673-31-4 / 苯丙氨酸的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些

【背景及概述】^[1][2]　

苯丙氨酸即D，L - α- 氨基β - 苯基丙酸，為白色或無色片狀晶體，斜方晶系，具有苦杏仁味，水中溶解度29. 6 g/L (25 ℃)，微溶于醇，不溶于乙醚，熔點(diǎn)283 ℃。最早由Schulze 于1879 年從羽扇豆幼苗中發(fā)現(xiàn)和分離。接著Fischer 于20 世紀(jì)初從動(dòng)物性蛋白質(zhì)中成功分離得到。苯丙氨酸是一種重要的醫(yī)藥和食品添加劑，屬人體必需的八大氨基酸之一。20 世紀(jì)80 年代以來，隨著抗癌藥物制劑和氨基酸輸液的發(fā)展以及低熱量甜味劑阿斯巴甜產(chǎn)量的迅速增加，苯丙氨酸的市場(chǎng)需求增長(zhǎng)較快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1981 年世界L-苯丙氨酸的消費(fèi)量為50t/a，1990 年增長(zhǎng)到9000t/a，1997 年達(dá)到1.1 萬t/a 左右，2006 年已達(dá)到10 萬t/a 左右。隨著人們生活水平的不斷提高，醫(yī)藥保健事業(yè)不斷發(fā)展，我國(guó)醫(yī)藥保健品、食品添加劑、飼料添加劑等對(duì)苯丙氨酸的需求量正迅速擴(kuò)大，尤其以氨基酸輸液、各種品牌的氨基酸膠囊、氨基酸添加劑、氨基酸為原料的甜味劑等發(fā)展最快，需求量最大。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的進(jìn)一步開放和人民生活水平的提高，這種低熱量的甜味劑在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)也日益增加，因此，市場(chǎng)對(duì)苯丙氨酸的需求也持續(xù)增長(zhǎng)。

【應(yīng)用】^[1]

1.高效甜味劑—阿斯巴甜

從世界范圍來看，苯丙氨酸的主要用途就是生產(chǎn)阿斯巴甜。阿斯巴甜亦稱天冬甜素，國(guó)內(nèi)俗稱蛋白糖，是一種優(yōu)良的低熱量甜味劑，甜味與蔗糖相似，甜度為蔗糖的200 倍，是目前國(guó)際市場(chǎng)上的主導(dǎo)甜味劑。1974 年阿斯巴甜首次被用作甜味劑； 1981 年FAO和WHO 建議阿斯巴甜的攝入量為40mg/人·日，同期美國(guó)的相關(guān)規(guī)定為50mg/人·日。1996 年美國(guó)允許阿期巴甜作為一般的甜味劑應(yīng)用于沒有特別規(guī)定的所有食品。阿斯巴甜在中國(guó)的生產(chǎn)與應(yīng)用剛剛起步，發(fā)潛力大。20 世紀(jì)80 年代末，中國(guó)就開始研究阿斯巴甜，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒有L- 苯丙氨酸生產(chǎn)裝置，進(jìn)口原料價(jià)格昂貴，導(dǎo)致生產(chǎn)成本無法同進(jìn)口產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，所以沒有形成工業(yè)化生產(chǎn)，市場(chǎng)供應(yīng)數(shù)量有限。目前，中國(guó)每年需消耗蔗糖760 萬t/a，若其中的5%由阿斯巴甜來代替，即需阿斯巴甜約1600t/a。相應(yīng)地，對(duì)L- 苯丙氨酸的需求也將隨之增長(zhǎng)。

2.醫(yī)藥領(lǐng)域

根據(jù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的不同用途，苯丙氨酸有醫(yī)藥級(jí)、食品級(jí)、飼料級(jí)等不同等級(jí)，各等級(jí)間的價(jià)格差別較大，從18 美元/kg 到40 美元/kg 不等。苯丙氨酸除了直接用于醫(yī)用復(fù)合氨基酸輸液和合成醫(yī)藥外，還可用來配制醫(yī)藥的培養(yǎng)介質(zhì)。用苯丙氨酸合成的醫(yī)藥有HIV 蛋白酶抑制劑、凝乳酶、抗腫瘤藥物對(duì)氟苯丙氨酸、腦神經(jīng)傳遞素等。苯丙氨酸在該領(lǐng)域的消費(fèi)需求發(fā)展平穩(wěn)增長(zhǎng)。

