氨基酸的分離與提純

氨基酸的分離與提純摘要：國內(nèi)外氨基酸分離與提純的發(fā)展研究現(xiàn)狀及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：氨基酸，分離，提純，應(yīng)用1前言氨基酸及其衍生物是組成蛋白質(zhì)的基本單元，廣泛用于醫(yī)藥、食品、飼料、化妝品工業(yè)等領(lǐng)域。例如，在食品加工和飼料工業(yè),L-谷氨酸一鈉可作為增鮮劑，L-天冬氨酸、甘氨酸和DL-丙氨酸等也用作食品風(fēng)味改良劑，另外，L-天冬酰苯丙氨酸甲酯作為低熱量甜味劑(Aspartame)，在國外已廣泛應(yīng)用于飲料等食品。L-賴氨酸和DL蛋氨酸廣泛應(yīng)用于改進(jìn)飼料成份的營養(yǎng)價值。L-賴氨酸還用于強(qiáng)化面粉和強(qiáng)化米的生產(chǎn)。在醫(yī)藥衛(wèi)生方面，除了大量應(yīng)用結(jié)晶氨基酸輸液外，某些氨基酸及其類似物也被用于治療某些疾病。例如L-多巴[L-3-(3，4-二輕基苯基)丙氨酸]是治療帕金森氏病的重要藥物，而α-甲基-多巴為有用的降壓藥物。L-谷酰胺及衍生物用于治療胃潰瘍，L-色氨酸和5-羥基-L-色氨酸是有效的抗抑郁劑。另外某些氨基酸衍生物具有抗腫瘤的作用。一些肽類例如催產(chǎn)素，血管緊張肽和促胃液激素等，它們具有醫(yī)療效果的激素效應(yīng)。氨基酸聚合物，例如聚-γ-甲基-L-谷氨酸已被用作人造革的原料?？傊?，氨基酸及其衍生物將會隨著科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而被更加廣泛地應(yīng)用[1]。然而，國內(nèi)氨基酸的生產(chǎn)遠(yuǎn)不能滿足其需求。2氨基酸的性質(zhì)氨基酸是一種具有兩性官能團(tuán)的物質(zhì)。氨基酸分子既含有氨基又含有羧基，在溶液中主要以—NH3+，—C00—形式存在。氨基和羧基的電離取決于溶液的pH值和氨基酸的等電點(diǎn)Pl：在pH低于等電點(diǎn)P1時，羧基的電離被抑制，氨基酸帶正電荷；在pH值高于等電點(diǎn)Pl時，氨基的電離被抑制而帶負(fù)電荷。在等電點(diǎn)時，氨基酸的溶解度最小，最易從溶液中析出。按照側(cè)鏈基團(tuán)的不同，氨基酸可以分為3類：酸性氨基酸，中性氨基酸，和堿性氨基酸。而各種氨基酸的等電點(diǎn)不同，酸性氨基酸＜中性氨基酸＜堿性氨基酸。利用這個性質(zhì)，可以把它們進(jìn)行分離提純[2]。3氨基酸的分離與提純氨基酸的分離提純可采用沉淀、離子交換、溶劑萃取法、反向微膠團(tuán)萃取、液膜萃取和電滲析等方法。最常用的是離子交換法。近年來，新的氨基酸分離提純方法的研究十分活躍，報道最多的是反應(yīng)萃取、反向微膠團(tuán)萃取和液膜萃取等。3.1特殊沉淀法特殊沉淀法[14]是最早應(yīng)用于混合氨基酸分離的方法之一。某些氨基酸可以與一些有機(jī)或無機(jī)化合物結(jié)合，形成結(jié)晶性衍生物沉淀，利用這種性質(zhì)向混合氨基酸溶液中加入特定的沉淀劑，使目標(biāo)氨基酸與沉淀劑沉淀下來，達(dá)到與其他氨基酸分離的目的。較為成熟的工藝有：精氨酸與苯甲醛在堿性和低溫條件下，可縮合成溶解度很小的苯亞甲基精氨酸，分離這種沉淀，用鹽酸水解除去苯甲醛，即可得精氨酸鹽酸鹽[4]；亮氨酸與鄰—二甲苯-4-磺酸反應(yīng)，生成亮氨酸的磺酸鹽，后者與氨水反應(yīng)得到亮氨酸[1]。特殊沉淀法雖然操作簡單、選擇性強(qiáng)，但是由于沉淀劑回收困難，廢液排放污染加劇，殘留沉淀劑的“毒性”等已逐漸被其他分離方法所取代。3.2離子交換法英國曾經(jīng)成功地開發(fā)了將胱氨酸母液通過離子交換層析柱分離出精氨酸、組氨酸和賴氨酸[5]；前蘇聯(lián)也有過以離子交換層析法從胱氨酸母液中提取精氨酸、組氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸和異亮氨酸的報道[6]；國內(nèi)的許多研究單位及胱氨酸生產(chǎn)單位開展了大量的關(guān)于離子交換法從蛋白水解液中提取氨基酸工藝的研究[1，4，7，8]。