氨基酸及其衍生物的分离提纯在手性合成中的应用

蔡昌武

(巢湖学院 化学与材料工程学院，安徽 合肥 238024)

蛋白质的基本单元为氨基酸和衍生物，其在化学、饲料、食品及医疗等领域得到了普遍应用。如在饲料工业和食品加工领域使用最为普遍的增鲜剂就是L-谷氨酸一钠，同时也广泛的使用了甘氨酸、D-丙氨酸、L-天冬氨酸等食品风味改良剂。国外很多饮料企业在日常生产过程中，广泛地使用了低热量甜味剂L-天冬酰苯丙氨酸甲酯来提升饮料的口感和味道。饲料企业在生产时，使用DL蛋氨酸和L-赖氨酸可以有效提升饲料的营养功能。米、面企业在生产过程中，会将L-赖氨酸添加在大米和面粉中，以此来提升米面的品质。在医药卫生领域不仅使用结晶氨基酸输液，还会使用某类氨基酸或类似物来积极治疗各类疾病。在治疗帕金森患者时，使用L-多巴[L-3-(3，4-二轻基苯基)丙氨酸]取得了较好的效果，高血压患者服用的降压药物中通常包含着α一甲基-多巴，胃溃疡患者服用的药物中都含有L-谷酰胺及衍生物等。

1 氨基酸的生产方法

1.1 蛋白质水解法(提取法)

使用蛋白质水解法生产氨基酸的主要原料为动物蛋白质，在强酸水解作用下形成各类氨基酸。蛋白质水解法的原料成本比较低，国内储备量丰富。在工业生产时，可同时完成多种氨基酸的生产，易于实现工业化生产。我国氨基酸工业生产企业的发展速度比较快，原材料投入的成本比较低，企业规模不断扩大，为氨基酸生产提供了强有力的支撑。医药领域中使用的氨基酸一定要使用提取法来完成提取，在全世界医药领域中，酪氨酸、精氨酸、脯氨酸、肤氨酸、丝氨酸以及组氨酸等6种氨基酸类型必须使用提取法完成生产，由此可见，提取法的发展前景非常乐观。

1.2 发酵法

氨和糖类物质等低价碳氮源在微生物的作用下生产出了L-氨基酸，其有效利用了微生物自身能够合成所需要氨基酸的能力，在诱变菌株的作用下，孕育出来大量的变异株，使代谢调节过程中出现的阻遏和反馈得以高效解除，从而完成氨基酸合成的终极目标。在使用发酵法生产氨基酸时，产量最大的就是谷氨酸，赖氨酸的产量次之。发酵法生产氨基酸时，菌种的选育非常麻烦，控制起来难度系数非常高。

1.3 化学合成法

使用化学合成法生产氨基酸时，主要原理就是将化学工程与有机合成紧密联系在一起，从而生产出氨基酸。尽管化学合成法能够生产出各种类型的氨基酸，但其工业生产价值还需要进一步研究。化学合成法生产出来的氨基酸通常为外消旋体，在经过拆分处理以后，方能获得纯产物。因此，对于化学合成法来说，不但要考虑合成技术，还要全面分析D-异构体的消旋利用和异构体的拆分，三者有机融合在一起，缺少任何一项都会给其应用效果造成严重影响。

1.4 酶法

酶法主要是使用菌体提取的酶或微生物菌体来将有机物转化成为L-氨基酸的一种方法。该方法中包含的现代生物工程技术内容非常多，如生产生物工程菌、提取酶及固定化菌体或酶等。

2 手性化合物氨基酸的生产情况

自然界的核心属性就是手性，在生命活动的过程中，分子手性识别发挥着非常重要的作用。对于同一化合物的两个对映体来说，不仅包含物理化学性质、光学性质，同时也具有各不相同的生物活性。例如，药理作用。与药物立体化学相关的药物作用有受体结合、膜的传递和酶的抑制；而手性药物对映体的生物学代谢、毒性和活性与药物素质存在天壤之别。如今，国内外研究比较热门的课题就是手性化合物的制备。对于同一化合物的两个对映体而言，不仅物理化学性质和光学性质不同，生物活性也存在着巨大的差别。在手性化合物合成过程中，经常使用的方法有两种，即非生物法和生物法。

3 氨基酸及其衍生物的分离与提纯

3.1 离子交换法

胱氨酸母液是由英国科学家研制而成的，使用离子交换层析柱将赖氨酸、组氨酸和精氨酸等分离出来。苏联也试图使用离子交换层析法分离胱氨酸母液中的异亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸等。我国很多研究机构也做了大量的研究工作，通过使用离子交换法从蛋白水解液提取氨基酸。

