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【背景及概述】[1][2]
色氨酸的化學名稱為α-氨基-β-吲哚丙酸，有3 種同分異構體：L 型、D 型和消旋體DL 型。1825 年，色氨酸首次被發(fā)現(xiàn)，1902 年，由Hokinst 首次從酪蛋白中分離獲得。其分子式為C11H12N2O2，分子量為204.23，白色晶體或者微黃色片狀晶體或粉末，無味右旋體或有特殊甜味，溶于水或者熱乙醇，不溶于氯仿、乙醚，在稀酸或稀堿中穩(wěn)定。與水一起加熱，會產(chǎn)生少量吲哚，在有NaOH、CuSO4存在的條件下加熱，則會分解產(chǎn)生大量吲哚。若迅速加熱至210 ℃時顏色會變黃，290 ℃時發(fā)生分解反應，長時間光照則會發(fā)生著色反應。L-色氨酸是人體和動物所必需的8 種必需氨基酸之一，不能通過自身合成。所以，人和動物只能通過食物來攝取L-色氨酸。D-色氨酸主要存在于植物和微生物之中，動物中含量極少，而且在人體內幾乎不發(fā)生代謝作用，也無毒性。L-色氨酸又被稱為第二必需氨基酸，目前廣泛應用于醫(yī)藥、食品、飼料添加劑以及農業(yè)環(huán)境檢測等行業(yè)。目前，L-色氨酸的重要性越來越受到人們的重視。而且現(xiàn)在L-色氨酸的應用不僅局限在傳統(tǒng)的醫(yī)藥、食品、飼料添加劑行業(yè)，在一些新領域也逐漸有了更多應用，例如氨基酸美白劑逐漸應用到化妝品行業(yè)；作為健康飲品的許多氨基酸飲料不僅在歐美等發(fā)達國家流行，現(xiàn)在也逐漸開始進入我國的飲料市場，并為大眾所接受。隨著科學技術的進步，相信人們對色氨酸的用途會有更多的探究和發(fā)現(xiàn)。而且隨著基因工程、代謝工程以及定向進化技術的發(fā)展，人們可以更好地了解色氨酸的生物合成途徑及調控機制，進一步加強優(yōu)良的產(chǎn)酸菌株的構建，結合發(fā)酵工藝的不斷完善，L-色氨酸的市場前景十分廣闊。
【生理功能】[3]
1.免疫功能
色氨酸與畜禽機體的免疫功能密切相關。例如，在豬發(fā)生慢性肺炎時，其血漿色氨酸水平逐漸降低；在飼糧中添加0.04% 的L-色氨酸可顯著提高蛋雛鴨的脾臟指數(shù)，添加0.06% 的L-色氨酸可顯著提高其胸腺指數(shù)；在雞飼糧中添加L-色氨酸可顯著提高干擾素和免疫球蛋白G( IgG) 的水平，顯著增強機體對傳染性法氏囊病的免疫保護；在飼糧中添加0.05% 的L-色氨酸，可顯著增加蛋鴨的胸腺、法氏囊和脾臟等免疫器官的重量；在飼糧中添加L-色氨酸，可顯著提高揚州鵝的脾臟指數(shù)，并通過刺激IgG 和免疫球蛋白M( IgM) 分泌提高其體液免疫能力。由上可以推斷，當發(fā)生炎癥反應時機體對色氨酸的需要量增加，色氨酸的分解代謝增強；在飼糧中添加一定劑量的色氨酸有助于畜禽免疫器官的發(fā)育，提高機體免疫力。色氨酸代謝產(chǎn)生的5-HT、N-乙酰血清素和褪黑色素，可通過清除自由基來阻止核轉錄因子kappa B ( NF-κB ) 的入核從而抑制腫瘤壞死因子- α( TNF-α) 產(chǎn)生，進而增強機體的免疫功能。另外，N-乙酰血清素可通過調節(jié)一氧化氮合酶而影響誘導型NO 合成，從而調節(jié)機體免疫功能。色氨酸分解代謝可促進骨髓T 淋巴細胞前體分化為成熟的T 淋巴細胞，T 淋巴細胞的分化和代謝產(chǎn)物對B 淋巴細胞的成熟又具有重要作用，進而影響B(tài) 淋巴細胞分泌IgG 的能力。
2.抗氧化功能
近年來的一些報道表明，色氨酸與機體的抗氧化功能存在一定聯(lián)系。在飼糧中添加0.18% 的色氨酸可提高黃羽肉種雞血清中超氧化物歧化酶( SOD) 活性和谷胱甘肽( GSH) 含量，顯著提高血清中谷胱甘肽過氧化物酶( GSH-Px )活性。色氨酸的抗氧化功能與褪黑激素有關。褪黑激素是一種廣泛分布的多功能激素，其抗氧化功能已被很多研究證實。褪黑素本身是富含電子的芳香族吲哚環(huán)，可以與親電子自由基反應，清除多種自由基，起到抗氧化作用。另外，褪黑激素被氧化后形成的環(huán)型3-羥基硫酸褪黑素、6-羥基硫酸褪黑素及N-乙?；?N-甲?；? 5-甲氧基脲胺等各級代謝產(chǎn)物也具有抗氧化能力。這些代謝產(chǎn)物主要是通過提供自由電子清除活性氧，或者增強SOD 和GSH-Px 活性來抑制機體的過氧化反應。
【應用】[1]
