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氨基酸的应用与发展趋势

摘要介绍了氨基酸在食品、医药、添加剂及化妆品行业的应用，提出运用基因工程手段生产氨基酸是一种趋势，大力发展药用中间体是世界氨基酸工业的新潮流。

关键词氨基酸基因工程药用中间体

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，广泛用于食品、医药、添加剂及化妆品行业。随着生物工程技术产业逐渐成为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。目前全世界氨基酸每年的产量为100万t，耐需求总量是800万t，其中蛋氨酸25万t，赖氨酸50万t；中国氨基酸的需求总量为10～15万t（实际产量为3万t），其中蛋氨酸5万t，赖氨酸6.4万t。从组成上看，中国自20世纪60年代起，食品工业的氨基酸用量占61%，饮料工业的氨基酸用量占30%，医药、日用化工、农业、冶金、环保、轻工、生物工程技术等方面占用的比例逐年增加。

1、氨基酸的应用

氨基酸的特殊性质，决定了其在食品、医药、添加剂及化妆品行业的广泛应用。

1.1在食品行业的应用

谷氨酸钠是人类应用的第一个氨基酸，也是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨基酸。从1908年日本投入工业化生产到现在，人们已陆续发现甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、天冬氨酸也具有调味作用，并将之应用于食品行业。目前有8种氨基酸被用作食品调味剂。

赖氨酸是人体必需氨基酸之一，也是蛋白质的第一限制氨基酸，具有增强胃液分泌和造血机能。人体缺乏赖氨酸，就会发生蛋白质代谢障碍和机能障碍。中国已把赖氨酸列入食品营养强化剂使用卫生标准，并开发出多种赖氨酸食品、饮料等。

植物蛋白的氨基酸不平衡，会影响其蛋白交价，而在谷类食品中添加适量的赖氨酸，可大幅度增加蛋白质的营养价值，提高粮食中蛋白质的利用率，故赖氨酸又被列为营养强化剂。通常，在谷类作物食品中添加赖氨酸0.1%～0.3%，在小麦淀粉中加赖氨酸0.2%，就可使蛋白质的营养价值由50%提高到70%。

天门冬氨酸与苯丙氨酸、甘氨酸与赖氨酸合成的甜味二肽（俗称蛋白糖），甜度为蔗糖的150倍左右，甜味纯正、热值低，其分解产生能被人体吸收利用，故多用于汽水、咖啡、乳制品等。

甘氨酸本具有抑制生长、螯合、缓冲及抑制氧化等作用，故可用作食品添加剂，作为调味剂、氨基酸营养强化剂及保鲜剂；甘氨酸与纯碱中和产出的甘氨酸钠，可用作营养添加剂；甘氨酸溶液与碱式碳酸钠的反应产物氨酸铜，可用于治疗缺乏症等。

此外，氨基酸在食品行业的功能还有：赖氨酸可作食品除臭虫剂，甘氨酸可用抗菌剂，赖氨酸聚合物可作食品防腐剂，甘氨酸、L-谷氨酸等可作食品香料，赖氨酸、精氨酸可作食品发色剂，甘氨酸可作膨化食品添加剂等。

1.2在医药行业的应用

氨基酸是合成人体蛋白质、激素、酶及抗体的原料，在人体内参与正常的代谢和生物活动。用氨基酸及其衍生物可治疗各种疾病，可作为营养剂、代谢改良剂，具有抗溃疡、防辐射、抗菌、冶癌、催眠、镇痛及为特殊病人配制特殊膳食的功效。

由几种、十几种氨基酸按一定比例配比组成的氨基酸输液，能治疗多种疾病。目前其使用量己从11种发展到20种；输液中氨基酸含量由低浓度的3%发展到12%，甚至达到16%的高浓度输液；品种由单一营养发展到尿毒症用、肝病用等专用输液。目前全世界输液量估计在8亿瓶以上，中国自1980年开始生产氨基酸输液，现在年产量约为7000万瓶。

以氨基酸为原料的激素、抗菌素、抗癌剂等生物活性多肽日益增多，己在工业上生产的多肽有谷胱甘肽、促胃液素、催产素、促ACTH及降钙素等。以氨基酸作原料的还有：丙氨酸及天冬氨酸用于合成维生素B₆、β-丙氨酸用于合成泛酸钙、谷氨酸用于合成叶酸等。

