生命科学仪器 ２００６ 第４卷／ １０月刊
研究报告
氨基酸的开发与应用
蒋平，田兴军
（南京大学生命科学学院， 南京 ２１００９３）
摘要 氨基酸作为蛋白质的基本构件，自人类认识它以来，人们就一直在挖掘着它的潜力，生产工艺的不断改进，生
产技术的不断革新，应用领域的不断拓展，无不昭示着氨基酸工业的长足进步。可当人们越向深处挖掘时，发现宝藏的资源越是丰富。本文即从氨基酸的生产、应用与开发方面，进行一下综述。关键词 氨基酸，生物化工，基因工程
氨基酸，是指同一分子内含有氨基（－ＮＨ２）和羧基（－ＣＯＯＨ）的化合物总称，在生物体中他们是组成蛋白质的基本单位。在自然界中，组成蛋白质的氨基酸共有２０种，除甘氨酸外，所有组成蛋白质的天然氨基酸都是Ｌ－α－氨基酸，其中８种为人类必需的氨基酸（苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、），这些氨基酸通过肽键连接成为大分子的蛋白质，是所有生命的基础。氨基酸及其衍生物广泛应用于医药、食品、添加剂、化妆品、科学研究等领域。随着生物工程技术逐渐成为２１世纪全球的主要产业之一，氨基酸的需求量越来越大，品种变更越来越快，工艺改革越来越新。
１９５０年首次采用化学合成法［３］，二十世纪５０年代，随着石油化工的发展，氨基酸化学合成法发展起来，并形成大型产业，由于此法技术成熟、生产量大、氨基酸的品种不受等优点，所以目前蛋氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸主要是采用化学合成法。
氨基酸的发酵法生产是１９５７年日本突破了谷氨酸发酵技术之后发展起来的，主要从自然界野生菌经诱导或突变删选出营养缺陷型和抗性变异株。近年来，遗传学和生物工程技术被引进菌种选育后，氨基酸的高产菌株不断出现，使发酵法有了进一步的发展。目前有６０％以上的氨基酸采用发酵法生产。
酶法生产氨基酸始于２０世纪７０年代，利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨基酸的方法。日本１９７３年用固定化菌体法成功进行天冬氨酸的生产，从此酶法生产氨基酸为发酵工程的发展带来了新的生机［４］。
基因工程兴起于２０世纪７０年代，１９７９年前苏联首次成功的构建了苏氨酸基因工程菌后日本、德国、美国也相继投入氨基酸的基因工程菌的研究工作，现在已建立了基因分离、鉴定克隆、转移和表达的一系列方法，对代谢途径及调空机理做了深入的研究。
１
１．１
氨基酸工业的发展
世界氨基酸工业的发展
１８２０年，Ｂｒａｃｏｎｎｏｔ从明胶分解液中分离出甘氨酸，这是人类发现的第一个氨基酸［１］。１８６６年，德国的Ｒｉｔｔｈａｎｓｅｎ由面筋的硫酸水解液中分离出谷氨酸。１９０７年德国有机化学家Ｅｍｉｌ Ｆｉｓｃｈｅｒ首次将１８个氨基酸用化学方法连成一个多肽。１９０８年日本人Ｉｋｅｄａ发现谷氨酸钠是鲜味的强化剂，从此开始了工业化生产氨基酸的历史。１９６５年，我国在世界上第一次人工合成出有５１一个氨基酸组成的具有生物学活性的蛋白质—结晶牛胰岛素［２］。
世界氨基酸工业的发展从１９０８年开始，先后开发了蛋白质水解抽提法、化学合成法、微生物发酵法和酶法四种氨基酸生产方法，最近又新起了用基因工程手段生产氨基酸。
蛋白质水解抽提法是传统的氨基酸生产技术，从１９１０年日本味之素公司采用酸水解大豆蛋白提取谷氨酸开始到１９５７年发酵法生产谷氨酸成功的几十年的历史中［３］，几乎所有的氨基酸都采用提取法制备。
２氨基酸的应用
２０世纪６０年代以前，氨基酸主要用于鲜味剂，６０
年代后用于饮料添加剂，７０－８０年代用于营养制剂，９０年代以后，用于医药保健、食品添加剂、日用化工、农药等行业，随着氨基酸应用领域的不断扩张，世界氨基酸的需求量也越来越大，世界氨基酸的年增长率为１０％，２０００年已越过２００万吨［５］。２．１氨基酸在食品行业的应用２．１．１氨基酸用作调味剂
人类应用的第一个氨基酸是谷氨酸的钠盐，以后