1. 色氨酸在醫(yī)藥研究方面的應用
色氨酸在醫(yī)藥行業(yè)的應用一直是醫(yī)藥界的研究熱點。色氨酸及其代謝產(chǎn)物能夠廣泛參與到生物體內的新陳代謝過程，在色氨酸的分解代謝過程中可以產(chǎn)生多種生理活性物質，如5-羥色胺( 5-HT) 、色素、煙酸、吲哚乙酸、生物堿、輔酶、褪黑素和植物激素等。這些代謝產(chǎn)物能夠廣泛參與到人體的各項生理活動，同時會參與眾多的生理調節(jié)。近年來研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸不只用來制作氨基酸注射液，對于抑郁癥、高血壓及疼痛都有良好的效果，在歐美一些國家已經(jīng)廣泛應用于臨床治療。臨床研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸與鐵劑、維生素合用可增強它們治療運動性貧血的療效，與組氨酸一起使用還可以治療消化道潰瘍。
2. 色氨酸在飼料添加劑行業(yè)的應用
色氨酸是飼料市場上的除酪氨酸和蛋氨酸之外的三大氨基酸飼料添加劑之一。如果禽類體內L-色氨酸供應不足時，動物體內會出現(xiàn)一系列不適應癥狀，如脂肪積累速度減緩、機體生長緩慢，公畜有時候會出現(xiàn)睪丸發(fā)育不良等現(xiàn)象。而且，在飼料中添加微量的L-色氨酸就可以達到促進動物體體重增加的目的，具有良好的效果。色氨酸可以參與體內脂肪代謝、降低動物肝臟脂肪含量，從而達到提高禽畜肉類的瘦肉比例的目的，還可以降低禽畜發(fā)生攻擊性行為的可能性。作為L-色氨酸中間代謝產(chǎn)物之一的尼克酰胺，將其制成飼料添加劑，能夠顯著提高家禽的生長速度，同時可以預防動物體發(fā)生尼克酸胺缺乏癥。另外一種代謝中間物5-羥色胺可以促進動物體產(chǎn)生γ-球蛋白、增強禽畜的抗病能力等。雖然色氨酸作為飼料添加劑的效果良好，但是在大規(guī)模應用方面還是有其不足之處。主要是因為目前色氨酸生產(chǎn)工藝水平不高，不能大規(guī)模地生產(chǎn)L-色氨酸，所以存在成本限制，所以現(xiàn)在只是應用到仔豬飼料添加劑中。
3. 色氨酸在食品行業(yè)的應用
人體也不能自身合成L-色氨酸，為了滿足自身需要，需要從外界獲取L-色氨酸，而來源主要就是食物。色氨酸在人及動物的體內代謝過程發(fā)揮著重要的作用，所以色氨酸又稱為第二必需氨基酸。色氨酸在食物添加劑的應用方面現(xiàn)在越來越受到人們的重視。在國內外很多地方，已經(jīng)將色氨酸制作為食品添加劑，人體攝入之后會對人體生理活動有許多積極作用，比如可以提高機體對植物蛋的利用效率，加速蛋白分解利用。另外，色氨酸容易與金屬離子發(fā)生作用，作為一種螯合劑來使用時，經(jīng)常用作防腐劑，添加到奶粉中防止變質或用作魚類保鮮劑。
4. 色氨酸在農業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測方面的應用
色氨酸在農業(yè)害蟲防治方面也有一定應用，例如L-色氨酸可以使南方毛蟲拒食死亡。色氨酸還可以加入到水楊酸和環(huán)磷酸中作為穩(wěn)定劑，能夠增強其殺蟲效果。色氨酸具有吲哚環(huán)，具有良好的熒光吸收性，是熒光性最強的氨基酸，因此可用于檢測生物生態(tài)系統(tǒng)及自然環(huán)境中有毒金屬離子。色氨酸對環(huán)境有高度敏感性，某些物質極微小的極性變化也可以使吸收光譜發(fā)生變化，因此，將色氨酸作為極性探針，可以檢測環(huán)境中某些成分的極性變化。
【制備】[1]
傳統(tǒng)生產(chǎn)色氨酸的方法主要是化學合成法和蛋白質水解法，隨著生產(chǎn)技術的不斷進步，現(xiàn)在占據(jù)市場主導地位的方法是很多公司采用的微生物法生產(chǎn)L-色氨酸。微生物法主要包括酶法、直接發(fā)酵法和微生物轉化法。