近年来又开发了复方氨基酸制剂，如赖氨酸一维生素滴剂、精氨酸和脱氧胆酸复合剂、赖氨酸一泛酸盐口服液等，具有促进儿童生长发育、治疗各种梅毒及提高血球数等疗效。

1.3在饲料添中剂行业的应用

中国在饲料添加剂行业用的氨基酸主要有蛋氨酸和赖氨酸。其功效主要是：促进动物生长发育；改善肉质，提高畜禽生产能力，增加产量；提高饲料利用率，节省蛋白质饲料；降低成本。国际上配合饲料的发展趋势是以“维生素+矿物生+氨基酸”为主要添加剂，以缓解蛋白质饲料资源供需矛盾。据饲料工业发展规划，届时所需的蛋氨酸为3万吨以上，赖氨酸2.5～3.0万吨。

蛋氨酸具有促进肾上腺素合成胆碱、抗脂肪肝的作用。主要用于鸡饲料，亦可用于猪、牛的配合饲料；在目前鱼粉供应不中的情况下，蛋氨酸与豆类饲料配合使用，还可以部分代替鱼粉。据报道，在鸡配合饲料中添加0.01%的蛋氨酸，即可节省蛋白饲料2%～3%。用含量0.1%～0.2%蛋氨酸的配合饲料喂养蛋鸡，可明显提高蛋鸡的产蛋量，增加蛋重，并延长产蛋期。在肉鸡日粮中添加蛋氨酸0.56%～0.6%，肉鸡胴体脂肪含量可减少到15%，瘦肉的增加量达到3.5%～7.5%。

赖氨酸具有增强畜禽食欲、提高抗病能力、促进外伤治愈的作用，是合成脑神经及生殖细胞、核蛋白质及血红蛋白的必需物质。赖氨酸主要用于猪，亦可用于家禽和犊牛，饲料中的一般添加量为0.1%～0.2%。如在猪饲料中添加0.04%～0.22%的L-赖氨酸，猪可增重10%～37%；在鸡饲料中添加0.2%的L-赖氨酸盐酸盐，7周内雄、雌鸡体重分别增长39%和13%。

1.4在化妆品行业的应用

氨基酸及其衍生物与人体皮肤结构相似，易被皮肤吸收，使老化和硬化的表皮恢复水合性和弹性，延缓皮肤衰老。因此氨基酸在日用化工上的应用已有取代常用化工原料的趋势，如氨基酸和高级脂肪酸制成的表面活性剂、抗菌剂，已成为最高效的添加剂而被广泛作用；精氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸的碳酸盐、聚天门冬氨酸等制成的护发剂、染发剂、永久型烫发剂，发展成为时兴商品供应市场。用氨基酸合成的氨基酸羧酸型两性表面活性剂，具有毒性低、刺激小、柔软、抗静电、杀菌等性能，在洗涤用品、化妆品、纺织印染、制药等方面有较大用途。

1.5在其他行业的应用

在生物工程方面，半胱氨酸等正被开发成新的保护剂，亮氨酸、胱氨酸等正作为发酵工业中多种氨基酸生产菌的添加剂而被应用。在轻工业方面。聚谷氨酸和聚丙氨酸正在被研制在具有良好保温性和透气性的人造皮革和高级人造纤维。在农业方面，以氨基酸为原料合成的除草剂、防腐剂，作为无污染环境、无公害的新型农药出现在田野上。在重金属提取和电镀工业方面，天门冬氨酸、组氨酸、丝氨酸在溶金液中应用，使溶金能力提高100～200倍；谷氨酸等可用于电渡工业的电解溶液，胱氨酸可用于铜矿探测，氨基酸烷基酯可用于海上流油回收等等。

