673-31-4 / 苯丙氨酸的應用領域有哪些

【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283 ℃。最早由Schulze 于1879 年從羽扇豆幼苗中發現和分離。接著Fischer 于20 世紀初從動物性蛋白質中成功分離得到。苯丙氨酸是一種重要的醫藥和食品添加劑，屬人體必需的八大氨基酸之一。20 世紀80 年代以來，隨著抗癌藥物制劑和氨基酸輸液的發展以及低熱量甜味劑阿斯巴甜產量的迅速增加，苯丙氨酸的市場需求增長較快。據統計，1981 年世界L-苯丙氨酸的消費量為50t/a，1990 年增長到9000t/a，1997 年達到1.1 萬t/a 左右，2006 年已達到10 萬t/a 左右。隨著人們生活水平的不斷提高，醫藥保健事業不斷發展，我國醫藥保健品、食品添加劑、飼料添加劑等對苯丙氨酸的需求量正迅速擴大，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展最快，需求量最大。隨著國內市場的進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內的市場也日益增加，因此，市場對苯丙氨酸的需求也持續增長。

【應用】^[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阿斯巴甜。阿斯巴甜亦稱天冬甜素，國內俗稱蛋白糖，是一種優良的低熱量甜味劑，甜味與蔗糖相似，甜度為蔗糖的200 倍，是目前國際市場上的主導甜味劑。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，同期美國的相關規定為50mg/人·日。1996 年美國允許阿期巴甜作為一般的甜味劑應用于沒有特別規定的所有食品。阿斯巴甜在中國的生產與應用剛剛起步，發潛力大。20 世紀80 年代末，中國就開始研究阿斯巴甜，但由于當時國內沒有L- 苯丙氨酸生產裝置，進口原料價格昂貴，導致生產成本無法同進口產品競爭，所以沒有形成工業化生產，市場供應數量有限。目前，中國每年需消耗蔗糖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。相應地，對L- 苯丙氨酸的需求也將隨之增長。

2.醫藥領域

根據在醫藥領域的不同用途，苯丙氨酸有醫藥級、食品級、飼料級等不同等級，各等級間的價格差別較大，從18 美元/kg 到40 美元/kg 不等。苯丙氨酸除了直接用于醫用復合氨基酸輸液和合成醫藥外，還可用來配制醫藥的培養介質。用苯丙氨酸合成的醫藥有HIV 蛋白酶抑制劑、凝乳酶、抗腫瘤藥物對氟苯丙氨酸、腦神經傳遞素等。苯丙氨酸在該領域的消費需求發展平穩增長。

3. 其他領域

近年來，苯丙氨酸的應用領域還在不斷拓展，如開發了以苯丙氨酸及其衍生物為原料合成手性中間體技術，發現在未焙烤的可可中加入苯丙氨酸、亮氨酸和降解糖，可顯著提高低品質可可的風味等。

【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物赤蘚糖- 4 - 磷酸(erythrose - 4 - phosphate ，E4P )和糖酵解過程的中間產物磷酸烯醇式丙酮酸(phophoenolpyruvate ，PEP )二者縮合形成一個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 轉化為莽草酸(SHIK )，然后再轉化為分支酸(CHA )，由分支酸合成苯丙酮酸(PPY )，最后苯丙酮酸經轉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物為原料，通過分離純化等方法生產苯丙氨酸的方法。工業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變為2 ，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。該工藝較復雜，分離提取困難，產品質量不穩定，生產成本較高。另外，還可以以豬毛等為原料生產，但產酸率低，投資大，能耗大，原料來源有限，產量不易擴大。

2. 化學合成法

1）苯甲醛與乙酰甘氨酸縮合法

一般先將甘氨酸乙?；@得乙酰甘氨酸，再與苯甲醛縮合成乙酰氨基肉桂酸內酯，后者經水解、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、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，但化學產率及放化產率都僅在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，收率仍低于60 %。在此方法上進行改進，以C₆H₅CH₂CHO 為原料制備D，苯丙氨酸-1 -14C，化學產率和放化率都達到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行酶促反應，最終獲得苯丙氨酸。該方法在引入K₁₄CN以及隨后的三步反應中條件較溫和，終產物得率和純度均較高。缺點是由于反應過程中引入劇毒物K₁₄CN ，三廢處理困難。

3）甘氨酸法

甘氨酸法需要先對甘氨酸的羧基和氨基進行保護，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，使之在相轉移條件下進行烷基化反應。最后，經水解反應，制得DL - 苯丙氨酸。該法反應條件溫和、原料易得、收較高、無劇毒原料、無難以處理的三廢問題，所用的有機溶劑可以回收，是一條很有發展前途的化學合成方法。

3. 微生物發酵法生產苯丙氨酸

1）使用酵母菌生產

從天然環境中分離到一株具有較高苯丙氨酸氨解酶(PAL )活性的菌株，以此為出發菌株進行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，累計產量達58. 0 g L -1 。

2）使用桿菌生產 苯丙氨酸

由短桿菌變異株FMP92814 出發對其產苯丙氨酸條件進行了優化。通過人工誘變選育所獲得的乳糖發酵短桿菌FMP92814可利用較粗放的農副產品，淀粉水解糖、玉米糖漿、豆餅粉水解液、糖蜜作原料發酵生產苯丙氨酸，可以降低生產成本，適合目前各氨基酸發酵廠推廣。

3）使用假單胞菌生產苯丙氨酸

將從土壤中篩選假單胞菌(Pseudomonas sp. )E4 -106 株細胞進行了 苯丙氨酸生產實驗。結果顯示轉氨反應最適溫度35～40 ℃；在pH7～pH10 內催化反應而活力變化不大；表面活性劑處理細胞或在反應液中加入Mg² +能顯著提高轉氨反應速度。在此反應體系中，E4 - 106 菌株單位濕重細胞的轉氨酶活力為1039U /g ；當產物苯丙氨酸質量濃度為32. 2 g/L和50. 4 g /L時，苯丙酮酸摩爾轉化率分別為97. 5 %和87. 2 %，產物回收率為81. 8 %。

3.酶法生產L - 苯丙氨酸

酶法生產具有產物濃度高、純化步驟少、生產能力強等優點，缺點是部分原料成本高。專家們認為由苯甲醛→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為原料苯丙酮酸酶法，自上世紀80 年代末就開始了該方法工業化開發研究，

2）兩菌兩酶法

通過兩菌雙酶法利用大腸桿菌EP8-10 經培養后產生高活力轉氨酶和低活力的天冬氨酸酶，而E. coli EA則產生高活力天冬氨酸酶和很低的轉氨酶，耦合EP8 - 10 中轉氨酶和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 兩種細胞質量比為0. 6∶1 ，n (PPA )/n (Fu ) =1∶1. 2 (摩爾比)。當PPA 濃度為0. 24 mol/ L時，反應6 h，可生成38. 5 g/ L 苯丙氨酸。

5. 基因工程法生產L-苯丙氨酸

苯丙氨酸合成途徑有多個調控位點，圖中的DAHP 合成酶(DS )、分枝酸變位酶(CM )和預苯酸脫水酶(PD )是受調控的關鍵酶；轉氨酶(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. 苯丙氨酸的生產現狀與發展前景[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展[J]. 生物技術通訊, 2002, 13(4): 296-300.

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