劉艷梅（1979年3月5日），女，碩士在讀，主要研究方向：清潔生產(chǎn)與資源回收。盡管氨基酸的存在形態(tài)A±所呈現(xiàn)的凈電荷為零，但是這類存在形態(tài)幾乎不溶于普通有機(jī)溶劑中。因此，采用通常的溶劑萃取是不能奏效的。目前人們采用了兩種形式的離子交換反應(yīng)萃取。一種是在高pH下萃取氨基酸陰離子[9]，另一種是在低pH下萃取氨基酸陽離子[10]。季銨鹽(如甲基三辛基氯化銨TOMAC)和酸性磷氧類萃取劑[如二(2-乙基已基)磷酸D2EHPA]是典型的陰離子萃取劑和陽離子萃取劑。Nato等人[11]研究了高pH時，TOMAC對各種氨基酸的萃取平衡。氨基酸陽離子和季銨鹽陽離子之間發(fā)生離子交換。不同氨基酸的萃取平衡常數(shù)有很大的差異。對色氨酸所獲得的萃取平衡常數(shù)最大。它是甘氨酸萃取平衡常數(shù)的260倍。萃取平衡常數(shù)KA值同Nazaki等人提出的氨基酸的親油比關(guān)聯(lián)較好。Haensel[10]等人用TOMAC作載體對D，L-苯丙氨酸的反應(yīng)萃取作了平衡研究。由于緩沖離子與OH—競爭萃取，平衡常數(shù)受到初始pH值的影響。另外，氨基酸的濃度越低，則季銨鹽濃度對分配系數(shù)的影響就越大。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的脈沖篩板塔中，氨基酸反應(yīng)萃取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[12]，季銨鹽對氨基酸的反應(yīng)萃取存在一定的障礙。由于季銨鹽較高的表面活性，使脈沖篩板塔中的反應(yīng)萃取操作限制在兩相通量較低以及振幅、頻率較低的范圍之內(nèi)，故脈沖篩板塔的效率較低[13]。文獻(xiàn)[15，16]研究了用D2EHPA-煤油溶劑萃取異亮氨酸的反應(yīng)機(jī)理，表明D2EHPA—煤油溶劑體系對于芳香族氨基酸、亮氨酸、異亮氨酸及堿性氨基酸中的精氨酸都有著較好的分離效果。文獻(xiàn)[17]研究了D2EHPA—煤油溶劑萃取苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸、酪氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、賴氨酸、組氨酸的萃取規(guī)律及其溫度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)萃取分配比與氨基酸的結(jié)構(gòu)有關(guān)，它取決于氨基酸中A基團(tuán)的極性、所含的碳原子數(shù)和氨基酸的空間結(jié)構(gòu)。萃取反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高對萃取不利。苯丙氨酸、色氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和精氨酸在D2EHPA-煤油溶劑中的分配比較高，具有一定的工業(yè)應(yīng)用前景，而酸性氨基酸基本上不被萃取。文獻(xiàn)[18]研究了D2EHPA與各種氨基酸在酸性條件下的萃取平衡，確定了萃取反應(yīng)式和萃取平衡常數(shù)，并考察了有機(jī)溶劑、溶液的pH值、萃取劑的濃度對分配比以及氨基酸的性質(zhì)對萃取效果的影響，發(fā)現(xiàn)D2EHPA對堿性氨基酸的萃取效果最好，對酸性氨基酸則最差，對中性氨基酸而言，苯丙氨酸、亮氨酸和纈氨酸的效果最好，而酪氨酸、絲氨酸、甘氨酸和丙氨酸的效果最差。