63-91-2/L-苯丙氨酸的生產(chǎn)與應(yīng)用

背景及概述^[1]

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，易溶于水，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。目前，苯丙氨酸已經(jīng)可以工業(yè)化生產(chǎn)。

L-苯丙氨酸的應(yīng)用

在食品行業(yè)中，L-苯丙氨酸與L-天冬氨酸縮合形成阿斯巴甜（Asparlame，APM），因其甜度大（為蔗糖的200 倍），發(fā)熱量低，易代謝等優(yōu)點(diǎn)，很適合于肥胖病人和糖尿病人使用；已廣泛應(yīng)用于調(diào)味品、功能性食品中，其中L-苯丙氨酸與其它幾種氨基酸加工的強(qiáng)化功能性食品可以作為超音速飛行員、宇航員、潛艇及深水潛水員的保健食品。L-苯丙氨酸用于焙烤食品中，一方面強(qiáng)化了氨基酸，還可以與糖反應(yīng)，發(fā)生美拉德反應(yīng)，改善食品風(fēng)味。Hershey公司發(fā)現(xiàn)在未焙烤的可可中加入苯丙氨酸、亮氨酸和降解糖，加工后可以顯著提高可可風(fēng)味。在醫(yī)藥行業(yè)中，它是醫(yī)藥輸液制品的必需成分，還是合成一些藥物的原料或良好的載體，如可以作為HIV蛋白酶抑制劑、對(duì)氟苯丙氨酸、丙氨芥、甲酰溶肉瘤素、腦神經(jīng)傳遞素等的合成原料；當(dāng)作為載體時(shí)，它可以把抗腫瘤藥物載入腫瘤所在部位，既抑制腫瘤生長，又可以大大降低腫瘤藥物的毒性。另外，還可以用來配制醫(yī)藥的培養(yǎng)介質(zhì)。

當(dāng)然，L-苯丙氨酸的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的發(fā)展，如孟山公司開發(fā)了以L-苯丙氨酸及其衍生物為原料合成手性中間體技術(shù)。

L-苯丙氨酸工業(yè)化生產(chǎn)方法

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)L-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。

化學(xué)合成法

1　苯甲醛與乙酰甘氨酸縮合法

一般先將甘氨酸乙酰化，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L-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、步驟多，收率較低。

2　氰氨法

早在1951 年即可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。又以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，收率仍低于60％ 。1987 年，又在此方法上進(jìn)行改進(jìn)，以C6H5CH2CHO 為原料制備D，L-苯丙氨酸，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-苯丙氨酸與Z-L-丙氨酸合成Z-L-Ala-L-Phe-OM（1－ 14 C）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L-苯丙氨酸。該方法在引入K14 CN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K14 CN，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、收率較高、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。

微生物發(fā)酵法生產(chǎn)L-苯丙氨酸

1　使用酵母菌生產(chǎn)L-苯丙氨酸

淮海工學(xué)院黃煒等從天然環(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良好，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)58．0 g·L－1。大慶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)邢軍篩選得到一種粘紅酵母，該粘紅酵母生產(chǎn)L－苯丙氨酸解氨酶最佳發(fā)酵條件為：起始pH5.5，接種量10％，溫度28℃，發(fā)酵周期20 h，終點(diǎn)pH8.0。

2　使用桿菌生產(chǎn)L-苯丙氨酸

復(fù)旦大學(xué)微生物學(xué)系范長勝由短桿菌變異株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。

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。一酶一酸法即以海因?yàn)樵媳奖崦阜ǎ浞磻?yīng)途徑見圖1。

圖1　一酶一酸法生產(chǎn)L-苯丙氨酸的反應(yīng)途徑

酶促合成法生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品光學(xué)純度高、純化步驟簡便且生產(chǎn)能力較強(qiáng)，是目前工業(yè)化生產(chǎn)L-Phe 的主要方法之一。然而，近年來，由于底物和酶等主要原料成本高、來源有限以及反應(yīng)過程中酶穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，酶促合成法生產(chǎn)L-Phe 的規(guī)模也受到了很大制約。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓建福，L_苯丙氨酸制備的研究進(jìn)展[J]生物加工過程，Vol. 17 No. 2 Mar. 2019.114-124