氨基酸及其衍生物生產(chǎn)現(xiàn)狀

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上氨基酸及其衍生物生產(chǎn)現(xiàn)狀舒國偉,陳合,張璐,王旭(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,西安)摘要:文章綜述了發(fā)酵法及酶法生產(chǎn)氨基酸及其衍生物的生產(chǎn)現(xiàn)狀,產(chǎn)品包括蛋白和非蛋白的L-氨基酸、D-氨基酸及光學(xué)純氨基酸衍生物。關(guān)鍵詞:氨基酸;衍生物;谷氨酸棒桿菌中圖分類號(hào): TS26413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000 - 9973 (2009) 01 - 0039 03Current status of production for amino acids and derivative sSHU Guo-wei ,CHEN He ,ZHAN G Lu ,WAN G Xu(

2、College of Life Science & Engineering , Shaanxi Univer sity of Science &Technology , Xian ,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 produ

3、c-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氨基酸在人和動(dòng)物營養(yǎng)和健康維持方面發(fā)揮著重要的作用。在20 種標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)氨基酸中,8 種必需氨基酸起著關(guān)鍵的作用,因?yàn)樗鼈冊谌撕蛣?dòng)物體內(nèi)不能合成,只能從食物或飼料中攝取。就市場量而言,經(jīng)過最近20 多年的發(fā)展

4、,所謂飼料氨基酸(賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸和色氨酸) 快速增漲,占據(jù)了整個(gè)氨基酸市場份額的56 %(2004 年的整個(gè)銷售額約為45 億美元) ,食品行業(yè)氨基酸占32 % ,其主要包括三種氨基酸:谷氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸,谷氨酸用于味精的生產(chǎn)(谷氨酸單鈉鹽) ,而天冬氨酸和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)用于制藥和化妝品工業(yè),其也是合成手性活性成分的理想原料。根據(jù)BCC 的調(diào)查,用于合成的氨基酸市場年增長率約為7 % ,在2009 年將達(dá)到10 億美元,其中用于合成甜味肽的氨基酸的

5、市場份額將超過4 億美元1 。本文主要綜述了氨基酸及其衍生物的生產(chǎn)現(xiàn)狀。1 微生物氨基酸的生產(chǎn)80 年代后氨基酸市場快速發(fā)展,主要是由于氨基酸產(chǎn)品生產(chǎn)和分離成本的降低。在氨基酸的四種生產(chǎn)方法(提取法、合成法、發(fā)酵法和酶催化法) 中,特別是后面兩種生物工藝過程,由于它們的經(jīng)濟(jì)可行和生態(tài)優(yōu)勢,使得氨基酸工業(yè)快速增長。從蛋白質(zhì)水解物中提取氨基酸作為生產(chǎn)氨基酸的工藝用的越來越少了,雖然仍用于生產(chǎn)L-絲氨酸,L-脯氨酸、L-羥基脯氨酸和L-酪氨酸,但是它不適合大規(guī)模生產(chǎn)氨基酸。隨著對味精需求的快速增長,提取法獲得L-谷氨酸在約50 年前就被發(fā)酵法取代。谷氨酸棒桿菌的發(fā)現(xiàn),鋪平了發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)氨基酸的道路。

6、野生菌株在最適發(fā)酵條件下被用來大量工業(yè)化生產(chǎn)谷氨酸是很有利的。谷氨酸生物合成和提高菌株產(chǎn)量的方式已經(jīng)被深入研究。發(fā)酵過程在原理上并不復(fù)雜:在無菌條件下向發(fā)酵罐中填充含合適碳源的培養(yǎng)基,如甘蔗糖漿、氮源、硫和磷源以及一些微量元素,再接入種子罐中的菌種,在指定的的條件下( T、p H 和通氣) 攪拌,谷氨酸被釋放到發(fā)酵液中,通過結(jié)晶獲得。當(dāng)前每年通過發(fā)酵生產(chǎn)150 萬噸味精,使得谷氨酸成為生產(chǎn)能力和需求最大的氨基酸。發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)步和氨基酸生產(chǎn)微生物的菌株改良使得可以象生產(chǎn)谷氨酸那樣工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)L - 賴氨酸,這主要是對氨基酸過量生產(chǎn)者谷氨酸棒桿菌的更深的了解,因?yàn)槠淙炕蚪M序列已經(jīng)被測定。賴氨

