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L-苯丙氨酸的生产与应用

发布日期:2021/12/3 9:01:02

背景及概述[1]

苯丙氨酸即D,L-α-氨基β-苯基丙酸,为白色或无色片状晶体,斜方晶系,具有苦杏仁味,易溶于水,微溶于醇,不溶于乙醚,熔点283℃。最早由Schulze 于1879 年从羽扇豆幼苗中发现和分离。接着Fischer 于20 世纪初从动物性蛋白质中成功分离得到。目前,苯丙氨酸已经可以工业化生产。

L-Phenylalanine.jpg

L-苯丙氨酸的应用

在食品行业中,L-苯丙氨酸与L-天冬氨酸缩合形成阿斯巴甜(Asparlame,APM),因其甜度大(为蔗糖的200 倍),发热量低,易代谢等优点,很适合于肥胖病人和糖尿病人使用;已广泛应用于调味品、功能性食品中,其中L-苯丙氨酸与其它几种氨基酸加工的强化功能性食品可以作为超音速飞行员、宇航员、潜艇及深水潜水员的保健食品。L-苯丙氨酸用于焙烤食品中,一方面强化了氨基酸,还可以与糖反应,发生美拉德反应,改善食品风味。Hershey公司发现在未焙烤的可可中加入苯丙氨酸、亮氨酸和降解糖,加工后可以显著提高可可风味。在医药行业中,它是医药输液制品的必需成分,还是合成一些药物的原料或良好的载体,如可以作为HIV蛋白酶抑制剂、对氟苯丙氨酸、丙氨芥、甲酰溶肉瘤素、脑神经传递素等的合成原料;当作为载体时,它可以把抗肿瘤药物载入肿瘤所在部位,既抑制肿瘤生长,又可以大大降低肿瘤药物的毒性。另外,还可以用来配制医药的培养介质。

当然,L-苯丙氨酸的应用领域还在不断的发展,如孟山公司开发了以L-苯丙氨酸及其衍生物为原料合成手性中间体技术。

L-苯丙氨酸工业化生产方法

提取法

提取法是指以天然产物为原料,通过分离纯化等方法生产L-苯丙氨酸的方法。工业上将脱脂大豆用盐酸水解后,除去酸性氨基酸,用活性炭或脱色树脂吸附苯丙氨酸和酪氨酸,然后使用溶剂将苯丙氨酸溶出,分离。另一种方法是将脱脂大豆用盐酸水解液中苯丙氨酸转变为2,5-二溴苯磺酸盐,然后利用溶解度的差异从其它氨基酸中分离出来。该工艺较复杂,分离提取困难,产品质量不稳定,生产成本较高。

化学合成法

1 苯甲醛与乙酰甘氨酸缩合法

一般先将甘氨酸乙酰化,获得乙酰甘氨酸,再与苯甲醛缩合成乙酰氨基肉桂酸内酯,后者经水解、电解、还原、酶水解,即得到L-苯丙氨酸。该方法合成苯丙氨酸原料易得、成本较低,但工艺路线长、步骤多,收率较低。

2 氰氨法

早在1951 年即可采用氰氨法制备苯丙氨酸,但化学产率及放化产率都仅在28% 左右。又以C6H5CH214CN 为原料,由于放化合成步骤(包括从K14CN制备C6H5CH214CN的放化合成)长,收率仍低于60% 。1987 年,又在此方法上进行改进,以C6H5CH2CHO 为原料制备D,L-苯丙氨酸,化学产率和放化率都达到67%。然后嗜热菌蛋白酶通过酶促由DL-苯丙氨酸与Z-L-丙氨酸合成Z-L-Ala-L-Phe-OM(1- 14 C)二肽,达到消旋苯丙氨酸的拆分,再将二肽用嗜热菌蛋白酶在N-甲基吗啉缓冲溶液中进行酶促反应,最终获得L-苯丙氨酸。该方法在引入K14 CN以及随后的三步反应中条件较温和,终产物得率和纯度均较高。缺点是由于反应过程中引入剧毒物K14 CN,三废处理困难。

3 甘氨酸法

甘氨酸法需要先对甘氨酸的羧基和氨基进行保护,生成苯亚甲氨基乙酸乙酯。再利用α-亚甲基的氢原子的活泼性,使之在相转移条件下进行烷基化反应。最后,经水解反应,制得DL-苯丙氨酸。该法反应条件温和、原料易得、收率较高、无剧毒原料、无难以处理的三废问题,所用的有机溶剂可以回收,是一条很有发展前途的化学合成方法。

微生物发酵法生产L-苯丙氨酸

1 使用酵母菌生产L-苯丙氨酸

淮海工学院黄炜等从天然环境中分离到一株具有较高苯丙氨酸氨解酶(PAL)活性的菌株,以此为出发菌株进行UV 和EMS 诱变处理,所得菌株较原菌株酶活力有较大提高,且该菌在中试中生长良好,累计产量达58.0 g·L-1。大庆高新技术产业开发区邢军筛选得到一种粘红酵母,该粘红酵母生产L-苯丙氨酸解氨酶最佳发酵条件为:起始pH5.5,接种量10%,温度28℃,发酵周期20 h,终点pH8.0。

2 使用杆菌生产L-苯丙氨酸

复旦大学微生物学系范长胜由短杆菌变异株FMP92814 出发对其产苯丙氨酸条件进行了优化。通过人工诱变选育所获得的乳糖发酵短杆菌FMP92814可利用较粗放的农副产品(淀粉水解糖、玉米糖浆、豆饼粉水解液、糖蜜)作原料发酵生产苯丙氨酸,可以降低生产成本,适合目前各氨基酸发酵厂推广。

酶法生产L-苯丙氨酸

酶法生产具有产物浓度高、纯化步骤少、生产能力强等优点,缺点是部分原料成本高。专家们认为由苯甲醛→海因→苯丙酮酸→苯丙氨酸或由苯甲醛→肉桂酸→苯丙氨酸的路线是最佳方案。一酶一酸法即以海因为原料苯丙酮酸酶法,其反应途径见图1。

图1 一酶一酸法生产L-苯丙氨酸的反应途径

酶促合成法生产工艺简单、产品光学纯度高、纯化步骤简便且生产能力较强,是目前工业化生产L-Phe 的主要方法之一。然而,近年来,由于底物和酶等主要原料成本高、来源有限以及反应过程中酶稳定性差等缺点,酶促合成法生产L-Phe 的规模也受到了很大制约。

参考文献

[1] 韩建福,L_苯丙氨酸制备的研究进展[J]生物加工过程,Vol. 17 No. 2 Mar. 2019.114-124

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