氨基酸的分離與提純

氨基酸的分離與提純摘要：國(guó)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(guó)外已廣泛應(yīng)用于飲料等食品。L-賴(lài)氨酸和DL蛋氨酸廣泛應(yīng)用于改進(jìn)飼料成份的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。L-賴(lài)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(lèi)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(lèi)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(huì)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(guó)內(nèi)氨基酸的生產(chǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)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(shí)，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(shí)，氨基的電離被抑制而帶負(fù)電荷。在等電點(diǎn)時(shí)，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(lèi)：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＜?jí)A性氨基酸。利用這個(gè)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(lái)，新的氨基酸分離提純方法的研究十分活躍，報(bào)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(wú)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(lái)，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(jiǎn)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(guó)曾經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)了將胱氨酸母液通過(guò)離子交換層析柱分離出精氨酸、組氨酸和賴(lài)氨酸[5]；前蘇聯(lián)也有過(guò)以離子交換層析法從胱氨酸母液中提取精氨酸、組氨酸、賴(lài)氨酸、苯丙氨酸和異亮氨酸的報(bào)道[6]；國(guó)內(nèi)的許多研究單位及胱氨酸生產(chǎn)單位開(kāi)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(lèi)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(yáng)離子[10]。季銨鹽(如甲基三辛基氯化銨TOMAC)和酸性磷氧類(lèi)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(yáng)離子萃取劑。Nato等人[11]研究了高pH時(shí)，TOMAC對(duì)各種氨基酸的萃取平衡。氨基酸陽(yáng)離子和季銨鹽陽(yáng)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(duì)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)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(duì)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(lài)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(duì)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(duì)分配比以及氨基酸的性質(zhì)對(duì)萃取效果的影響，發(fā)現(xiàn)D2EHPA對(duì)堿性氨基酸的萃取效果最好，對(duì)酸性氨基酸則最差，對(duì)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(shí)才能較好地分開(kāi)，對(duì)于等電點(diǎn)相近的混合氨基酸只能部分得以分開(kāi)或根本就難以分離；氨基酸離子在樹(shù)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(duì)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?zhuān)@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(guò)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(méi)有在大規(guī)模生產(chǎn)中推廣開(kāi)來(lái)[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?cè)诜菢O性溶劑中的溶解度很低，因此物理萃取法難以用來(lái)提取氨基酸。早期采用正己胺和含4~5個(gè)碳原子的低級(jí)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(duì)萃取柱的高度要求很高，一般要有30~40理論級(jí)才能有滿(mǎn)意的分離效果。近些年來(lái)先后開(kāi)發(fā)了化學(xué)萃取法分離提取氨基酸，其中有機(jī)胺類(lèi)和以有機(jī)磷酸為應(yīng)用最多的兩大類(lèi)萃取劑[20~25,]，尤其是在有機(jī)磷酸為萃取劑的萃取過(guò)程研究很多，并開(kāi)發(fā)大量的工藝過(guò)程。采用高級(jí)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(wú)毒、價(jià)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。可以將戊二酸、谷氨酸、天門(mén)冬氨酸和亞胺二醋酸從其相混合的氨基酸中分離。化學(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(shí)才能被萃取分離開(kāi)，對(duì)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(lèi)有限，主要集中于以下兩類(lèi)：一類(lèi)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(lèi)是有機(jī)胺鹽表面活性劑形成的反膠團(tuán)。這兩類(lèi)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(wú)機(jī)鹽濃度較低時(shí)才具有應(yīng)用價(jià)值。因此這兩類(lèi)反膠團(tuán)只能應(yīng)用于從無(wú)機(jī)鹽濃度較低的料液如發(fā)酵液中萃取分離氨基酸，對(duì)于像胱氨酸母液含大量無(wú)機(jī)鹽的氨基酸料液，這兩類(lèi)反膠團(tuán)就無(wú)法應(yīng)用。針對(duì)國(guó)外報(bào)道的反膠團(tuán)存在的缺點(diǎn)，翁連進(jìn)[33~35]開(kāi)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(lèi)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(mǎn)意的萃取率。通過(guò)改變混合氨基酸水溶液中無(wú)機(jī)鹽的種類(lèi)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(kāi)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(jí)萃取，3級(jí)洗滌，可使反膠團(tuán)中精氨酸的純度大于98%，整個(gè)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(kāi)兩個(gè)液相，利用液膜的選擇透過(guò)性，使料液中的某些組分透過(guò)液膜進(jìn)入接受液，然后將三者各自分開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)料液組分的分離[36]。Thien等人[37]最先對(duì)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(duì)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(guò)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(gè)過(guò)程參數(shù)的變化都會(huì)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(duì)重要性來(lái)確定。支撐液膜萃取綜合了膜過(guò)程和溶劑萃取過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，萃取和反萃取過(guò)程同時(shí)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(méi)有過(guò)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(duì)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(guò)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(lèi)無(wú)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(lái)越重要[40]。4結(jié)論利用我國(guó)來(lái)源充足、價(jià)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(guó)的人發(fā)、動(dòng)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(gòu)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò),雖然目前在分離提純上還存在一些問(wèn)題,但根據(jù)我們的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(shí)的逐步增強(qiáng),我國(guó)氨基酸生產(chǎn)的產(chǎn)量、質(zhì)量、規(guī)模和效益都會(huì)有一個(gè)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(cè)[M].無(wú)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(guó)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(yáng)離子交換樹(shù)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(yáng)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(duì)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(duì)氨基酸的萃取平衡.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)[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(shū).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