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谷氨酰胺研究进展
L-谷氨酰胺( Gln)是由L-谷氨酸和氨化合而成, 与谷氨酸一样也是20种氨基酸中一个。1883年Schulze从甜菜汁中发觉了Gln。以后又前后从发芽种子及蛋白质中检出。1935 年, Hans Kerbs首次发觉哺乳动物肾脏合成和分解L-Gln能力, 大家开始逐步了解它作用。并在随即研究中, Kerbs强调多数氨基酸都有多个功效, 但L-Gln功效是最丰富。1955年, Harry Eagle综述了哺乳动物细胞G ln营养需要, 并强调了它是一个很关键营养素。多年来, 伴随大家对L-Gln生理、 生化、 临床等方面研究深入和发展,Gln对生命关键性正日渐突出, 被认为是现在所知道最关键氨基酸之一, 并被称之为条件性必需氨基酸, 也是一个极有发展前途新药。
L-谷氨酰胺理化性质
L-谷氨酰胺(L-glutamine, L-Gln)是L-谷氨酸γ-羧基酰胺化一个条件性必需氨基酸（图1）, 相对分子质量146.15, 熔点185℃(分解), 晶体呈白色斜方或粉末状, 结晶状态下稳定, 无臭, 稍有甜味, 溶于水(水溶液呈酸性) , 等电点5.65, 几乎不溶于乙醇和乙醚。L-Gln 属中性氨基酸, 在偏酸、 偏碱及较高温度下易分解成谷氨酸或环化为吡咯烷酮二羧酸。

