氨基酸及其衍生物的分離提純在手性合成中的應(yīng)用

蔡昌武

(巢湖學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 合肥 238024)

蛋白質(zhì)的基本單元為氨基酸和衍生物，其在化學(xué)、飼料、食品及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。如在飼料工業(yè)和食品加工領(lǐng)域使用最為普遍的增鮮劑就是L-谷氨酸一鈉，同時也廣泛的使用了甘氨酸、D-丙氨酸、L-天冬氨酸等食品風(fēng)味改良劑。國外很多飲料企業(yè)在日常生產(chǎn)過程中，廣泛地使用了低熱量甜味劑L-天冬酰苯丙氨酸甲酯來提升飲料的口感和味道。飼料企業(yè)在生產(chǎn)時，使用DL蛋氨酸和L-賴氨酸可以有效提升飼料的營養(yǎng)功能。米、面企業(yè)在生產(chǎn)過程中，會將L-賴氨酸添加在大米和面粉中，以此來提升米面的品質(zhì)。在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域不僅使用結(jié)晶氨基酸輸液，還會使用某類氨基酸或類似物來積極治療各類疾病。在治療帕金森患者時，使用L-多巴[L-3-(3，4-二輕基苯基)丙氨酸]取得了較好的效果，高血壓患者服用的降壓藥物中通常包含著α一甲基-多巴，胃潰瘍患者服用的藥物中都含有L-谷酰胺及衍生物等。

1 氨基酸的生產(chǎn)方法

1.1 蛋白質(zhì)水解法(提取法)

使用蛋白質(zhì)水解法生產(chǎn)氨基酸的主要原料為動物蛋白質(zhì)，在強(qiáng)酸水解作用下形成各類氨基酸。蛋白質(zhì)水解法的原料成本比較低，國內(nèi)儲備量豐富。在工業(yè)生產(chǎn)時，可同時完成多種氨基酸的生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。我國氨基酸工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展速度比較快，原材料投入的成本比較低，企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，為氨基酸生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支撐。醫(yī)藥領(lǐng)域中使用的氨基酸一定要使用提取法來完成提取，在全世界醫(yī)藥領(lǐng)域中，酪氨酸、精氨酸、脯氨酸、膚氨酸、絲氨酸以及組氨酸等6種氨基酸類型必須使用提取法完成生產(chǎn)，由此可見，提取法的發(fā)展前景非常樂觀。

1.2 發(fā)酵法

氨和糖類物質(zhì)等低價碳氮源在微生物的作用下生產(chǎn)出了L-氨基酸，其有效利用了微生物自身能夠合成所需要氨基酸的能力，在誘變菌株的作用下，孕育出來大量的變異株，使代謝調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)的阻遏和反饋得以高效解除，從而完成氨基酸合成的終極目標(biāo)。在使用發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸時，產(chǎn)量最大的就是谷氨酸，賴氨酸的產(chǎn)量次之。發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸時，菌種的選育非常麻煩，控制起來難度系數(shù)非常高。

1.3 化學(xué)合成法

使用化學(xué)合成法生產(chǎn)氨基酸時，主要原理就是將化學(xué)工程與有機(jī)合成緊密聯(lián)系在一起，從而生產(chǎn)出氨基酸。盡管化學(xué)合成法能夠生產(chǎn)出各種類型的氨基酸，但其工業(yè)生產(chǎn)價值還需要進(jìn)一步研究?；瘜W(xué)合成法生產(chǎn)出來的氨基酸通常為外消旋體，在經(jīng)過拆分處理以后，方能獲得純產(chǎn)物。因此，對于化學(xué)合成法來說，不但要考慮合成技術(shù)，還要全面分析D-異構(gòu)體的消旋利用和異構(gòu)體的拆分，三者有機(jī)融合在一起，缺少任何一項都會給其應(yīng)用效果造成嚴(yán)重影響。

1.4 酶法

酶法主要是使用菌體提取的酶或微生物菌體來將有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為L-氨基酸的一種方法。該方法中包含的現(xiàn)代生物工程技術(shù)內(nèi)容非常多，如生產(chǎn)生物工程菌、提取酶及固定化菌體或酶等。