7、酸是對豬飼養(yǎng)(作為第一個(gè)限制氨基酸)和家禽(作為第二種限制氨基酸,第一種為蛋氨酸)首選的動(dòng)物飼料添加劑,2005 年對賴氨酸(按賴氨酸鹽酸鹽計(jì)) 的需求為 t ,賴氨酸的主要生產(chǎn)國家為日本的味之素公司,美國的ADM公司,韓國的Cheil-Jedang 公司,中國的全球生化公司及德國的BASF 和Degussa 公司2 。使用的菌株為高性能的谷氨酸棒桿菌突變株,通常使用分批發(fā)酵工藝,營養(yǎng)物根據(jù)培養(yǎng)液的需求添加,可達(dá)到最適產(chǎn)量和生產(chǎn)率。競爭不僅在于生產(chǎn)菌株的性能,也在于增加的便利產(chǎn)品形式,這樣,除了傳統(tǒng)產(chǎn)品形式賴氨酸鹽酸鹽,其它形式的如顆粒狀的賴氨酸硫酸鹽和液體賴氨酸也已經(jīng)生產(chǎn),因?yàn)樵撋a(chǎn)工藝能更

8、經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)生更少的液體和固體廢物。蘇氨酸和色氨酸的發(fā)酵法生產(chǎn)也已經(jīng)被建立,這是非常重要的,因?yàn)槠渥鳛樨i生長的第二和第三種限制氨基酸。在該情況下,重組大腸桿菌已被證明具有特別的生產(chǎn)能力。2005 年世界需求蘇氨酸和色氨酸的量分別為70000 t 和3000 t 。苯丙氨酸和半胱氨酸的生產(chǎn)以前主要利用酶法,現(xiàn)在可以通過發(fā)酵大腸桿菌獲得,該法的成本比酶法更低,這樣可以得到更大的市場份額3 ,4 。幾乎大部分蛋白氨基酸,除了少數(shù)幾種例外,都可以谷氨酸棒桿菌突變株或者大腸桿菌工業(yè)化生產(chǎn),如以C. glutamicum B-6 和E.coliKY10935 分別發(fā)酵生產(chǎn)L-賴氨酸鹽酸和L-蘇氨酸,其濃度均達(dá)

9、100 g/ L ,C. glutamicum KY9218 和E. coli發(fā)酵生產(chǎn)L-色氨酸,其濃度分別為58 g/ L 和45 g/ L ,E.coli MWPWJ304 發(fā)酵生產(chǎn)L-苯丙氨酸為51 g/ L ,Brevi-bacterium flavum AJ12429 發(fā)酵生產(chǎn)組氨酸為36 g/ L ,C.glutamicum F81 發(fā)酵生產(chǎn)L-組氨酸為23 g/ L ,E.coliH-8461 發(fā)酵生產(chǎn)L-異亮氨酸為30 g/ L ,Methylobacteri-um sp. MN43 發(fā)酵絲氨酸為65 g/ L 以及C. glutamicumVR 3 發(fā)酵生產(chǎn)L-纈氨酸為99