图1 L-谷氨酰胺分子结构
L-谷氨酰胺生理特征
L-谷氨酰胺是组成人体蛋白质所必需20种氨基酸之一, 是机体含量最丰富氨基酸, 占全部游离氨基酸60%以上, 关键储存在脑、 骨骼肌和血液中, 含有很广泛生理作用: (1)维持机体免疫功效。现有资料表明谷氨酰胺不仅是淋巴细胞和巨噬细胞关键能量物质, 甚至可能是多种免疫细胞关键能源物质。小肠作为人体关键最大免疫器官, 是利用L-谷氨酰胺关键器官, 它吸收细胞以很高速率利用谷氨酰胺, 说明谷氨酰胺在机体免疫中发挥着十分关键作用。(2)调整蛋白质合成和分解。谷氨酰胺是蛋白质合成关键调整剂, 在运动中能够调整蛋白质合成和降低肌肉蛋白质分解, 从而维持机体生理功效。(3)谷氨酰胺是机体内氮和碳关键运载工具。(4)维持体内酸碱平衡。谷氨酰胺能够作为肾脏生成氨载体, 直接参与氨代谢, 从而起到维持酸碱平衡关键作用。(5)调整糖代谢。谷氨酰胺能够经过糖异生作用生成葡萄糖, 维持血糖浓度平衡。(6)细胞燃料。谷氨酰胺为快速生长和分化细胞(如血管内皮细胞、 淋巴细胞、 肠粘膜上皮细胞等)提供能量起源。每1 mol·L-1谷氨酰胺直接经三羧酸循环能够产生30 mol·L-1ATP。故谷氨酰胺产能对谷氨酰胺依靠性细胞(尤其是小肠粘膜细胞, 对谷氨酰胺含有很高摄取率和利用率)含有愈加关键意义。另外, 谷氨酰胺还有作为氨流动关键载体, 大分子合成前体, 胃肠管腔细胞基础营养起源, 在血液中临时解除氨毒作用等。
L-谷氨酰胺用途
L-谷氨酰胺在食品上用途: L-谷氨酰胺是一个特殊氨基酸,为快速繁殖细胞优先选择呼吸燃料,大量证据表明谷氨酰胺是一个条件性必需氨基酸,在应激情况下,机体对谷氨酰胺需要超出其合成能力。所以,能够经过肠外营养或饲料中添加谷氨酰胺以营养调控方法加速动物体康复。
L- 谷氨酰胺在药品方面用途: 谷氨酰胺作为一个极有发展前途新药, 正成为营养学、 生理学、 免疫学等学科领域研究热点。L-谷氨酰胺缺乏会引发多个疾病, 立刻补充对机体多种机能有着广泛而关键影响。1979年日本首先将其作为抗溃疡药品投放市场, 如日本寿制药株式会社生产“麦滋林”, 为L- 谷氨酰胺/萸磺酸钠颗粒剂, 能诊疗胃炎、 胃溃疡和十二指肠溃疡,疗效和经济效益十分显著, 该胃药制剂现已进入中国市场。多年来国外临床研究证实谷氨酰胺能够诊疗腹部溃疡、 节段性回肠炎、 过敏性肠炎和溃疡, 医学研究表明, L-谷氨酰胺还可用于诊疗运动员运动综合症、 恢复高强度劳动或运动后疲惫, 并有重建免疫系统、 辅助诊疗肝病等功效, 它还有降低癌症诊疗中放疗和化疗副作用。另外还有用作改善脑功效、 促进脑神经机能和用于诊疗酒精中毒等, 在发达国家, 谷氨酰胺被认为是运动员提升成绩之营养配方中基础成份。现在, L-谷氨酰胺已大量用于诊疗运动员运动综合症或运动后恢复。所以谷氨酰胺开发对中国氨基酸事业及医疗保健事业将是一个很大贡献, 其社会效益显著。
L-谷氨酰胺在饲料中利用: 含谷氨酰胺饲料能够增加肠道对谷氨酰胺摄取, 激活谷氨酰胺转运载体, 刺激肠粘膜细胞谷氨酰胺酶活力。饲料中补充谷氨酰胺能够显著改善因为断奶应激所造成损害, 预防肠绒毛萎缩, 维持肠道正常形态和结构, 改善幼仔生产性能。经研究确定, 在饲料中添加1. 0% 谷氨酰胺, 在幼仔断奶后第一周可预防空肠绒毛萎缩, 第二周可提升饲料利用率。
L- 谷氨酰胺在运动保健品中应用: 在体育界, 血浆L - 谷氨酰胺水平作为评价过分训练一个指标备受关注。测定血液中L-谷氨酰胺可作为过分训练检测、 评价指标。健美爱好者及竞技运动员在进行高强度力量训练时, 体内L- 谷氨酰胺水平可下降50% 此时立刻补充L- 谷氨酰胺能有效地预防肌肉蛋白分解。口服L- 谷氨酰胺能使生长激素水平提升4倍, 并使胰岛素分泌增加, 促进肌肉生长和身体增高、 增强。L- 谷氨酰胺正成为运动员、 健美人士不可缺乏关键营养补充剂。中国康比特国L- 谷氨酰胺胶囊和颗粒以及力邦力康舒都以谷氨酰胺为原料, 有着很好市场; 欧普特蒙、 宝莱、 肌崩科技、 韦德营养等欧美谷氨酰胺产品在全球都取得了非同平常业绩。
L- 谷氨酰胺生产方法
谷氨酰胺生产方法关键有化学合成法、 发酵法和酶法。
化学合成法:

图2 化学法合成L-Gln 步骤图
关键有如图2 所表示两种化学合成法生产L-Gln 由化学合成法步骤图可见, 两种方法均采取浓硫酸作为必需催化剂, 反应条件苛刻、 反应步骤多、 收率低。第二种方法虽有所改善, 但仍很复杂, 且要求使用催化剂Raney 镍, 对工艺条件提出了新要求。化学合成法使用化学试剂在产品中会有不一样程度残留, L-Gln 作为一个药或功效食品, 对纯度有较高要求, 而且大量化学试剂使用会造成环境污染, 从而限制了产品质量及使用范围。
酶法合成Gln
酶法生产关键反应为:

用NH3 及谷氨酸作为原料经合成酶催化生成Gln时, 腺三磷( ATP)是必需, 然而因为ATP价格昂贵, 难以在工业上应用; 同时, 酶反应底物NH4+、 副产物二磷酸腺苷( ADP)都显著抑制G ln生成,反应终了时仅有少许生成。所以此法不具工业意义。
发酵法
谷氨酰胺生产菌株: 1961年, 木下一干等首先发觉谷氨酸发酵液中除谷氨酸外还有谷氨酰胺存在。1963年, 木下祝郎在谷氨酸微球菌(M icrococcus glutamine) 发酵液中也发觉有谷氨酰胺存在。现在, 生产谷氨酰胺菌种关键包含谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum )、 北京棒杆菌(C.pekinense)、 乳糖发酵短杆菌(Brevibacterium lactofermentum )、 黄色短杆菌( B. flavun )、 里建思黄杆菌(Flavobacterium rigebnse)和钝齿棒杆菌(C. crenatum )等。这些菌种又可分为2种: 一个原为谷氨酸生产菌种, 经过改变条件, 由生产谷氨酸转向生产谷氨酰胺; 另一个为谷氨酸产生菌变异株。其中, 谷氨酸产生菌变异株生产谷氨酰胺方法较普遍, 且诱变剂较易得到, 现在常见此方法取得高产菌株。
现在, Gln生产菌种关键采取传统诱变结合定向筛选方法选育, 诱变包含化学诱变、 物理诱变和物理化学复合诱变等, 常见诱变剂和诱变原因有硫酸二乙酯、 亚硝基胍、 γ-射线、 紫外线等; 定向筛选包含对氨基苯甲酸结构类似物磺胺胍抗性突变筛选、 Gln结构类似物抗性突变筛选、 高NH4+ 浓度抗性突变筛选等。
经过改变发酵条件使谷氨酸发酵向谷氨酰胺发酵转化机理是: 发酵条件变更发明了有利于合成谷氨酰胺环境, 谷氨酸产生菌中谷氨酰胺合成酶活力增加, 而谷氨酰胺合成酶活力受到抑制, 谷氨酰胺大量积累生成, 而谷氨酸生成量降低; 其次, 因为细胞环境影响, 谷氨酰胺易从细胞中分泌出来积累在发酵液中, 而谷氨酸渗透性减小(滞留在细胞内), 从而使发酵转化得以实现。其转化机理如图3所表示。

图3 L-谷氨酸发酵向L-谷氨酰胺发酵转换机制
谷氨酰胺发酵工艺控制:

图4 谷氨酰胺合成发酵控制
如图4所表示,葡萄糖合成谷氨酸和谷氨酰胺分解为谷氨酸反应均是在偏碱性条件下进行, 由谷氨酸合成谷氨酰胺反应亦是在偏碱性条件下进行。而谷氨酸生产菌生长适宜pH值通常在6. 2-8. 0。所以发酵前期应控制pH 值在偏碱性环境,以促进菌体生长, 并激活谷氨酸合成酶活性, 确保谷氨酰胺合成前体谷氨酸合成; 而发酵后期应控制pH 值在偏酸性环境, 以增加谷氨酰胺合成酶活性, 同时抑制谷氨酰胺酶活性, 使谷氨酰胺大量积累生成, 而降低谷氨酸生成量。
除上述原因外, 影响谷氨酰胺高产原因还有以下多个方面:( 1)NH4+和Cl-浓度。( 2)金属离子Mg2+ 、 Zn2+ 、 Fe2+。( 3)玉米浆、 尿素。( 4)氧供给。
市场分析
微生物发酵法是L-Gln 关键生产方法, 生产国关键是日本, 韩国也有少许生产。日本发酵水平为60g/L, 韩国为50g/L。1977 年日本用发酵法生产L-Gln 年产量达100t, 1979 年上升到500t, 1990年则上升到1200t, 并有逐年递增趋势。全世界L-Gln生产量逐年递增, 在1986 年为900t, 1990 年为1800t, 现在年产量约为10000t。中国现在只有极少数厂家以发酵法生产, 药品级L-Gln 关键依靠进口。
对于我们这么一个13 亿人口大国, L-Gln 等药用氨基酸需求量很大, 有巨大潜在市场, 现在中国药用L-Gln 依靠进口且价格昂贵。估计中国L-Gln 需求可达5000吨/年, 现在国际市场上L-Gln 价格大约100 万元左右/吨, L-Gln 生产成本大约为谷氨酸3～4 倍, 产值达成50 亿人民币, 利税可达成1 亿元人民币。所以, 发酵法大规模生产L-Gln 将满足中国市场需求, 推进中国氨基酸发酵工业发展, 同时, 产品还可出口创汇进入国际市场。