2 手性化合物氨基酸的生產(chǎn)情況

自然界的核心屬性就是手性，在生命活動的過程中，分子手性識別發(fā)揮著非常重要的作用。對于同一化合物的兩個對映體來說，不僅包含物理化學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)，同時也具有各不相同的生物活性。例如，藥理作用。與藥物立體化學(xué)相關(guān)的藥物作用有受體結(jié)合、膜的傳遞和酶的抑制；而手性藥物對映體的生物學(xué)代謝、毒性和活性與藥物素質(zhì)存在天壤之別。如今，國內(nèi)外研究比較熱門的課題就是手性化合物的制備。對于同一化合物的兩個對映體而言，不僅物理化學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)不同，生物活性也存在著巨大的差別。在手性化合物合成過程中，經(jīng)常使用的方法有兩種，即非生物法和生物法。

3 氨基酸及其衍生物的分離與提純

3.1 離子交換法

胱氨酸母液是由英國科學(xué)家研制而成的，使用離子交換層析柱將賴氨酸、組氨酸和精氨酸等分離出來。蘇聯(lián)也試圖使用離子交換層析法分離胱氨酸母液中的異亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸等。我國很多研究機(jī)構(gòu)也做了大量的研究工作，通過使用離子交換法從蛋白水解液提取氨基酸。

氨基酸的存在形態(tài)A±通常所呈現(xiàn)出來的凈電荷基本為零，該形態(tài)不會與普通有機(jī)溶劑相容，所以，使用普通的溶劑萃取不會有任何效果。如今在使用離子交換反應(yīng)萃取時，主要包括低pH下萃取氨基酸陽離子和高pH下萃取氨基酸陰離子兩種形式，典型的陽離子萃取劑和陰離子萃取劑分別為酸性磷氧類萃取劑和季銨鹽。

在對高pH研究過程中，TOMAC使氨基酸的萃取平衡得以真正實(shí)現(xiàn)。季銨鹽陽離子與氨基酸陽離子發(fā)生了離子交換反應(yīng)，所有氨基酸萃取的平衡常數(shù)各不相同，平衡常數(shù)最大的就是色氨酸，與甘氨酸萃取平衡常數(shù)比較，色氨酸的平衡常數(shù)是其200多倍。在經(jīng)過大量的研究以后，Nazaki等所提出的氨基酸的親油比與萃取平衡常數(shù)KA值之間存在著緊密的聯(lián)系。以TOMAC的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，有些專家和學(xué)者深入研究了D，L-苯丙氨酸的反應(yīng)萃取平衡常數(shù)，在氫氧根離子與緩沖離子發(fā)生競爭萃取時，初始pH值就會給平衡常數(shù)造成一定影響。隨著氨基酸濃度的不斷下降，季銨鹽濃度給分配系數(shù)帶來的影響就會越來越大[1]。在實(shí)驗(yàn)室的脈沖篩板塔里，氨基酸反應(yīng)萃取顯示的結(jié)果為，季銨鹽在氨基酸反應(yīng)萃取中會出現(xiàn)一定程度的阻礙。季銨鹽的表面活性比較高，導(dǎo)致脈沖篩板塔中的萃取反應(yīng)會被控制在頻率和振幅比較低的范圍里，從而使脈沖篩板塔的效率隨之下降。

在使用D2EHPA-煤油溶劑對異亮氨酸萃取時，D2EHPA-煤油溶劑分離堿性氨基酸、異亮氨酸、亮氨酸和芳香族氨基酸所包含的精氨酸時，其分離效果非常好。在全面分析D2EHPA-煤油溶劑萃取組氨酸、酪氨酸、色氨酸及賴氨酸的溫度效益和萃取規(guī)律后，得出的最終結(jié)論為氨基酸結(jié)構(gòu)與萃取分配比之前存在著千絲萬縷的聯(lián)系，其中氨基酸的空間結(jié)構(gòu)、碳原子數(shù)及A基團(tuán)的極性發(fā)揮著積極作用。萃取反應(yīng)過程中會釋放大量熱量，因此，隨著溫度的不斷升高，萃取反應(yīng)效果就會隨之下降。