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人们又发现甘氨酸、赖氨酸、脯氨酸、丙氨酸、天冬氨酸也有调味功能，现在８种氨基酸用作食品调味剂。２．１．２氨基酸用作营养强化剂
植物蛋白的氨基酸不平衡影响其蛋白效价，因此在大米、面粉、高粱等粮食中添加氨基酸成为联合国粮农组织和世界卫生组织最关心的问题之一。添加了氨基酸的粮食可使蛋白质利用率提高１￣３倍，对解决世界人口与粮食不足的矛盾将有深远的意义。
此外氨基酸在食品行业中的应用还有：天门冬氨酸与苯丙氨酸、甘氨酸与赖氨酸合成甜味二肽（俗称蛋白糖） ［５］，甘氨酸、谷氨酸可做食品香料；赖氨酸、精氨酸可以作为食品的发色剂。２．２氨基酸在医药行业的应用
氨基酸是合成生物体蛋白质、激素、酶及抗体的基本原料，在生物体内参与正常的代谢和生物活动。氨基酸及其衍生物在医药上可用作营养剂、代谢改良剂，具有抗溃疡、防辅射、抗菌、治癌、催眠、镇痛及为不能经口获得营养的病人配制特殊膳食的功效。
药用氨基酸以氨基酸输液量最大，有几种、十几种氨基酸按一定比例组成的氨基酸输液能治疗多种疾病。目前其使用量已从１１种发展到２０种，氨基酸含量由３％发展到１２％￣１６％，全世界氨基酸输液量估计达到８亿瓶以上［５］。氨基酸输液发展的新动态是各种特殊用途氨基酸液的出现，如肾衰竭病人专用、癌症患者专用、幼儿专用输液等。氨基酸输液已由维持营养需求到临床治疗［６］。
以氨基酸为原料的激素、抗菌素、抗癌剂等生物活性多肽也日益增加，如谷胱甘肽、促胃激素、催产素的已实现工业化［７］。
２．３氨基酸在饲料业中的应用
氨基酸在饲料工业中主要被用作饲料强化添加剂。１９２８年首次人工合成蛋氨酸，当时已有科学家发现经加热处理的大豆饼，添加蛋氨酸能改变其营养价值。１９４８年首次工业规模生产蛋氨酸，这是氨基酸作为饲料用氨基酸的开始［８］。
氨基酸作为饲料添加剂，其功效主要是：促进动物生长发育；改善肉质，提高畜蜻禽生产能力增加产量；另外，由于家禽粪便中的氮和磷对环境造成污染，为了减少这些元素的积累，在饲料中应尽量减少额外氨基酸的含量，而代以蛋氨酸、赖氨酸等必不可少的氨基酸。
２．４氨基酸在日用化妆品中的应用
氨基酸及其衍生物与人体皮肤相似，容易被皮肤３２
吸收，延缓皮肤衰老。人们为了美容自己，千方百计
寻找可以永驻青春的良药，殊不知，最好的材料就在我们身边。氨基酸在日用化妆品行业的兴起，一方面为我们的爱美之士提供了一个新的选择，同时也为氨基酸行业提供了一个新的契机。２．５新开拓
２．５．１大力发展药用中间体
２０世纪９０年代以后，氨基酸及其衍生物逐渐成为合成活性药物的重要原料。Ｌ－脯氨酸胆碱酯酶抑制剂的合成原料；Ｄ－对羟基苯甘氨酸和Ｄ－苯甘氨酸是合成新抗生素的原料；Ｌ－缬氨酸是合成环孢菌素的原料；Ｌ－苯丙氨酸是合成ＨＩＶ蛋白酶抑制剂和抗肿瘤药物紫杉的重要原料［９］。
非天然氨基酸也是合成活性药物的重要原料，许多新药如蛋白酶抑制剂类抗艾滋病药均是人工合成的非天然氨基酸。Ｄ型氨基酸附加值较高，是氨基酸行业提高经济效益的发展新方向［１０］。近年来世界氨基酸生产的两大巨头日本味之素和协和发酵公司都在大力发展药用中间体。
２．５．２聚合氨基酸的开发
由于人们越来越关注环保问题，所以氨基酸这一绿色化工行业的发展受到人们的青睐，聚合氨基酸的开发更是在绿色化学产品中崭露头角。例如日本味之素开发的γ－聚谷氨酸，是利用纳豆菌对谷氨酸进行聚合化获得的。聚谷氨酸是出色的绿色塑料，在自然界中可被降解，被用于食品包装和一次性餐具等；美国开发的聚精氨酸用于生产农用的保鲜地膜、洗涤剂、废水处理剂等；近年来，开发的低分子聚合氨基酸如ＡＬＤＡ、ＧＬＤＡ和ＥＤＤＳ，他们的共同点是在自然界中自动降解、无公害，符合将来绿色化工的发展方向。
３
３．１
氨基酸工业的最新动态
氨基酸生产新技术——生物化工
生物化工是生物技术与化学工程技术相互融合与交叉发展的领域，是生物技术的一个分支学科，也是化学工程的主要前沿学科。它的任务是将理论转为实际，将科学应用于生产，例如生物反应器的设计［１１］。由于化工的发展将创造巨大的经济效益和社会效益，所以各国都在竞相开展化工研究开发工作，而且在和资金上都给予了巨大支持，例如：杜邦、陶氏化学、孟山都、拜耳等［１２］。我国氨基酸产业的落后原因，除了发酵法所用的菌种产酸水平低以外，另一个重要的原因就是我国生物化工技术的发展落后，氨基