氨基酸的存在形态A±通常所呈现出来的净电荷基本为零，该形态不会与普通有机溶剂相容，所以，使用普通的溶剂萃取不会有任何效果。如今在使用离子交换反应萃取时，主要包括低pH下萃取氨基酸阳离子和高pH下萃取氨基酸阴离子两种形式，典型的阳离子萃取剂和阴离子萃取剂分别为酸性磷氧类萃取剂和季铵盐。

在对高pH研究过程中，TOMAC使氨基酸的萃取平衡得以真正实现。季铵盐阳离子与氨基酸阳离子发生了离子交换反应，所有氨基酸萃取的平衡常数各不相同，平衡常数最大的就是色氨酸，与甘氨酸萃取平衡常数比较，色氨酸的平衡常数是其200多倍。在经过大量的研究以后，Nazaki等所提出的氨基酸的亲油比与萃取平衡常数KA值之间存在着紧密的联系。以TOMAC的研究结果为基础，有些专家和学者深入研究了D，L-苯丙氨酸的反应萃取平衡常数，在氢氧根离子与缓冲离子发生竞争萃取时，初始pH值就会给平衡常数造成一定影响。随着氨基酸浓度的不断下降，季铵盐浓度给分配系数带来的影响就会越来越大[1]。在实验室的脉冲筛板塔里，氨基酸反应萃取显示的结果为，季铵盐在氨基酸反应萃取中会出现一定程度的阻碍。季铵盐的表面活性比较高，导致脉冲筛板塔中的萃取反应会被控制在频率和振幅比较低的范围里，从而使脉冲筛板塔的效率随之下降。

在使用D2EHPA-煤油溶剂对异亮氨酸萃取时，D2EHPA-煤油溶剂分离碱性氨基酸、异亮氨酸、亮氨酸和芳香族氨基酸所包含的精氨酸时，其分离效果非常好。在全面分析D2EHPA-煤油溶剂萃取组氨酸、酪氨酸、色氨酸及赖氨酸的温度效益和萃取规律后，得出的最终结论为氨基酸结构与萃取分配比之前存在着千丝万缕的联系，其中氨基酸的空间结构、碳原子数及A基团的极性发挥着积极作用。萃取反应过程中会释放大量热量，因此，随着温度的不断升高，萃取反应效果就会随之下降。

3.2 特殊沉淀法

在混合氨基酸分离的过程中，最早使用的方法为特殊沉淀法。有的氨基酸能与无机化合物或有机化合物反应，最终生成结晶性衍生物，将特定的沉淀剂加入到混合氨基酸溶液中，借助沉淀剂使目标氨基酸沉淀下去，从而使氨基酸实现有效分离。最为成功的技术就是在低温和碱性环境中，将苯甲醛和精氨酸融合在一起，生成苯亚甲基精氨酸，其溶解度比较低，将沉淀物质分离出来，使用盐酸将苯甲醛除去，最终获得精氨酸盐酸盐。特殊沉淀法的操作非常便利，其选择性也比较强，但其最终生成的沉淀剂回收却非常麻烦，使废液排放过程中造成严重的环境污染，加之残留的沉淀剂会造成一定的负面影响，逐渐被其他分离法所代替。

3.3 反胶团萃取法

20世纪80年代末期兴起的氨基酸分离技术被称之为是反胶团萃取法，反胶团萃取氨基酸技术的核心原理为反胶团表面活性剂离子与氨基酸离子之间形成静电作用力，该静电作用决定了氨基酸被萃取的能力。国外在研究反胶团萃取法的过程，主要的研究方向就是对萃取机理的高效研究，主要的研究内容就是对单一氨基酸的研究，直到现在，一直没有对混合氨基酸分离技术进行研究。反胶团萃取法能够使用的反胶团种类非常少，主要包括有机胺盐表面活性剂构成的反胶团和磺酸盐构成的反胶团，其中磺酸盐构成的反胶团的主要代表就是AOT。上述两类反胶团萃取技术在对氨基酸萃取过程中，主要缺点为只能在氨基酸水溶液中无机盐浓度比较低的情况下，其萃取能力才能达到最佳水平。因此，在无机盐浓度比较低的料液中，使用上述两类反胶团萃取法，方能有效实现氨基酸的分离。然而对于无机盐浓度比较高的氨基酸溶液来说，使用这两种反胶团萃取法不会取得任何效果。所有氨基酸在反胶团中的分配系数都会受到表面活性剂与氨基酸离子之间的静电作用所影响，同时，氨基酸水溶液中的无机盐浓度和种类也会给其造成严重影响，因此，即便是等电点比较接近的氨基酸，其在同一种反胶团中的分配系数依然会出现比较明显的不同[2]。如果使用溶剂萃取法，这种情况就会得到高效的回避。因此，需要改变混合氨基酸水溶液中无机盐的浓度和种类，使得等电点比较接近的氨基酸在相同的反胶团中实现分配系数的巨大反差，进而使等电点比较接近的氨基酸实现高效分离。