3.2 特殊沉淀法

在混合氨基酸分離的過程中，最早使用的方法為特殊沉淀法。有的氨基酸能與無機(jī)化合物或有機(jī)化合物反應(yīng)，最終生成結(jié)晶性衍生物，將特定的沉淀劑加入到混合氨基酸溶液中，借助沉淀劑使目標(biāo)氨基酸沉淀下去，從而使氨基酸實(shí)現(xiàn)有效分離。最為成功的技術(shù)就是在低溫和堿性環(huán)境中，將苯甲醛和精氨酸融合在一起，生成苯亞甲基精氨酸，其溶解度比較低，將沉淀物質(zhì)分離出來，使用鹽酸將苯甲醛除去，最終獲得精氨酸鹽酸鹽。特殊沉淀法的操作非常便利，其選擇性也比較強(qiáng)，但其最終生成的沉淀劑回收卻非常麻煩，使廢液排放過程中造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，加之殘留的沉淀劑會造成一定的負(fù)面影響，逐漸被其他分離法所代替。

3.3 反膠團(tuán)萃取法

20世紀(jì)80年代末期興起的氨基酸分離技術(shù)被稱之為是反膠團(tuán)萃取法，反膠團(tuán)萃取氨基酸技術(shù)的核心原理為反膠團(tuán)表面活性劑離子與氨基酸離子之間形成靜電作用力，該靜電作用決定了氨基酸被萃取的能力。國外在研究反膠團(tuán)萃取法的過程，主要的研究方向就是對萃取機(jī)理的高效研究，主要的研究內(nèi)容就是對單一氨基酸的研究，直到現(xiàn)在，一直沒有對混合氨基酸分離技術(shù)進(jìn)行研究。反膠團(tuán)萃取法能夠使用的反膠團(tuán)種類非常少，主要包括有機(jī)胺鹽表面活性劑構(gòu)成的反膠團(tuán)和磺酸鹽構(gòu)成的反膠團(tuán)，其中磺酸鹽構(gòu)成的反膠團(tuán)的主要代表就是AOT。上述兩類反膠團(tuán)萃取技術(shù)在對氨基酸萃取過程中，主要缺點(diǎn)為只能在氨基酸水溶液中無機(jī)鹽濃度比較低的情況下，其萃取能力才能達(dá)到最佳水平。因此，在無機(jī)鹽濃度比較低的料液中，使用上述兩類反膠團(tuán)萃取法，方能有效實(shí)現(xiàn)氨基酸的分離。然而對于無機(jī)鹽濃度比較高的氨基酸溶液來說，使用這兩種反膠團(tuán)萃取法不會取得任何效果。所有氨基酸在反膠團(tuán)中的分配系數(shù)都會受到表面活性劑與氨基酸離子之間的靜電作用所影響，同時，氨基酸水溶液中的無機(jī)鹽濃度和種類也會給其造成嚴(yán)重影響，因此，即便是等電點(diǎn)比較接近的氨基酸，其在同一種反膠團(tuán)中的分配系數(shù)依然會出現(xiàn)比較明顯的不同[2]。如果使用溶劑萃取法，這種情況就會得到高效的回避。因此，需要改變混合氨基酸水溶液中無機(jī)鹽的濃度和種類，使得等電點(diǎn)比較接近的氨基酸在相同的反膠團(tuán)中實(shí)現(xiàn)分配系數(shù)的巨大反差，進(jìn)而使等電點(diǎn)比較接近的氨基酸實(shí)現(xiàn)高效分離。

在反應(yīng)萃取氨基酸過程中，主要是指溶質(zhì)和溶劑間有確定的化學(xué)計量關(guān)系的強(qiáng)溶劑存在，或借助離子反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對氨基酸的高效萃取過程，高分子量脂肪胺類萃取劑、酸性磷類萃取劑和中性磷類萃取劑在萃取過程中得到了廣泛應(yīng)用。同時，也深入研究了酸性反應(yīng)性萃取劑給氨基酸萃取分離性能帶來的影響，為氨基酸及衍生物的萃取分離研究提供了大量的信息數(shù)據(jù)，推動其快速發(fā)展。