2、氨基酸工业的发展趋势

2.1传统的氨基酸生产方法

世界氨基酸工业从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等氨基酸生产方法。其中蛋白质水解法是最传统的氨基酸生产方法，从1910年日本味之素公司采用酸水解大豆蛋白提取谷氨酸钠开始，到1957年发酵法生产谷氨酸成功前，全部氨基酸产品都是采用抽提法制备的。化学合成法是20世纪50年代发展起来的方法，目前蛋氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等主要采用此法生产。化学合成法生产的氨基酸品种占总量的20%，酶法生产氨基酸始于20世纪70年代。日本1973年用固定经菌体成功进行了天冬氨酸的生产，开创了应用酶法生产氨基酸的先例。酶法生产的氨基酸品种占总量的10%。发酵法是1957年由日本首先成功开创的，当时由于成本问题，该项技术没用于工业化生产。近年来，随着遗传生化学和生物工程技术的发展，发酵法已成为目前生产氨基酸的主要方法。其生产的品种占总量的60%左右。目前，世界上氨基酸的主要生产国家有日本、美国、德国、法国、印尼、泰国、韩国、中国等，日本在氨基酸方面的研究、开发、生产技术、品种及产量上均居世界领先地位。

2.2运用基因工程手段生产氨基酸

传统的生产氨基酸的提取法、酶法和化学合成法，同于前体物的成本高，工艺复杂，难以达到工业化生产的目的，而国内目前大多采用的诱变筛选获得的菌株发酵法生产氨基酸，也有较大的局限性，所以国内虽然有不少生产氨基酸的厂家，但由于生产工艺技术滞后，产品质量及其成本都难以参与国际竞争。20世纪70年代兴起的基因工程为发酵工程，使发酵工业呈现欣欣向荣的景象。

通过基因突变和重组选育的大批优良菌株，不仅提高了传统产品的产量，而且开发了新产品。应用DNA重组，基因定向诱变，可进行生产菌的定向育种，并能打破种种界限，集中不同菌株的优点，从而先育出高产、优质、易于自动化生产的基因工程菌。目前国内用于氨基酸生产的基因工程菌的研究刚刚起步，构建的菌株还不能用于生产，但为满足氨酸市场的需求，对基团工程菌的研究势在必行，科研人员在广泛而深入地研究大肠杆菌载体一受体系统的基础上，对棒状杆菌载体一受体系统的研究取得了可喜的成绩；针对代谢过程还建立起一系列的研究手段，如营养缺陷型互补法等；在调控研究中，运用定点突变，插入失活及计算机分子空间构象模拟等手段，揭开了许多关键酶如何受反馈抑制的谜底，为代谢工程注入了新的活力，为获得高产、优质且易于自动化生产的菌株打下了基础。可以推测，运用基因工程手段生产氨基酸将成为未来的趋势。

2.3大力发展药用中间体

⑴氨基酸及其衍生物逐渐成为药用中间体。20世纪90年代以前，氨基酸通常被作为营养性输液原料（占药用氨基酸的80%），20世纪90年代后期起，氨基酸及其衍生物逐渐成为合成活性药物的重要原料。据国外统计数字表明，1998年全球500种畅销药物中约有18%（90种）使用氨基酸及其衍生物作为基本中间体或关键体；1998年作为合成药物中间体的氨基酸原料销售额首次超过营养性（输液用）氨基酸原料的确切销售额。这是氨基酸工业发展史上的一个里程碑。目前作为活性药物合成中使用频率最高的几种氨基酸是L-脯氨酸、D-苯甘氨酸、D-羟基苯甘氨酸、L-缬氨酸及苯丙氨酸。

⑵非天然氨基酸是合成活性药物的重要原料。目前，药用氨基酸中间体原料除用传统方法生产的天然氨基酸外，许多新药（如蛋白酶抑制剂类抗区滋病药）均使用人工合成的“非天然氨基酸”。德国药公司与DSM公司是少数几个既能生产天然氨基酸，又能生产非天然氨基酸的大公司。现在至少合成出30多种非天然氨基酸，可作为合成活性药物的重要原料。

⑶日本大公司的动向，日本味之素公司与协和发酵株式会社是世界主要氨基酸生产厂家，这两家公司近几年都在大力发展芭用氨基酸中间体原料的生产，以便为新药合成提供坚实的基础。可见，发展氨基酸工业的新潮流。

⑷应生产高附加值非天然氨基酸。天然氨基酸产品中以谷氨酸、蛋氨酸和赖氨酸等的产量最大，但附加值较低，而新型D氨基酸虽然生产数量较少，但附加值较高。因此氨基酸行业提高企业效益的发展新方向，是生产新型合成药所需的高附加值非天然氨基酸。