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酸生产上存在许多问题。所以我国要想振兴氨基酸产业，在生物化工的开发上一定不能落于人后。
３．２氨基酸生产新工艺——基因工程手段生产氨基
酸
７０年代兴起的基因工程为发酵工程的发展注入了活力。应用ＤＮＡ重组，基因定向诱变，进行生产菌的定向育种，并打破种属界限，集中不同菌株的优点，从而选育出高产、优质、易于自动化生产的基因工程菌。世界几个科技强国在这方面都已有所建树，例如日本的三井化学公司利用重组ＤＮＡ技术改造的Ｌ－色氨酸发酵菌种可使产量提高一倍以上。然而，道路是艰辛的，因为代谢途径工程比蛋白多肽的基因工程复杂的多，它涉及的基因通常不止一个，除了需要有效的
［１３］
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［８］［９］［１０］
载体受体系统外，对代谢途径及机理的研究也十分重
要。不过我们可以预见，运用基因工程手段生产氨基酸已成为未来的趋势，用基因工程手段定向选育的抗反馈抑制调节的、高表达的、分泌型的基因工程菌必将代替诱变筛选获得的生产菌株。
历史证明，解决了人类基本需求的技术必将带来一场，氨基酸工业技术将成为主角。我们将利用生物技术，积极投身到这场中来。参考文献
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Ｐｉｎｇ Ｊｉａｎｇ， Ｘｉｎｇｊｕｎ Ｔｉａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ， ２１００９３， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ， Ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｗａｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｈｕｍａｎ ｂｅｉｎｇ， ｉｔｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｕｇ ｕｐ ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓｐｅａｋ ｔｈｅ ｑｕｉｅｔ ｇｒｅａｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｅｏｐｌｅ ｄｉｇ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｒｅａｌｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ， ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｔｒｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｒｅｖｅａｌｅｄ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ， ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｍｉｎｏ ａｃｉｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ａｍｉｎｏ ａｃｉｄｓ， Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｇｅｎｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
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