蛋氨酸的主要生產工藝及應用前景

李露敏 揭琴豐 王 杉

江西省疾病預防控制中心 江西 南昌 330029

蛋氨酸，又名甲硫氨酸，是20種氨基酸中唯一含硫的氨基酸，結構如下圖所示，為非極性α-氨基酸，分子式為C5H11NO2S，相對分子量為149.121。蛋氨酸分子為白色晶體或結晶性粉末，具有特征性氣味，易溶于甲酸，溶于水、堿性溶液和稀無機酸，極微溶于乙醇，幾乎不溶于乙醚。按照Fisher投影式劃分，將其分為L-蛋氨酸(左旋體)和D-氨基酸(右旋體)，如圖1所示。

圖1 蛋氨酸的分子結構

蛋氨酸作為一種必需氨基酸，是構成生物體內蛋白質的基本單位之一。它是機體內甲基供體的重要來源，同時參與了機內大量的生理生物學反應，如：磷的代謝以及腎上腺素、膽堿和肌酸的合成等，同時也是合成蛋白質和胱氨酸的原料[1-2]，因此被廣泛運用于飼料、食品、醫藥等各領域。

目前產業化生產蛋氨酸主要采用化學合成法，其他方法比如生物發酵法，蛋白質水解法，提取法等[3]，均由于蛋氨酸收率太低、成本太高、環境污染等原因，未在大規模生產中使用。在化學合成法中最常見的是海因法和氰醇法[4]。

1 生產蛋氨酸的兩種主要生產工藝

1.1 海因法生產工藝 海因(乙內丙脲)法，該法是制備α-氨基酸的經典方法，據相關文獻報到，該法最早可追溯至1872年，F.Urech等化學家為此做出了首創性的貢獻，之后經過優化成Bucherer- Bergs反應[5-6]，該反應成為最為典型、運用最廣的方法，其核心原理是strecker反應，之后采用CO2酸化加成。海因法在此基礎上經過進一步優化，基本的反應原理[1]如圖2，主要步驟如下：

圖2 海因法合成蛋氨酸基本原理

第一步為硫醇-烯反應[7]：以甲硫醇和丙烯醛為原料，通過催化劑，生成2-甲硫丙醛，該反應高產無副產物，易分離，且反應條件溫和，操作相對簡單；第二步為strecker反應[8]，為海因合成及水解的步驟：2-甲硫丙醛與氰化鈉(氰化物等親核試劑)、碳酸氫銨縮合成5-(2-甲硫乙基)-乙內酰尿(海因)，然后在堿性條件下(一般采用NaOH、KOH、Ca(OH)2、K2CO3等)水解，得到產物為蛋氨酸的金屬鹽；第三步為結晶：經過酸化(一般采用H2SO4、HCl、CO2)后的金屬鹽形式才生成蛋氨酸的結晶，酸化工藝的不同使得產生的副產物也不同，常見有：NaSO4、NaCl、CaCO3等；第四步為結晶的精制：為提高蛋白質的產率，需要對蛋白質的結晶進行進一步的精制優化，主要的辦法有分批結晶、誘導結晶、加入有機凝聚劑等方式，獲得晶體狀態良好，體積密度大的蛋氨酸[9-11]。

由于其合成工藝簡單，原料成本低，收率高(80%以上)，副產物可循環使用，對環境污染小等特點，被廣泛運用于蛋氨酸的生產，比如：法國安迪蘇和羅納普朗克、德國迪高沙和德固賽、美國孟山都、日本曹達等公司[12-13]。

1.2 氰醇法 此法在20世紀40年代末開始運用于工業化生產，美國杜邦和孟山都公司先后采用此法生產蛋氨酸[14]。氰醇法反應原理[3]見圖3，步驟如下：

圖3 氰醇法合成蛋氨酸基本原理

第一步與海因法第一步相同，生成2-甲硫丙醛；第二步是2-甲硫丙醛與HCN反應生成甲硫基丁氰醇；第三步加氨，生成甲硫基丁氰；第四步硫酸水解，形成蛋氨酸。第三步如果加酸，則生成蛋氨酸羥基類似物(MHA)，后與Ca(OH)2反應可生成MHA-Ca，這些產物有相應的市場需求[15]。

此法工藝簡單，收率高，生產成本比較低，還可用于制備其他不同產品，用該法制備蛋氨酸的生產廠家有日本諾偉思、美國孟山都、法國羅那普朗克等公司。

以上兩種合成工藝所生產的均為DL-蛋氨酸，主要用于飼料級蛋氨酸生產業。若要將其運用于食品、生物醫藥等行業，需要對DL-蛋氨酸進行進一步的精細加工，比如較為復雜的光學拆分[16]。

2 蛋氨酸的應用及前景拓展

在飼料行業，目前蛋氨酸大規模運用于家禽(仔豬、肉雞、鴨等)養殖生產中[17]，通過對畜禽的生產性能、免疫功能、抗氧化功能和腸道發育發揮作用，從而起到促進機體生長、增加瘦肉量和縮短飼養周期等效果。比如在飼料中添加適量蛋氨酸能提高肉雞[18]的日增重、胸肌率、降低料肉比，提高蛋雞產蛋率、日蛋重；抑制雞回腸中大腸桿菌，減少仔豬腹瀉率[19]等；促進動物機體免疫系統應答，從而提高家禽的抵抗力和免疫力[20-21]。但畜禽體內缺乏蛋氨酸時，易出現體重減輕、發育不良、臟器機能受損，肌肉萎縮，毛質變壞等現象。

在食品行業，根據相關的食品安全國家標準，來源為非動物源性的L-蛋氨酸，用于特殊膳食用食品中進行氨基酸的營養強化[22]；DL-蛋氨酸和L-蛋氨酸可以作為食品用天然香料[23]，主要是由于蛋氨酸具有特殊氣味，常用于魚糕類制品。因此食品級L-蛋氨酸可用于食品和保健食品的生產加工過程，發揮相應的營養或香料功能。由于食品級L-蛋氨酸制備工藝和加工過程更為嚴格和復雜，使得其生產成本更高，但同理價格也比飼料級蛋氨酸高出四至五倍[21]。

在生物醫藥行業，蛋氨酸時氨基酸輸液和復合氨基酸制劑的主要組分，還可用于合成藥用維生素[24]。由于蛋氨酸具有抗脂肪肝、抗肝硬變及各種急性、慢性肝炎的作用，可用于肝臟方面的疾病以及防止砷、苯等物質中毒。同時一些常見的疾病，比如抑郁癥、心肌損害、風濕熱等疾病與飲食中缺乏蛋氨酸有一定程度的相關度。同時有研究表明蛋氨酸可用于醫藥美容行業，有助于健康肌膚的形成[19]。

結合蛋氨酸的生產工藝以及目前的應用，本文認為其發展主要傾向于以下方向：一是生產工藝的技術創新，通過原料、生產條件、催化劑、副產物的循環利用等的優化和改良，獲得更高收率和品質的產品；通過加大科研投入，在其他方法如生物發酵法，不斷優化中改良出高產工程菌，生物發酵法由于反應條件溫和，環境污染少，一直是市場及實驗室研究的熱點。二是通過產業鏈的延伸，對蛋氨酸及其相關產品進行深度加工和研究，以發現其更多的功能和用途，以開發更多的產品。