離子交換法分離混合氨基酸僅僅是利用各種氨基酸之間等電點(diǎn)的差異，因此只有當(dāng)欲被分離的混合氨基酸之間的等電點(diǎn)相差較大時才能較好地分開，對于等電點(diǎn)相近的混合氨基酸只能部分得以分開或根本就難以分離；氨基酸離子在樹脂中的擴(kuò)散速度較慢，因此一方面要求料液的流速較低．另一方面對于氨基酸濃度較高的料液在上離子交換柱前還要進(jìn)行稀釋，這就必然導(dǎo)致所需的設(shè)備太大；此外，離子交換法由于本身的生產(chǎn)原理決定了生產(chǎn)過程難以連續(xù)化。所以離子交換法用于混合氨基酸的分離并沒有在大規(guī)模生產(chǎn)中推廣開來[14]。3.3萃取法3.3.1溶劑萃取法由于氨基酸是離子型化合物，它們在非極性溶劑中的溶解度很低，因此物理萃取法難以用來提取氨基酸。早期采用正己胺和含4~5個碳原子的低級醇作為萃取劑從蛋白水解液中萃取分離十幾種氨基酸[19]。但這種萃取劑的分配系數(shù)低，分離系數(shù)差，對萃取柱的高度要求很高，一般要有30~40理論級才能有滿意的分離效果。近些年來先后開發(fā)了化學(xué)萃取法分離提取氨基酸，其中有機(jī)胺類和以有機(jī)磷酸為應(yīng)用最多的兩大類萃取劑[20~25,]，尤其是在有機(jī)磷酸為萃取劑的萃取過程研究很多，并開發(fā)大量的工藝過程。采用高級脂肪酸，如月桂酸、硬脂酸、棕櫚酸和油酸可以有效地萃取分離堿性氨基酸。這些脂肪酸無毒、價廉。但是，堿性氨基酸比較容易用離子交換法有效地分離。萃取法分離堿性氨基酸恐怕難有商業(yè)應(yīng)用前景[26]。利用氨基酸不溶于水，而易溶于液氨的性質(zhì)，發(fā)展了液氨萃取技術(shù)[27，28]。應(yīng)用這種技術(shù)，在蒸發(fā)了氨后，可獲得氨基酸的極好結(jié)晶?？梢詫⑽於?、谷氨酸、天門冬氨酸和亞胺二醋酸從其相混合的氨基酸中分離?；瘜W(xué)萃取法分離混合氨基酸主要也是利用不同氨基酸之間等電點(diǎn)差別，與離子交換法相似，只有當(dāng)混合氨基酸之間的等電點(diǎn)相差足夠大時才能被萃取分離開，對于等電點(diǎn)相近的氨基酸如中性氨基酸，它們的等電點(diǎn)幾乎一致，因此化學(xué)萃取法是難以分離混合氨基酸的。3.3.2反膠團(tuán)萃取法反膠團(tuán)萃取法分離氨基酸是從80年代末興起的氨基酸分離技術(shù)。用于萃取氨基酸的反膠團(tuán)的種類有限，主要集中于以下兩類：一類是以AOT[琥珀酸二(2-乙基己基)酯磺酸鈉]為代表的磺酸鹽形成的反膠團(tuán)；一類是有機(jī)胺鹽表面活性劑形成的反膠團(tuán)。這兩類反膠團(tuán)萃取氨基酸的共同缺點(diǎn)是只有在氨基酸水溶液中的無機(jī)鹽濃度較低時才具有應(yīng)用價值。因此這兩類反膠團(tuán)只能應(yīng)用于從無機(jī)鹽濃度較低的料液如發(fā)酵液中萃取分離氨基酸，對于像胱氨酸母液含大量無機(jī)鹽的氨基酸料液，這兩類反膠團(tuán)就無法應(yīng)用。針對國外報道的反膠團(tuán)存在的缺點(diǎn)，翁連進(jìn)[33~35]開發(fā)了一種新的反膠團(tuán)，以二異辛基磷酸銨表面活性劑形成的反膠團(tuán)，這種反膠團(tuán)具有比以上兩類反膠團(tuán)更強(qiáng)的萃取能力，在鹽酸濃度高達(dá)4.5mo1／L的胱氨酸母液中仍具有令人滿意的萃取率。通過改變混合氨基酸水溶液中無機(jī)鹽的種類或濃度，使等電點(diǎn)相近的氨基酸在同一種反膠團(tuán)中的分配系數(shù)產(chǎn)生較大的差別，實(shí)現(xiàn)等電點(diǎn)相近的混合氨基酸的分離。根據(jù)這一觀點(diǎn)，翁連進(jìn)已成功地開發(fā)了從胱氨酸母液中提取精氨酸的工藝[24]，該工藝采用4級萃取，3級洗滌，可使反膠團(tuán)中精氨酸的純度大于98%，整個工藝精氨酸的回收率大于98%，而目前工業(yè)上應(yīng)用離子交換法從胱氨酸母液中提取精氨酸的工藝的回收率僅10％。