L-色氨酸的生产方法

L-色氨酸的生产方法

L-色氨酸的生产最早主要是依靠化学合成法和蛋白质水解法制造。随对微生物法生产色氨酸的研究的不断发展，人们开始利用微生物法发酵生产色氨酸。现已走向实用并且处于主导地位。微生物法大体可分为微生物发酵法和酶促转化法。近年来还出现了直接发酵法和化学合成法，直接发酵法和转化法相结合生产色氨酸的研究。另外，基因工程、酶的固定化和高密度培养等技术在微生物育种和酶工业上的应用极大地推动了直接发酵法和酶法生产色氨酸的工业化进程。 化学合成法就是利用有机合成和化学工程相结合的技术生产或制备氨基酸的方法。DL-色氨酸的化学法合成，大致可分为以吲哚为原料的合成法和以苯肼为原料的合成法两种。Snydcr和MacDonald研究出了一种简单的合成DL-色氨酸的方法，即在乙酸和乙酸酐的存在下利用吲哚和α-乙酰氨基丙烯酸直接缩合，得到N-乙酞-DL-色氨酸，此物质在氢氧化钠溶液中水解即可得到DL-色氨酸，收率为57．7%。Moe和MacDonald报道以苯肼为原料合成色氨酸，即在乙酸钠存在下，将丙烯醛和乙酰氨基丙二酸二乙酯缩合，缩合体再与苯肼反应而生成苯腙，苯腙在H2S04或BF3水溶液中回流水解，环化得到化合物3-吲哚基-甲基-乙酰氨基-丙二酸二乙酯，将此化合物水解脱羧可得DL-色氨酸。

化学合成法的最大优点是在氨基酸品种上不受限制，既可制备天然氨基酸，又可制备各种特殊结构的非天然氨基酸。但这并不意味着具有工业生产价值，由于合成得到的氨基酸都是DL-型外消旋体，必须经过拆分才能得到人体能够利用的L-氨基酸。故用化学合成法生产DL-色氨酸时，除需考虑合成工艺条件外，还要考虑异构体的拆分与D-色氨酸异构体的消旋利用，三者缺一不可。因此，化学法合成L-色氨酸在工业上的应用也受到一定的限制。 酶法是利用微生物中L-色氨酸生物合成酶系的催化功能生产L-色氨酸的，能够利用化工合成的前体物为原料，既充分发挥了有机合成技术的优势，又具有产物浓度高、收率高、纯度高、副产物少、精制操作容易等优点，是一种成本较低的生产色氨酸的工业化生产方法。目前在L-色氨酸的生产中应用较为广泛。这些酶包括色氨酸酶、色氨酸合成酶、丝氨酸消旋酶等。根据提供这些酶的微生物种类数，可以分为双菌酶法和单菌酶法两种类型。

双菌酶法是利用两种菌分别提供酶促反应所需的色氨酸合成酶(TS)、丝氨酸消旋酶(SR)，以吲哚和DL-丝氨酸为底物酶促转化L-色氨酸。这种方法可以将具有不同高活性的酶促转化色氨酸所需的酶结合在一起，实现菌种的优势互补，提高底物的转化率。Makiguchi等用大肠杆菌的色氨酸合成酶和恶臭假单胞菌的丝氨酸消旋酶，以吲哚和DL-丝氨酸为底物，在200L反应罐中反应24h，L-色氨酸产量可达到110g/L，对吲哚吸收率为100%(摩尔比，下同)，对DL-丝氨酸收率为91%。单菌酶法是利用一种菌提供色氨酸合成所需的色氨酸酶、色氨酸合成酶、丝氨酸消旋酶等酶类酶促转化色氨酸。Won-giBang等对单酶菌法生产色氨酸进行了研究，利用大肠杆菌B10的高Ts活性转化吲哚和DL-丝氨酸，添加非离子表面活性Triton X-100，37℃反应60h，色氨酸产量可达至141．4g/L，对吲哚收率为93．2%，对DL-丝氨酸收率为93．6%．