在反应萃取氨基酸过程中，主要是指溶质和溶剂间有确定的化学计量关系的强溶剂存在，或借助离子反应实现对氨基酸的高效萃取过程，高分子量脂肪胺类萃取剂、酸性磷类萃取剂和中性磷类萃取剂在萃取过程中得到了广泛应用。同时，也深入研究了酸性反应性萃取剂给氨基酸萃取分离性能带来的影响，为氨基酸及衍生物的萃取分离研究提供了大量的信息数据，推动其快速发展。

3.4 溶剂萃取法

氨基酸属于离子型化合物范畴，在非极性溶剂中，氨基酸的溶解度非常低，因此，在提取氨基酸过程中，使用物理萃取法取得效果非常差。过去在萃取过程中，使用的主要萃取剂为低级醇或正己胺，低级醇包含的碳原子数为4—5个，以此从蛋白水解液中将氨基酸萃取分离出来。该萃取剂的分离系数非常差，分配系数也比较低，同时，对萃取柱的要求则非常高，通常情况下，理论级达到40左右时，其分离效果才能令人最满意。

目前，在分类氨基酸时，使用的最为普遍的方法就是化学萃取法，其中使用最为广泛的萃取剂为有机磷酸和有机胺类，而针对有机磷酸为萃取剂的研究最多，同时，还积极研发了许多的萃取工艺过程。在碱性氨基酸萃取分离过程中，油酸、棕榈酸、硬脂酸和月桂酸等高级脂肪酸得到了广泛应用。使用离子交换法可在最短时间内快速分离碱性氨基酸，因此，在碱性氨基酸分离过程中，萃取法的使用前景不容乐观。根据氨基酸比较容易溶于液氨、不易溶于水的性质，液氨萃取技术实现了快速发展。液氨萃取技术将氨全部蒸发掉后，可使氨基酸结晶达到最佳状态。在萃取过程中，可将亚胺二醋酸、戊二酸、天门冬氨酸和谷氨酸混合在氨基酸中完成共同分离操作。在混合氨基酸使用化学萃取法分离的过程中，主要是借助不同氨基酸之间的等电点差得以实现，该方法与离子交换法非常的接近，只有当混合氨基酸间的等电点相差达到最大值时，萃取分离才能取得良好效果。而对于中性氨基酸来说，其等电点非常相近，如果使用化学萃取法来分离中性氨基酸混合液时，最终效果就会非常差。

3.5 液膜萃取法

液膜萃取法主要是指将第三种液体伸展成为膜状物质后，实现对两种液相的有效分离。液膜具有一定的透过性，料液中的某些成分从液膜中透过以后融入到接受液中，接着将这三种液体分开后，使料液组分得以有效分离。

研究氨基酸在乳状液膜中传递情况时，Thien等人是最先开展此项研究工作的学者，其选择的载体为NaD2EHPA，以此来对乳状液膜体系进行全面深刻的研究，研究的主要对象为搅拌速度、载体浓度、表面活性剂浓度及pH值等，给L-苯丙氨酸传递造成的严重影响。在经过大量的实验后，发现一次间歇性操作就会使八成左右的L-苯丙氨酸从外相转移到内相中，内相中包含的L-苯丙氨酸浓度大约为外相包含浓度的八倍以上[3]。不管是哪一个过程参数发生了改变，都会给溶质的浓缩和分离效率造成严重影响。在优化和升级乳状液膜系统时，需要以溶质的浓缩和分离相对重要性为依据，从而使其达到最佳状态。在支撑液膜萃取时，将溶剂萃取过程和膜过程的优点结合在一起，反萃取与萃取同步开展，使得有机相的使用量控制在最小范围内。

4 结语

我国在生产氨基酸过程中，可使用的但价格不高、储备量丰富的自然资源多。我国角质蛋白原料储备量非常大，其中蹄角、动物毛发的储备最大，采购、销售网络很完整。尽管我国分离提纯技术还需进一步提升，但随着我国科学技术水平的不断发展和进步，生产设备的应用水平势必会发生翻天覆地的改变。如今人们的环保意识和综合利用观念正在发生着巨大改变，这就会给我国氨基酸生产带来积极影响，推动整个氨基酸生产行业实现飞速发展。