3.3.3液膜萃取液膜萃取是將第三種液體展成膜狀以便隔開兩個液相，利用液膜的選擇透過性，使料液中的某些組分透過液膜進(jìn)入接受液，然后將三者各自分開，從而實(shí)現(xiàn)料液組分的分離[36]。Thien等人[37]最先對氨基酸在乳狀液膜中的傳遞進(jìn)行研究。他們采用NaD2EHPA為載體研究了乳狀液膜體系中各種參數(shù)，如外相pH值、表面活性劑濃度、載體濃度、攪拌速度，以及內(nèi)相初始鹽酸濃度等對L-苯丙氨酸傳遞的影響，并且獲得了最優(yōu)化條件。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過一次間歇操作以后，80％的L-苯丙氨酸可以從外相轉(zhuǎn)移到內(nèi)相，而且內(nèi)相L-苯丙氨酸的濃度是外相的8倍。實(shí)驗(yàn)表明，任何一個過程參數(shù)的變化都會影響到溶質(zhì)的分離和濃縮的效率。乳狀液膜系統(tǒng)的優(yōu)化必須根據(jù)溶質(zhì)分離和濃縮的相對重要性來確定。支撐液膜萃取綜合了膜過程和溶劑萃取過程的優(yōu)點(diǎn)，萃取和反萃取過程同時進(jìn)行，減少了有機(jī)相的使用量。Deblay等人[38]用支撐液膜回收、濃縮和純化由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的氨基酸。從沒有過濾的發(fā)酵液中萃取纈氨酸的實(shí)驗(yàn)表明，由于雜質(zhì)的存在，分離性能明顯下降，但是纈氨酸的傳遞仍然是最有效的，而且對纈氨酸的選擇性大約是染料的10倍、葡萄糖的100倍、蔗糖的1000倍以上。3.4毛細(xì)電滲析以集成電路為基礎(chǔ)的毛細(xì)電滲析，通過添加少量溶解聚合物，可明顯提高肽縮氨酸和氨基酸的溶解與分離[39]。毛細(xì)電滲析已成為一種應(yīng)用廣泛的分離大范圍多種類無機(jī)或有機(jī)化合物的方法。它可以與傳統(tǒng)的色譜分離方法相媲美。因?yàn)樗母叻蛛x效率使之在生物化學(xué)中變得越來越重要[40]。4結(jié)論利用我國來源充足、價格低廉的自然資源為原料生產(chǎn)氨基酸前景是十分廣闊的。我國的人發(fā)、動物毛發(fā)、蹄角等角質(zhì)蛋白原料數(shù)量大,而且又有比較完整的購銷網(wǎng)絡(luò),雖然目前在分離提純上還存在一些問題,但根據(jù)我們的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)說明,隨著新技術(shù)的推廣應(yīng)用,生產(chǎn)裝備的不斷完善,綜合利用和環(huán)保意識的逐步增強(qiáng),我國氨基酸生產(chǎn)的產(chǎn)量、質(zhì)量、規(guī)模和效益都會有一個較大幅度的提高。SeparationandPurificationofAminoAcidsAbstract:thetechniqueofseparationandpurificationofaminoacidsdomesticandabroadarereviewed.Brieflyexpatiatetheapplicationinpractice.Keywords:aminoacids;separation;purification;application;參考文獻(xiàn)[1]周駿山.實(shí)用氨基酸手冊[M].無錫市氨基酸研究所.1989,264[2]戴紅,張宗才,張新申.制革廢棄物中氨基酸的提取和分離.氨基酸和生物資源[J],2003,25(3):46~48[3]董軍芳,林金清,譚平華,曾穎.分離提純氨基酸的新方法.福建化工[J],2002（1）:34~36[4]李良鑄,由木金,盧盛華.生化制藥學(xué)[M].北京:中國醫(yī)藥科技出版社,1991[5]ShakaloVF.BP1314708[6]USSR163188[7]季浩宇.離子交換法從生產(chǎn)胱氨酸廢液中分離提取三種堿性氨基酸.氨基因雜志[J],1994(2):19~22[8]潘秋霞,王春生.