10、g/ L5 。含硫氨基酸蛋氨酸是一個(gè)例外,它作為家禽的第一種限制性氨基酸。蛋氨酸已經(jīng)以丙烯醛、氫氰酸、甲基硫醇和氨為起始原料,化學(xué)合成得到DL-蛋氨酸的消旋體,作為飼料添加劑在市場上銷售了50 多年。實(shí)際上,D 型在自然界并不存在,在動(dòng)物體內(nèi)借助于氧化酶和轉(zhuǎn)氨酶酶法轉(zhuǎn)化為具有營養(yǎng)價(jià)值的L2型,因此允許直接使用合成的消旋混合物作為飼料添加劑。對別的氨基酸,如賴氨酸和蘇氨酸,因?yàn)椴淮嬖谵D(zhuǎn)化D 型的酶系統(tǒng),所以這些氨基酸只能生產(chǎn)純的L 型。根據(jù)從賴氨酸和蘇氨酸發(fā)酵的經(jīng)驗(yàn),嘗試著開發(fā)成本低的L-蛋氨酸發(fā)酵工藝迄今還沒有獲得成功。2 酶法生產(chǎn)蛋白氨基酸酶催化在化學(xué)工業(yè)已經(jīng)被沿用已久,用于生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品,

11、現(xiàn)正大力開發(fā)其潛力。工業(yè)開發(fā)酶生產(chǎn)氨基酸開始于差不多40 年前,當(dāng)時(shí)日本為了通過固定化酰化酶拆分N-乙酰DL-氨基酸。為了生產(chǎn)L-蛋氨酸,要求用于輸液和特別的飲食,這要求繼續(xù)選擇生產(chǎn)方法,使用米曲霉?；冈诿改し磻?yīng)器上酶法拆分可最小化的減少酶的消耗被證明是特別有用的6 。每年幾百噸L-蛋氨酸和L-纈氨酸通過酶膜反應(yīng)器生產(chǎn)。一個(gè)新的酶法生產(chǎn)蛋氨酸的途徑近來被提出,該法借助于D 型氨基酸氧化酶和亮氨酸脫氫酶酶法轉(zhuǎn)化DL-蛋氨酸生產(chǎn)L-蛋氨酸,這兩種酶均可以通過重組大腸桿菌表達(dá)得到。L-天冬氨酸是適宜酶法獲得的又一種氨基酸,天冬氨酸酶催化添加的氨到富馬酸上可直接得到L-天冬氨酸,L-天冬氨酸在甜味劑

12、阿斯巴甜生產(chǎn)上大量需要,也是作為使用固定化天冬氨酸-脫羧酶酶法生產(chǎn)L-丙氨酸的起始原料。對L-半胱氨酸而言,以前主要通過電化學(xué)還原蛋白質(zhì)水解得到的L-胱氨酸生產(chǎn),現(xiàn)在工業(yè)使用酶法生產(chǎn),二氫噻唑衍生物DL-2-氨基-2-二氫噻唑-4-羧酸(A TC) 在來自于Pseudomonas Thiazolinop hi-lum 的三種酶(L-A TC 水解酶、S-氨基甲?；?L-半胱氨酸水解酶和A TC 消旋酶) 的作用下轉(zhuǎn)化為L-半胱氨酸。隨著菌株的開發(fā)將來有可能建立L-半胱氨酸生產(chǎn)的發(fā)酵技術(shù)。3酶法生產(chǎn)非蛋白氨基酸酶催化是生產(chǎn)D 型氨基酸和非蛋白L-氨基酸的方法。D 型氨基酸作為L 型氨基酸生產(chǎn)的產(chǎn)

13、品獲得,它們也可以消旋乙酰氨基酸為原料,在特殊的消旋酶作用下,直接生產(chǎn)。海因酶/ 氨基甲?；赶到y(tǒng)也被用來工業(yè)生產(chǎn)D 型苯基甘氨酸和p-羥基-D-苯基甘氨酸,它們是半合成抗生素氨芐青霉素和羥氨芐青霉素的原料?，F(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)(定向進(jìn)化) 使轉(zhuǎn)換D 海因酶的專一性到L-專一性變得可能7 。而且,聯(lián)合D-或L-選擇性海因酶和氨基甲?；负投ㄖ浦亟M全細(xì)胞系統(tǒng)變得切實(shí)可行,這能被用來獲得廣范圍的別的D-氨基酸和L-氨基酸8 。近來開發(fā)和優(yōu)化的L-和D-海因酶系統(tǒng)接受廣泛的底物和生產(chǎn)高產(chǎn)量的光學(xué)純氨基酸。大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的酶法工藝使用簡單的不需要輔助因子的酶系統(tǒng)如水解酶,裂解酶和消旋酶。亮氨酸是新制藥活