3. 其他領(lǐng)域

近年來，苯丙氨酸的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展，如開發(fā)了以苯丙氨酸及其衍生物為原料合成手性中間體技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在未焙烤的可可中加入苯丙氨酸、亮氨酸和降解糖，可顯著提高低品質(zhì)可可的風(fēng)味等。

【生物代謝】^[3]

苯丙氨酸是人體的必需氨基酸，人體本身無法合成，只能由植物和微生物合成。苯丙氨酸合成的起始物為五碳糖磷酸途徑的中間產(chǎn)物赤蘚糖- 4 - 磷酸(erythrose - 4 - phosphate ，E4P )和糖酵解過程的中間產(chǎn)物磷酸烯醇式丙酮酸(phophoenolpyruvate ，PEP )二者縮合形成一個(gè)七碳酮糖開鏈磷酸化合物稱為3 - 脫氧- α- 阿拉伯庚酮糖酸-7 -磷酸(DAHP )，然后DAHP 轉(zhuǎn)化為莽草酸(SHIK )，然后再轉(zhuǎn)化為分支酸(CHA )，由分支酸合成苯丙酮酸(PPY )，最后苯丙酮酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨作用生成苯丙氨酸，見圖：

【制備】^[3]

1.提取法

提取法是指以天然產(chǎn)物為原料，通過分離純化等方法生產(chǎn)苯丙氨酸的方法。工業(yè)上將脫脂大豆用鹽酸水解后，除去酸性氨基酸，用活性炭或脫色樹脂吸附苯丙氨酸和酪氨酸，然后使用溶劑將苯丙氨酸溶出，分離。另一種方法是將脫脂大豆用鹽酸水解液中苯丙氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)? ，5 -二溴苯磺酸鹽，然后利用溶解度的差異從其它氨基酸中分離出來。該工藝較復(fù)雜，分離提取困難，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)成本較高。另外，還可以以豬毛等為原料生產(chǎn)，但產(chǎn)酸率低，投資大，能耗大，原料來源有限，產(chǎn)量不易擴(kuò)大。

2. 化學(xué)合成法

1）苯甲醛與乙酰甘氨酸縮合法

一般先將甘氨酸乙?；?，獲得乙酰甘氨酸，再與苯甲醛縮合成乙酰氨基肉桂酸內(nèi)酯，后者經(jīng)水解、電解、還原、酶水解，即得到苯丙氨酸。該方法合成苯丙氨酸原料易得、成本較低，但工藝路線長(zhǎng)、步驟多，收率較低。

2）氰氨法

早在1951 年采用氰氨法制備苯丙氨酸，但化學(xué)產(chǎn)率及放化產(chǎn)率都僅在28 %左右。1978 年又采用C₆H₅CH₂₁₄CN 為原料，由于放化合成步驟（包括從K₁₄CN 制備C₆H₅CH₂₁₄CN的放化合成）長(zhǎng)，收率仍低于60 %。在此方法上進(jìn)行改進(jìn)，以C₆H₅CH₂CHO 為原料制備D，苯丙氨酸-1 -14C，化學(xué)產(chǎn)率和放化率都達(dá)到67 %。然后嗜熱菌蛋白酶通過酶促由DL-苯丙氨酸-1-14 C 與Z-L-丙氨酸合成Z - L-Ala-L-Phe-OM (1-14C )二肽，達(dá)到消旋苯丙氨酸的拆分，再將二肽用嗜熱菌蛋白酶在N - 甲基嗎啉緩沖溶液中進(jìn)行酶促反應(yīng)，最終獲得苯丙氨酸。該方法在引入K₁₄CN以及隨后的三步反應(yīng)中條件較溫和，終產(chǎn)物得率和純度均較高。缺點(diǎn)是由于反應(yīng)過程中引入劇毒物K₁₄CN ，三廢處理困難。

3）甘氨酸法

甘氨酸法需要先對(duì)甘氨酸的羧基和氨基進(jìn)行保護(hù)，生成苯亞甲氨基乙酸乙酯。再利用α- 亞甲基的氫原子的活潑性，使之在相轉(zhuǎn)移條件下進(jìn)行烷基化反應(yīng)。最后，經(jīng)水解反應(yīng)，制得DL - 苯丙氨酸。該法反應(yīng)條件溫和、原料易得、收較高、無劇毒原料、無難以處理的三廢問題，所用的有機(jī)溶劑可以回收，是一條很有發(fā)展前途的化學(xué)合成方法。