由于底物吲哚对色氨酸合成酶抑制强烈，而对色氨酸酶抑制较弱，所以近年来人们更为倾向于将色氨酸酶用于L-色氨酸的生物合成。色氨酸酶正常情况下降解L-色氨酸生成丙酮酸、吲哚和氨，但在高浓度的丙酮酸和氨条件下也能有效地催化丙酮酸、吲哚和氨合成L-色氨酸。该酶还能催化L-丝氨酸或L-半胱氨酸和吲哚合成L-色氨酸。Nakazawa等以20g吲哚、30g丙酮酸钠、50g乙酸铵和4gProteus rettgeri(雷氏变形杆菌)菌体作为色氨酸酶源，37℃反应48h可积累23gL-色氨酸。Ujimaru等用Achromabacterliquidum(液形无色杆菌)色氨酸酶催化L-丝氨酸和吲哚合成L-色氨酸，L-丝氨酸转化率为82．4%，吲哚转化率为92．4%。

国内也有研究以L-半胱氨酸和吲哚为原料酶法生产L-色氨酸。韦平和等用色氨酸酶基因工程菌WWW-4催化L-半胱氨酸和吲哚合成L-色氨酸，80mL反应液(L-半胱氨酸0．75g，吲哚0．75g)37℃反应48h，可积累L-色氨酸1．18g，L-半胱氨酸转化率为93．2%，吲哚转化率为90．1%，产品总回收率达70%。另外，也有报道利用具有丙酮酸高产率和高活性色氨酸酶的菌株酶促转化L-色氨酸。

酶促转化法既可以直接利用高活性色氨酸合成酶、色氨酸酶，或者具有高活性色氨酸合成酶或色氨酸酶的菌体催化L色氨酸的合成，也可以将酶或菌体固定化后进行L-色氨酸的合成。菌体和酶固定化后具有提高酶的稳定性便于反复使用，便于实现生产连续化和自动化等优点。Won—Bang等利用聚丙烯酰胺固定具有高活性色氨酸合成酶的大肠杆菌Escherichia coli B10菌体细胞，在连续搅拌槽反应器中连续使用50天，色氨酸合成酶活性保持80%，最高产酸0.12g.L-1h-1。还有利用其它固定化技术进行酶促转化L-色氨酸。Eggers等报道了一种利用有机脂膜系统利用色氨酸酶酶促转化L-色氨酸。它是以环己烷作为有机相，有机脂膜将两水相和有机相分开，其中一水相构成酶促反应体系，另一水相构成反萃取体系，利用bis-tris-propane作为两水相的缓冲剂维持两水相的pH差值，从而影响反应体系中各物质在两水相的分配常数，再通过有机相中的阴离子交换剂Aliquat-336交换两水相中的丙酮酸和L-色氨酸。这种体系有利于L-色氨酸转运到反萃取水相中，而有助于色氨酸的提取和降低L-色氨酸对酶的抑制作用；而且，有机相还可以储存吲哚，使吲哚在酶促反应体系中的浓度低于对酶的抑制水平。Eggers等还建立了一种反胶团酶促转化L-色氨酸的反应体系，它是将色氨酸酶溶解在含有表面活性剂Brij56的环己烷和水构成的反胶团的水相中，利用吲哚和丝氨酸为底物，在有机相中添加阴离子交换剂Aliquat-336转运水相和有机相中的L-色氨酸。以bis-tris-propane作为两水相的缓冲剂，选择合适的含水量和pH值等参数条件，结果在1dm反应体积内，每g色氨酸酶经过lh反应可产酸10g。该系统除了上述脂膜反应体系的优点外，还可以提高色氨酸酶的稳定性。因此，在L-色氨酸的酶促转化中有着广阔的应用前景。 微生物发酵法包括直接发酵法和添加前体发酵法。