14、性成分的原料,需求量大,但上述的簡單方式生產(chǎn)L-亮氨酸到目前為止仍沒有成功。對這種情況開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)帶輔助因子再生的能還原氨基化酮酸為L-氨基酸是可能的,其在工業(yè)規(guī)模上取得了成功。通過使用亮氨酸脫氫酶作為還原酶,NADH 作為輔助因子,甲酸脫氫酶作為再生酶,三甲基丙酮酸能被轉(zhuǎn)化為L-亮氨酸。4 酶法生產(chǎn)氨基酸衍生物手性氨基酸酯和氨基酸酰胺能從消旋酯和氨基化合物借助于酯酶、脂酶或酰胺酶得到。商業(yè)上以消旋的(R , S)-六氫吡啶羧酸酰胺經(jīng)熒光假單胞菌全細(xì)胞S-特異性酰胺酶催化反應(yīng)生產(chǎn)(S)-六氫吡啶羧酸和(R)-六氫吡啶羧酸酰胺該物質(zhì)從氰基吡啶兩步合成。在一類似的工藝中, ( R , S)- 哌嗪

15、-2-甲酰胺在Burgholderia sp R-特異性消旋酶作用下轉(zhuǎn)化為(R)-哌嗪-2-甲酰胺和(S)-哌嗪-2-羧酸。酶法生產(chǎn)D 型氨基酸衍生物更多的例子是卞氧基羧基-D-脯氨酸,它被用來合成治療偏頭疼的藥物依利曲坦( Elet riptan) 。卞氧基羧基-D-脯氨酸從節(jié)桿菌屬的脯氨酸選擇性消旋酶拆分后的卞氧基羧基-DL-脯氨酸得到9 。如果提供合適的保護(hù)集團(tuán),氨基酸能被酶法連接。例如, 來自于嗜熱溶蛋白芽胞桿菌(Bacillust hermoproteolyticus) 的嗜熱菌蛋白酶能連接二肽。一個(gè)突出的例子是酶法合成L-天冬酰胺-L-苯丙氨酸甲酯,該物質(zhì)是人造低熱能甜味劑阿斯巴甜

16、,已經(jīng)成功的占領(lǐng)了人造甜味劑的市場份額,被廣泛應(yīng)用于飲料和甜食,它的甜度是蔗糖的200 倍,2003 年全球需求量為1400015000 t 。5 展望發(fā)酵法現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于蛋白氨基酸的生產(chǎn),隨著分子生物學(xué)及基因工程等技術(shù)的發(fā)展在未來將進(jìn)一步刺激和促進(jìn)微生物氨基酸生產(chǎn)。酶催化將繼續(xù)作為非蛋白氨基酸和氨基酸衍生物生產(chǎn)的首選方式。定向進(jìn)化等先進(jìn)技術(shù)將有助于開發(fā)出選擇性好、穩(wěn)定高的酶和全細(xì)胞生物催化劑。發(fā)酵法和酶法生產(chǎn)在未來的工業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展中都起著決定性的作用,其可持續(xù)生產(chǎn)活性成分,精細(xì)化學(xué)品和某些其它產(chǎn)品。綠色生物技術(shù)也能被用來從植物中獲得感興趣的產(chǎn)品,例如,增加蛋氨酸和賴氨酸含量的轉(zhuǎn)基因植物已

17、經(jīng)被開發(fā),但目前還沒有顯示出商業(yè)競爭力。參考文獻(xiàn):1 BrownK. B-132Raminoacids : highlightingsynthesisappli-cations. http :/ / www.bccresearch. com/ biotech/ B132R. html.2 Ajinomoto (2004) Feed - use amino acids business EB /OL . http :/ / www. ajinomoto . co . jp/ ir/ pdf / fact/ feeduse-amino-oct2003. pdf ?companyDown = kan

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