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/ 氨基甲酰基酶系统也被用来工业生产D 型苯基甘氨酸与p-羟基-D-苯基甘氨酸,它们是半合成抗生素氨苄青霉素与羟氨苄青霉素的原料。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[7 ] 。而且,联合D-或L-选择性海因酶与氨基甲酰基酶与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-氨基酸与L-氨基酸[8 ] 。近来开发与优化的L-与D-海因酶系统接受广泛的底物与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,裂解酶与消旋酶。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再生的能还原氨基化酮酸为L-氨基酸是可能的,其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
手性氨基酸酯与氨基酸酰胺能从消旋酯与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)-六氢吡啶羧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)-六氢吡啶羧酸与(R)-六氢吡啶羧酸酰胺该物质从氰基吡啶两步合成。在一类似的工艺中, ( R , S)- 哌嗪-2-甲酰胺在Burgholderia sp R-特异性消旋酶作用下转化为(R)-哌嗪-2-甲酰胺与(S)-哌嗪-2-羧酸。
酶法生产D 型氨基酸衍生物更多的例子是卞氧基羧基-D-脯氨酸,它被用来合成治疗偏头疼的药物依利曲坦( Elet riptan) 。卞氧基羧基-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羧基-DL-脯氨酸得到[9 ] 。
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 hermoproteolyticus) 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-L-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,被广泛应用于饮料与甜食,它的甜度是蔗糖的200 倍,2003 年全球需求量为14000～15000 t 。
5 　展望
发酵法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与促进微生物氨基酸生产。
酶催化将继续作为非蛋白氨基酸与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、稳定高的酶与全细胞生物催化剂。
发酵法与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,精细化学品与某些其它产品。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,增加蛋氨酸与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:
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