1直接发酵法

直接发酵法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉价原料为碳源，利用优良的色氨酸生产菌株，在合适的发酵条件下，直接发酵生产色氨酸。选育高产稳产的色氨酸优良菌株是直接发酵法研究的中心问题．在育种技术方面，传统的诱变育种国内外进行了大量的研究。Shiio等以黄色短杆菌酪氨酸缺陷型、对氟苯丙氨酸(4FP)抗性变异株为出发菌株，选育5-氟色氨酸(5-FT)抗性变异株No．187，该菌株可产L-色氨酸8．0 g/L。继续以No．187为亲株选育具有邻氨基苯甲酸结构类似的重氯丝氨酸(AsaSer)抗性变异株A100，其产酸率提高到lO．3 g/L，再从A-100选育磺胺胍(SG)抗性变异株S-225，其产酸率进一步提高到19g/L。国内的张素珍等人以亚硝基胍处理北京棒杆菌AS1.299，得到CG45突变株。该菌株具有5MT，6FT，4MP抗性标记，且以精氨酸和尿嘧啶为必需生长因子，在含12%葡萄糖的培养基中，30℃振荡培养5天。可积累色氨酸8g/L。该方法研究比较早，但在相当长的时间内无法达到工业化生产的要求。主要原因是从葡萄糖到色氨酸的生物合成途径比较长，其代谢流也比较弱，而且色氨酸的合成需要多种前体物质(PRPP、谷氨酰胺、L-丝氨酸等)。要想进一步提高L-色氨酸的产量还必须提高这些前体物的产量。另一方面色氨酸生物合成途径中的调节机制比较复杂，除了存在多重反馈调节外，还存在着弱化子系统。这使得色氨酸成为氨基酸发酵工业中最难发酵的氨基酸之一．随着DNA重组技术的在微生物育种中的应用，为优良色氨酸菌种的筛选提供了可靠的技术保证。使得产酸水平逐渐达到工业化生产的要求。Katsumata．R等将带有DAHP合成酶(DS)和色氨酸合成酶(TS) 基因的重组质粒引入产L-色氨酸43g/L的谷氨酸棒杆菌KY10-894中，使该工程菌株的L-色氨酸产量达到了66g/L产酸水平提高了54%。

2添加前体发酵法

该法又称为微生物转化法，它是使用葡萄糖作为碳源，同时添加合成色氨酸所需的前体物(如邻氨基苯甲酸、吲哚、L-丝氨酸等)，利用微生物的色氨酸合成酶系转化前体来合成L-色氨酸。这种方法很早就投入了工业化生产，目前世界上最大的色氨酸生产厂家日本的昭和电工公司就是采用以邻氨基苯甲酸为前体物，利用Hansenula(汉逊氏酵母)或Bacillus(芽孢杆菌)菌种将其转化为色氨酸的生产方法，Yokozcnki等以DL-5-吲哚-甲基海因为原料，利用黄杆菌T-523分解其为色氨酸，可产L-色氨酸7．1 g/L。Fukui等由枯草杆菌选育5-氟色氨酸(5-FT)抗性突变株，在含l%葡萄糖和5%可溶性淀粉培养基中，连续流加邻氨基苯甲酸，可积累L-色氨酸9．6g/L。Nakayarna等进一步改造该突变株，使其具有5-FT和8-氮鸟嘌呤(8-AG)双重抗性，在含10%葡萄糖培养基中，连续流加邻氨基苯甲酸，可积累L-色氨酸15．6g/L。

微生物转化法的不足之处在于当转化液中前体物浓度较高时，转化率有所下降，但可以通过分批次少量流加前体减少其抑制作用。另外，前体物价格比较昂贵，不利于降低成本。因此，有人研究利用发酵法廉价提供一种前体物，再结合其它方法的优势进行色氨酸的生产。Hajimu MOrikota等利用黄色短杆菌P390直接发酵L-谷氨酸-β-半醛(GSA)达13．2g/L，然后将发酵液适当稀释后加入苯肼的1mol/LH2S04溶液中加热回流1小时之后，48%的GSA可转化为L-色氨酸。SMgeru oita等利用硫辛酸和硫胺素双重缺陷性菌株Enterobacter aetogene LT-94，在含5%的葡萄糖培养中产丙酮酸30g/L，然后再通过添加吲哚和氯化铵，利用该菌的色氨酸酶酶促转化L-色氨酸16．7%。