1. 酶法：酶法主要是指利用微生物中的色氨酸生物合成酶系的催化功能來生產(chǎn)L-色氨酸。酶法生產(chǎn)色氨酸的方法主要用到的酶包括色氨酸合成酶、絲氨酸消旋酶等。根據(jù)提供所需酶的微生物種類數(shù)，酶法主要分為單菌酶法和雙菌酶法?，F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)L-色氨酸的工程菌包括大腸桿菌、透明無色桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、惡臭假單胞菌等。該方法是在發(fā)酵過程中直接加入細胞壁溶解酶，破壞其細胞壁，然后直接使用菌體裂解出來的酶，同樣也可以將所需的酶固定提純化后再使用。而且酶法生產(chǎn)色氨酸過程中需要的前體物不是必須是自然原始材料，即使是化工合成的前體物也可以作為生產(chǎn)原料，這就大大降低了生產(chǎn)成本；與此同時，酶法合成還具有產(chǎn)物純度高、副產(chǎn)物少、收率高、易操作等優(yōu)點。目前日本三井化學公司是世界色氨酸生產(chǎn)市場最大的公司之一。三井公司利用酶法來生產(chǎn)色氨酸所需要的原料主要是吲哚和絲氨酸，但因為L-色氨酸合成酶和絲氨酸消旋酶活性較低，所以此法生產(chǎn)L-色氨酸的效率不高。以丙酮酸、吲哚和氨作為原料的酶法途徑生產(chǎn)L-色氨酸，由于丙氨酸的價格低廉，而且底物之一的吲哚對酶活性影響較小，所以此法有具有一定的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
2. 直接發(fā)酵法：直接發(fā)酵法的碳源供體是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉價原料為主，采用高效的色氨酸生產(chǎn)菌株，控制發(fā)酵條件，直接積累L-色氨酸，因此直接發(fā)酵法也是微生物法的一種。但是因為在微生物體內，葡萄糖逐步代謝直至合成L-色氨酸的調控機制也比較復雜，一直以來都難以直接從自然界中獲得高產(chǎn)的色氨酸生產(chǎn)菌株。所以，選育優(yōu)良的菌種是直接發(fā)酵法能否成功的關鍵。另外，在微生物體內，色氨酸的生物合成途徑代謝流很弱，合成過程需要持續(xù)添加多種前體物L-絲氨酸、谷氨酰胺等，若要獲得可觀的L-色氨酸產(chǎn)量只有將前體物維持在較高的比例才能達到目的。在色氨酸的生物合成過程中存在多種調節(jié)機制，不僅有反饋阻遏和反饋抑制等粗調節(jié)系統(tǒng)，還有一種細調系統(tǒng)———弱化子系統(tǒng)。近年來，隨著DNA 重組技術在微生物育種方面的應用越來越廣泛，為構建高效的基因工程菌和產(chǎn)酸水平的提高提供了良好的技術支持，使直接發(fā)酵法逐漸成為了一種低成本的工業(yè)化生產(chǎn)方法。利用直接發(fā)酵法來生產(chǎn)色氨酸也有其自身不足之處，主要表現(xiàn)在產(chǎn)物復雜，造成后期目的產(chǎn)物分離提純困難、工藝復雜等。不過隨著代謝工程理論的發(fā)展，并且不斷改善發(fā)酵工藝水平，直接發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸的效能越來越高，現(xiàn)在逐步進入產(chǎn)業(yè)化階段。
3. 微生物轉化法：微生物轉化法也可以稱為前體轉化法，主要是指利用葡萄糖作為碳源供體，然后培養(yǎng)微生物，在培養(yǎng)過程中會不斷產(chǎn)生色氨酸合成所需要的各種前體物，例如鄰氨基苯甲酸、L-絲氨酸、吲哚等等，然后微生物會利用這些前體物在自身色氨酸合成酶的作用下合成色氨酸。工業(yè)化生產(chǎn)色氨酸企業(yè)最早就是利用這種方法來大規(guī)模獲得L-色氨酸。日本昭和電工公司利用芽袍桿菌和漢遜氏酵母菌種，在其培養(yǎng)環(huán)境中添加鄰氨基苯甲酸，來獲得色氨酸。為了使色氨酸過量積累，需要解除芳香族氨基酸代謝過程中多種底物的反饋抑制。此法生產(chǎn)L-色氨酸的過程中不宜添加過多的前體物，容易產(chǎn)生反饋抑制，因此廠家大多采用分批補料的方法來持續(xù)不斷地添加前體物。微生物前體轉化法也存在不足之處，前體物的價格昂貴，不利于控制成本。而且當前體物濃度過高時，會反饋抑制合成過程中酶的活性，影響色氨酸的積累效率。
【主要參考資料】
[1] 陳榮慶, 劉偉, 皮雄娥, 等. L-色氨酸的研究進展[J]. 安徽農業(yè)科學, 2014, 42(14): 4438-4440.
[2] 徐飛, 鄧子新, 林雙君. 色氨酸, 天然產(chǎn)物生物合成中的重要結構單元[J]. 微生物學通報, 2013, 40(10): 1796-1809.
[3] 李華偉, 祝倩, 吳靈英, 等. 色氨酸的生理功能及其在畜禽飼糧中的應用[J]. 動物營養(yǎng)學報, 2016, 28(3): 659-664.