【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(fā)現(xiàn)和分離。接著Fischer 于20 世紀初從動物性蛋白質(zhì)中成功分離得到。苯丙氨酸是一種重要的醫(yī)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(fā)展以及低熱量甜味劑阿斯巴甜產(chǎn)量的迅速增加，苯丙氨酸的市場需求增長較快。據(jù)統(tǒng)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(yī)藥保健事業(yè)不斷發(fā)展，我國醫(yī)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(fā)展最快，需求量。隨著國內(nèi)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(nèi)的市場也日益增加，因此，市場對苯丙氨酸的需求也持續(xù)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(chǎn)阿斯巴甜。阿斯巴甜亦稱天冬甜素，國內(nèi)俗稱蛋白糖，是一種優(yōu)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(guān)規(guī)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(guī)定的所有食品。阿斯巴甜在中國的生產(chǎn)與應用剛剛起步，發(fā)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(nèi)沒有L- 苯丙氨酸生產(chǎn)裝置，進口原料價格昂貴，導致生產(chǎn)成本無法同進口產(chǎn)品競爭，所以沒有形成工業(yè)化生產(chǎn)，市場供應數(shù)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(yī)藥領(lǐng)域
根據(jù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的不同用途，苯丙氨酸有醫(yī)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(yī)用復合氨基酸輸液和合成醫(yī)藥外，還可用來配制醫(yī)藥的培養(yǎng)介質(zhì)。用苯丙氨酸合成的醫(yī)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(jīng)傳遞素等。苯丙氨酸在該領(lǐng)域的消費需求發(fā)展平穩(wěn)增長。
3. 其他領(lǐng)域
近年來，苯丙氨酸的應用領(lǐng)域還在不斷拓展，如開發(fā)了以苯丙氨酸及其衍生物為原料合成手性中間體技術(shù)，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，可顯著提高低品質(zhì)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(chǎn)物赤蘚糖- 4 - 磷酸(erythrose - 4 - phosphate ，E4P )和糖酵解過程的中間產(chǎn)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(zhuǎn)化為莽草酸(SHIK )，然后再轉(zhuǎn)化為分支酸(CHA )，由分支酸合成苯丙酮酸(PPY )，最后苯丙酮酸經(jīng)轉(zhuǎn)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(chǎn)物為原料，通過分離純化等方法生產(chǎn)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。該工藝較復雜，分離提取困難，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)成本較高。另外，還可以以豬毛等為原料生產(chǎn)，但產(chǎn)酸率低，投資大，能耗大，原料來源有限，產(chǎn)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(nèi)酯，后者經(jīng)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(chǎn)率及放化產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)移條件下進行烷基化反應。最后，經(jīng)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(fā)展前途的化學合成方法。
3. 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)苯丙氨酸
1）使用酵母菌生產(chǎn)
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(chǎn)量達58. 0 g L -1 。
2）使用桿菌生產(chǎn) 苯丙氨酸
由短桿菌變異株FMP92814 出發(fā)對其產(chǎn)苯丙氨酸條件進行了優(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。
3）使用假單胞菌生產(chǎn)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(chǎn)實驗。結(jié)果顯示轉(zhuǎn)氨反應最適溫度35～40 ℃；在pH7～pH10 內(nèi)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(zhuǎn)氨反應速度。在此反應體系中，E4 - 106 菌株單位濕重細胞的轉(zhuǎn)氨酶活力為1039U /g ；當產(chǎn)物苯丙氨酸質(zhì)量濃度為32. 2 g/L和50. 4 g /L時，苯丙酮酸摩爾轉(zhuǎn)化率分別為97. 5 %和87. 2 %，產(chǎn)物回收率為81. 8 %。
3.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)能力強等優(yōu)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(yè)化開發(fā)研究，
2）兩菌兩酶法
通過兩菌雙酶法利用大腸桿菌EP8-10 經(jīng)培養(yǎng)后產(chǎn)生高活力轉(zhuǎn)氨酶和低活力的天冬氨酸酶，而E. coli EA則產(chǎn)生高活力天冬氨酸酶和很低的轉(zhuǎn)氨酶，耦合EP8 - 10 中轉(zhuǎn)氨酶和EA - 1中Asp 酶作用，由苯丙酮酸和富馬酸生成L- Phe ，該體系條件為：EA-1 和EP8 - 10 兩種細胞質(zhì)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(chǎn)L-苯丙氨酸
苯丙氨酸合成途徑有多個調(diào)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(diào)控的關(guān)鍵酶；轉(zhuǎn)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(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)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(shù)通訊, 2002, 13(4): 296-300.
[3] 李冀新, 張超. L-苯丙氨酸生產(chǎn)及應用研究進展[J]. 氨基酸和生物資源, 2006, 28(2): 51-56.