3.4 溶劑萃取法

氨基酸屬于離子型化合物范疇，在非極性溶劑中，氨基酸的溶解度非常低，因此，在提取氨基酸過程中，使用物理萃取法取得效果非常差。過去在萃取過程中，使用的主要萃取劑為低級醇或正己胺，低級醇包含的碳原子數(shù)為4—5個，以此從蛋白水解液中將氨基酸萃取分離出來。該萃取劑的分離系數(shù)非常差，分配系數(shù)也比較低，同時，對萃取柱的要求則非常高，通常情況下，理論級達(dá)到40左右時，其分離效果才能令人最滿意。

目前，在分類氨基酸時，使用的最為普遍的方法就是化學(xué)萃取法，其中使用最為廣泛的萃取劑為有機(jī)磷酸和有機(jī)胺類，而針對有機(jī)磷酸為萃取劑的研究最多，同時，還積極研發(fā)了許多的萃取工藝過程。在堿性氨基酸萃取分離過程中，油酸、棕櫚酸、硬脂酸和月桂酸等高級脂肪酸得到了廣泛應(yīng)用。使用離子交換法可在最短時間內(nèi)快速分離堿性氨基酸，因此，在堿性氨基酸分離過程中，萃取法的使用前景不容樂觀。根據(jù)氨基酸比較容易溶于液氨、不易溶于水的性質(zhì)，液氨萃取技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。液氨萃取技術(shù)將氨全部蒸發(fā)掉后，可使氨基酸結(jié)晶達(dá)到最佳狀態(tài)。在萃取過程中，可將亞胺二醋酸、戊二酸、天門冬氨酸和谷氨酸混合在氨基酸中完成共同分離操作。在混合氨基酸使用化學(xué)萃取法分離的過程中，主要是借助不同氨基酸之間的等電點(diǎn)差得以實(shí)現(xiàn)，該方法與離子交換法非常的接近，只有當(dāng)混合氨基酸間的等電點(diǎn)相差達(dá)到最大值時，萃取分離才能取得良好效果。而對于中性氨基酸來說，其等電點(diǎn)非常相近，如果使用化學(xué)萃取法來分離中性氨基酸混合液時，最終效果就會非常差。

3.5 液膜萃取法

液膜萃取法主要是指將第三種液體伸展成為膜狀物質(zhì)后，實(shí)現(xiàn)對兩種液相的有效分離。液膜具有一定的透過性，料液中的某些成分從液膜中透過以后融入到接受液中，接著將這三種液體分開后，使料液組分得以有效分離。

研究氨基酸在乳狀液膜中傳遞情況時，Thien等人是最先開展此項研究工作的學(xué)者，其選擇的載體為NaD2EHPA，以此來對乳狀液膜體系進(jìn)行全面深刻的研究，研究的主要對象為攪拌速度、載體濃度、表面活性劑濃度及pH值等，給L-苯丙氨酸傳遞造成的嚴(yán)重影響。在經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)一次間歇性操作就會使八成左右的L-苯丙氨酸從外相轉(zhuǎn)移到內(nèi)相中，內(nèi)相中包含的L-苯丙氨酸濃度大約為外相包含濃度的八倍以上[3]。不管是哪一個過程參數(shù)發(fā)生了改變，都會給溶質(zhì)的濃縮和分離效率造成嚴(yán)重影響。在優(yōu)化和升級乳狀液膜系統(tǒng)時，需要以溶質(zhì)的濃縮和分離相對重要性為依據(jù)，從而使其達(dá)到最佳狀態(tài)。在支撐液膜萃取時，將溶劑萃取過程和膜過程的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，反萃取與萃取同步開展，使得有機(jī)相的使用量控制在最小范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

我國在生產(chǎn)氨基酸過程中，可使用的但價格不高、儲備量豐富的自然資源多。我國角質(zhì)蛋白原料儲備量非常大，其中蹄角、動物毛發(fā)的儲備最大，采購、銷售網(wǎng)絡(luò)很完整。盡管我國分離提純技術(shù)還需進(jìn)一步提升，但隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展和進(jìn)步，生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用水平勢必會發(fā)生翻天覆地的改變。如今人們的環(huán)保意識和綜合利用觀念正在發(fā)生著巨大改變，這就會給我國氨基酸生產(chǎn)帶來積極影響，推動整個氨基酸生產(chǎn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展。