3. 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)苯丙氨酸

1）使用酵母菌生產(chǎn)

從天然環(huán)境中分離到一株具有較高苯丙氨酸氨解酶(PAL )活性的菌株，以此為出發(fā)菌株進(jìn)行UV 和EMS 誘變處理，所得菌株較原菌株酶活力有較大提高，且該菌在中試中生長(zhǎng)良好，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)58. 0 g L -1 。

2）使用桿菌生產(chǎn) 苯丙氨酸

由短桿菌變異株FMP92814 出發(fā)對(duì)其產(chǎn)苯丙氨酸條件進(jìn)行了優(yōu)化。通過人工誘變選育所獲得的乳糖發(fā)酵短桿菌FMP92814可利用較粗放的農(nóng)副產(chǎn)品，淀粉水解糖、玉米糖漿、豆餅粉水解液、糖蜜作原料發(fā)酵生產(chǎn)苯丙氨酸，可以降低生產(chǎn)成本，適合目前各氨基酸發(fā)酵廠推廣。

3）使用假單胞菌生產(chǎn)苯丙氨酸

將從土壤中篩選假單胞菌(Pseudomonas sp. )E4 -106 株細(xì)胞進(jìn)行了 苯丙氨酸生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示轉(zhuǎn)氨反應(yīng)最適溫度35～40 ℃；在pH7～pH10 內(nèi)催化反應(yīng)而活力變化不大；表面活性劑處理細(xì)胞或在反應(yīng)液中加入Mg² +能顯著提高轉(zhuǎn)氨反應(yīng)速度。在此反應(yīng)體系中，E4 - 106 菌株單位濕重細(xì)胞的轉(zhuǎn)氨酶活力為1039U /g ；當(dāng)產(chǎn)物苯丙氨酸質(zhì)量濃度為32. 2 g/L和50. 4 g /L時(shí)，苯丙酮酸摩爾轉(zhuǎn)化率分別為97. 5 %和87. 2 %，產(chǎn)物回收率為81. 8 %。

3.酶法生產(chǎn)L - 苯丙氨酸

酶法生產(chǎn)具有產(chǎn)物濃度高、純化步驟少、生產(chǎn)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是部分原料成本高。專家們認(rèn)為由苯甲醛→海因→苯丙酮酸→苯丙氨酸或由苯甲醛→肉桂酸→苯丙氨酸的路線是最佳方案。

1)一酶一酸法

一酶一酸法即以海因?yàn)樵媳奖崦阜?，自上世紀(jì)80 年代末就開始了該方法工業(yè)化開發(fā)研究，

2）兩菌兩酶法

通過兩菌雙酶法利用大腸桿菌EP8-10 經(jīng)培養(yǎng)后產(chǎn)生高活力轉(zhuǎn)氨酶和低活力的天冬氨酸酶，而E. coli EA則產(chǎn)生高活力天冬氨酸酶和很低的轉(zhuǎn)氨酶，耦合EP8 - 10 中轉(zhuǎn)氨酶和EA - 1中Asp 酶作用，由苯丙酮酸和富馬酸生成L- Phe ，該體系最佳條件為：EA-1 和EP8 - 10 兩種細(xì)胞質(zhì)量比為0. 6∶1 ，n (PPA )/n (Fu ) =1∶1. 2 (摩爾比)。當(dāng)PPA 濃度為0. 24 mol/ L時(shí)，反應(yīng)6 h，可生成38. 5 g/ L 苯丙氨酸。

5. 基因工程法生產(chǎn)L-苯丙氨酸

苯丙氨酸合成途徑有多個(gè)調(diào)控位點(diǎn)，圖中的DAHP 合成酶(DS )、分枝酸變位酶(CM )和預(yù)苯酸脫水酶(PD )是受調(diào)控的關(guān)鍵酶；轉(zhuǎn)氨酶(AT )則是合成途徑中最后一步催化苯丙酮。

【主要參考資料】

[1] 鄧菊香, 王祖元. 苯丙氨酸的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 安徽化工, 2007, 33(4): 1-3.

[2] 李永輝, 劉云, 徐琪壽. 苯丙氨酸生物合成的研究進(jìn)展[J]. 生物技術(shù)通訊, 2002, 13(4): 296-300.

[3] 李冀新, 張超. L-苯丙氨酸生產(chǎn)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 氨基酸和生物資源, 2006, 28(2): 51-56.