用732陽離子交換樹脂提取堿性氨基酸的工藝研究.氨基酸雜志[J],1994（2）:23~24[9]HaenselR,HalwachsW,SchugerlK.ChemEmgSci[J],1986,41:1811~1815[10]TeromotoM,MiyakeY,MatsuyamaH,etal.ISEC’90,Kyoto,1990[11]NatoT,OhtakeT,MatsumotoM,etal,JChemEngJapan,1991,24:20~24[12]SchlichtingE,HalwachsW,SchiigerlK,ChemEngProcexx[J],1985,19:317~328[13]劉陽生,戴猷元,汪家鼎.萃取分離氨基酸研究進(jìn)展,現(xiàn)代化工[J].1998(8):8~12[14]翁連進(jìn).混合氨基酸的分離技術(shù).化工進(jìn)展[J].2000（2）:51~53[15]LiaoShisu,LinZhou,JiangGanbua,ZhangDelongSolventExtractionandIonExchange[J],1993,11(5),849~859[16]MasaakiTeramoto,yoshikazuMiyake,HidetoExtractionofAminoAcidswithOrganophosphorusExtractant[J].1993:25~26[17]相群星.用D2EHPA對不同結(jié)構(gòu)氨基酸萃取行為研究.清華大學(xué)化工系,1988年畢業(yè)論文[18]曹漢瑾,王德寶,劉沛研等.二（2-乙基己基）磷酸對氨基酸的萃取平衡.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報[J].1996,17（3）386~388[19]ClydC.dewott,Lansing,andMertrnW,Fogie,Midland.Mich.US2894954[20]WeberAlfred,WilkeDetlef,KurzidionJohannes,KenneckeMario.USP4644067[21]TeramotoMassaki,NaraHiroshi,MatsuyamaHideto,MiyakeYoshikazu.ProSympSolventExtr[J],1989:23~28[22]StienmanThomasJ,MattisonPhillipL.EP353728[23]LiaoShisu,LinZhou,JiangGanhua,ZhangDclong.SolventExtractionandIonExchange[J],1993,11(5):849~859[24]MarieChristineBitar,JeanLouisSabot,PaulAiollet[J].EP251852[25]TuominenFranisW,SwanaonRonaldR,MattisonPhillipL,MackayKemmethD,USP4886888[26]張德隆,廖史書.溶劑萃取法分離氨基酸的最新進(jìn)展.氨基酸和生物資源[J].1995,17（3）:51~54[27]C.A.56:60896[28]Nakamura,Walumio(SagamiChemicalResearchCenter)Japan7414,727[29]ShintamFurusaki,KazuyukiKishi,JChentEngJpn[J],1990,23(1):91~93[30]EpaminondasBLeodidis,TAlanHatton,JPhyaCham[J],1990,94:6400~6411[31]MotonariAdachi,MakotoHarada,AkihiaaShioi,YasuoSato,JphysChem[J],1991(95):7926~7931[32]WenhuaWang,MartinEWeber,JuanHVers.IndEngChemRes[J],1995(34):599~606[33]翁連進(jìn).反