蛋氨酸的主要生产工艺及应用前景

李露敏 揭琴丰 王 杉

江西省疾病预防控制中心 江西 南昌 330029

蛋氨酸，又名甲硫氨酸，是20种氨基酸中唯一含硫的氨基酸，结构如下图所示，为非极性α-氨基酸，分子式为C5H11NO2S，相对分子量为149.121。蛋氨酸分子为白色晶体或结晶性粉末，具有特征性气味，易溶于甲酸，溶于水、碱性溶液和稀无机酸，极微溶于乙醇，几乎不溶于乙醚。按照Fisher投影式划分，将其分为L-蛋氨酸(左旋体)和D-氨基酸(右旋体)，如图1所示。

图1 蛋氨酸的分子结构

蛋氨酸作为一种必需氨基酸，是构成生物体内蛋白质的基本单位之一。它是机体内甲基供体的重要来源，同时参与了机内大量的生理生物学反应，如：磷的代谢以及肾上腺素、胆碱和肌酸的合成等，同时也是合成蛋白质和胱氨酸的原料[1-2]，因此被广泛运用于饲料、食品、医药等各领域。

目前产业化生产蛋氨酸主要采用化学合成法，其他方法比如生物发酵法，蛋白质水解法，提取法等[3]，均由于蛋氨酸收率太低、成本太高、环境污染等原因，未在大规模生产中使用。在化学合成法中最常见的是海因法和氰醇法[4]。

1 生产蛋氨酸的两种主要生产工艺

1.1 海因法生产工艺 海因(乙内丙脲)法，该法是制备α-氨基酸的经典方法，据相关文献报到，该法最早可追溯至1872年，F.Urech等化学家为此做出了首创性的贡献，之后经过优化成Bucherer- Bergs反应[5-6]，该反应成为最为典型、运用最广的方法，其核心原理是strecker反应，之后采用CO2酸化加成。海因法在此基础上经过进一步优化，基本的反应原理[1]如图2，主要步骤如下：

图2 海因法合成蛋氨酸基本原理

第一步为硫醇-烯反应[7]：以甲硫醇和丙烯醛为原料，通过催化剂，生成2-甲硫丙醛，该反应高产无副产物，易分离，且反应条件温和，操作相对简单；第二步为strecker反应[8]，为海因合成及水解的步骤：2-甲硫丙醛与氰化钠(氰化物等亲核试剂)、碳酸氢铵缩合成5-(2-甲硫乙基)-乙内酰尿(海因)，然后在碱性条件下(一般采用NaOH、KOH、Ca(OH)2、K2CO3等)水解，得到产物为蛋氨酸的金属盐；第三步为结晶：经过酸化(一般采用H2SO4、HCl、CO2)后的金属盐形式才生成蛋氨酸的结晶，酸化工艺的不同使得产生的副产物也不同，常见有：NaSO4、NaCl、CaCO3等；第四步为结晶的精制：为提高蛋白质的产率，需要对蛋白质的结晶进行进一步的精制优化，主要的办法有分批结晶、诱导结晶、加入有机凝聚剂等方式，获得晶体状态良好，体积密度大的蛋氨酸[9-11]。

由于其合成工艺简单，原料成本低，收率高(80%以上)，副产物可循环使用，对环境污染小等特点，被广泛运用于蛋氨酸的生产，比如：法国安迪苏和罗纳普朗克、德国迪高沙和德固赛、美国孟山都、日本曹达等公司[12-13]。

1.2 氰醇法 此法在20世纪40年代末开始运用于工业化生产，美国杜邦和孟山都公司先后采用此法生产蛋氨酸[14]。氰醇法反应原理[3]见图3，步骤如下：

图3 氰醇法合成蛋氨酸基本原理

第一步与海因法第一步相同，生成2-甲硫丙醛；第二步是2-甲硫丙醛与HCN反应生成甲硫基丁氰醇；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，则生成蛋氨酸羟基类似物(MHA)，后与Ca(OH)2反应可生成MHA-Ca，这些产物有相应的市场需求[15]。

此法工艺简单，收率高，生产成本比较低，还可用于制备其他不同产品，用该法制备蛋氨酸的生产厂家有日本诺伟思、美国孟山都、法国罗那普朗克等公司。

以上两种合成工艺所生产的均为DL-蛋氨酸，主要用于饲料级蛋氨酸生产业。若要将其运用于食品、生物医药等行业，需要对DL-蛋氨酸进行进一步的精细加工，比如较为复杂的光学拆分[16]。

2 蛋氨酸的应用及前景拓展

在饲料行业，目前蛋氨酸大规模运用于家禽(仔猪、肉鸡、鸭等)养殖生产中[17]，通过对畜禽的生产性能、免疫功能、抗氧化功能和肠道发育发挥作用，从而起到促进机体生长、增加瘦肉量和缩短饲养周期等效果。比如在饲料中添加适量蛋氨酸能提高肉鸡[18]的日增重、胸肌率、降低料肉比，提高蛋鸡产蛋率、日蛋重；抑制鸡回肠中大肠杆菌，减少仔猪腹泻率[19]等；促进动物机体免疫系统应答，从而提高家禽的抵抗力和免疫力[20-21]。但畜禽体内缺乏蛋氨酸时，易出现体重减轻、发育不良、脏器机能受损，肌肉萎缩，毛质变坏等现象。

在食品行业，根据相关的食品安全国家标准，来源为非动物源性的L-蛋氨酸，用于特殊膳食用食品中进行氨基酸的营养强化[22]；DL-蛋氨酸和L-蛋氨酸可以作为食品用天然香料[23]，主要是由于蛋氨酸具有特殊气味，常用于鱼糕类制品。因此食品级L-蛋氨酸可用于食品和保健食品的生产加工过程，发挥相应的营养或香料功能。由于食品级L-蛋氨酸制备工艺和加工过程更为严格和复杂，使得其生产成本更高，但同理价格也比饲料级蛋氨酸高出四至五倍[21]。

在生物医药行业，蛋氨酸时氨基酸输液和复合氨基酸制剂的主要组分，还可用于合成药用维生素[24]。由于蛋氨酸具有抗脂肪肝、抗肝硬变及各种急性、慢性肝炎的作用，可用于肝脏方面的疾病以及防止砷、苯等物质中毒。同时一些常见的疾病，比如抑郁症、心肌损害、风湿热等疾病与饮食中缺乏蛋氨酸有一定程度的相关度。同时有研究表明蛋氨酸可用于医药美容行业，有助于健康肌肤的形成[19]。

结合蛋氨酸的生产工艺以及目前的应用，本文认为其发展主要倾向于以下方向：一是生产工艺的技术创新，通过原料、生产条件、催化剂、副产物的循环利用等的优化和改良，获得更高收率和品质的产品；通过加大科研投入，在其他方法如生物发酵法，不断优化中改良出高产工程菌，生物发酵法由于反应条件温和，环境污染少，一直是市场及实验室研究的热点。二是通过产业链的延伸，对蛋氨酸及其相关产品进行深度加工和研究，以发现其更多的功能和用途，以开发更多的产品。