L-色氨酸又名α-氨基吲哚基丙酸，分子式:C11H12N2O2，白色至黃白色晶體或結晶性粉末。無臭或微臭，長時間光照則著色。與酸在暗處加熱較穩定。與其他胺基酸、糖類、醛類共存時極易分解。用作食品強化劑、抗氧劑。也用於醫藥等方面。由吲哚醛合成而得。也可由胰蛋白酶分解、合成製取。
基本介紹
- 中文名：L-色氨酸
- 外文名：L-Tryptophan
- 分子式：C11H12N2O2
- 分子量:：204.2252
基本信息,性質與穩定性,性狀,用途,質量指標,理化指標,生產方法,蛋白質水解法,化學合成法,酶促轉化法,微生物發酵法,注意事項,
基本信息
中文名稱:L-色氨酸
中文別名:L-2-氨基-3-吲哚基丙酸;(+/-)-2-氨基-3-(3-吲哚基)丙酸;L-2-氨基-3-吲哚基-1-丙酸;L-氨基吲哚丙酸;L-色胺基酸;L-胰化蛋白胺基酸;L-2-氨基-3-吲哚基-丙酸;L-色胺酸
英文別名:H-Trp-OH; L-Tryptophane; L-Tryptohan,99%; 2,4,5,6-Tetrachloropyrimidine; TRP; (S)-2-Amino-3-(3-indolyl)propionic acid; 2-Amino-3-(1H-indol-3-yl)propanoic acid
CAS:73-22-3
EINECS:200-795-6
分子量:204.2252
性質與穩定性
2. 存在於白肋煙菸葉、煙氣中。
性狀
白色至黃白色晶體或結晶性粉末。無臭或微臭，稍有苦味。熔點289℃，長時間光照則著色。與水共熱產生少量吲哚。如在氫氧化鈉、硫酸銅存在下加熱，則產生多量吲哚。色氨酸與酸在暗處加熱，較穩定。與其他胺基酸、糖類、醛類共存時極易分解。如無烴類共存，與5mol/L氫氧化鈉共熱至125℃仍穩定 。用酸分解蛋白質時，色氨酸完全分解，生成腐黑物。略溶於水（1.1g/100ml，25℃）。
用酸分解蛋白質時,色氨酸完全分解,生成腐黑物。色氨酸是雜環胺基酸,是一種必需胺基酸。在體內能轉變為5-羥色胺、煙酸、黑素緊張素、松果體激素和黃尿酸等多種生理活性物質。當人體缺乏色氨酸時,不僅會引起一般低蛋白症,還會產生皮膚疾患、白內障、玻璃體退化及心肌纖維化等特殊病症。它還能增強機體對γ射線的抵抗力。人體每日最低需要量為0.2g。
用途
動物：促進動物的採食、削弱應激反應、改善動物睡眠，還可以增加胎兒和幼仔的抗體、提高乳畜泌乳。降低日糧優質蛋白用量，節約飼料成本，降低日糧蛋白飼料用量，節約配方空間等。
質量指標
理化指標
白色結晶或結晶性粉末，微臭，味微苦，比旋光度：-31.1 º (c=1, H20)
生產方法
L-色氨酸的生產最早主要是依靠化學合成法和蛋白質水解法製造。隨著對微生物法生產色氨酸的研究的不斷發展，人們開始利用微生物法發酵生產色氨酸。現已走向實用並且處於主導地位。微生物法大體可分為微生物發酵法和酶促轉化法。近年來還出現了直接發酵法和化學合成法，直接發酵法和轉化法相結合生產色氨酸的研究。另外，基因工程、酶的固定化和高密度培養等技術在微生物育種和酶工業上的套用極大地推動了直接發酵法和酶法生產色氨酸的工業化進程。
蛋白質水解法
L-色氨酸的生產最早主要是依靠蛋白質水解法和化學合成法製造。蛋白質水解法是以毛髮、血粉及廢蠶絲等蛋白質為原科，通過鹼水解法和酶水解法生產L-色氨酸。隨著胺基酸生產技術的發展，現在已很少使用該法生產L-色氨酸。
化學合成法
化學合成法就是利用有機合成和化學工程相結合的技術生產或製備胺基酸的方法。DL-色氨酸的化學法合成，大致可分為以吲哚為原料的合成法和以苯肼為原料的合成法兩種。Snydcr和MacDonald研究出了一種簡單的合成DL-色氨酸的方法，即在乙酸和乙酸酐的存在下利用吲哚和α-乙醯氨基丙烯酸直接縮合，得到N-乙酞-DL-色氨酸，此物質在氫氧化鈉溶液中水解即可得到DL-色氨酸，收率為57．7%。Moe和MacDonald報導以苯肼為原料合成色氨酸，即在乙酸鈉存在下，將丙烯醛和乙醯氨基丙二酸二乙酯縮合，縮合體再與苯肼反應而生成苯腙，苯腙在H2S04或BF3水溶液中回流水解，環化得到化合物3-吲哚基-甲基-乙醯氨基-丙二酸二乙酯，將此化合物水解脫羧可得DL-色氨酸。
化學合成法的最大優點是在胺基酸品種上不受限制，既可製備天然胺基酸，又可製備各種特殊結構的非天然胺基酸。但這並不意味著具有工業生產價值，由於合成得到的胺基酸都是DL-型外消旋體，必須經過拆分才能得到人體能夠利用的L-胺基酸。故用化學合成法生產DL-色氨酸時，除需考慮合成工藝條件外，還要考慮異構體的拆分與D-色氨酸異構體的消旋利用，三者缺一不可。因此，化學法合成L-色氨酸在工業上的套用也受到一定的限制。
酶促轉化法
酶法是利用微生物中L-色氨酸生物合成酶系的催化功能生產L-色氨酸的，能夠利用化工合成的前體物為原料，既充分發揮了有機合成技術的優勢，又具有產物濃度高、收率高、純度高、副產物少、精製操作容易等優點，是一種成本較低的生產色氨酸的工業化生產方法。目前在L-色氨酸的生產中套用較為廣泛。這些酶包括色氨酸酶、色氨酸合成酶、絲氨酸消旋酶等。根據提供這些酶的微生物種類數，可以分為雙菌酶法和單菌酶法兩種類型。
雙菌酶法是利用兩種菌分別提供酶促反應所需的色氨酸合成酶(TS)、絲氨酸消旋酶(SR)，以吲哚和DL-絲氨酸為底物酶促轉化L-色氨酸。這種方法可以將具有不同高活性的酶促轉化色氨酸所需的酶結合在一起，實現菌種的優勢互補，提高底物的轉化率。Makiguchi等用大腸桿菌的色氨酸合成酶和惡臭假單胞菌的絲氨酸消旋酶，以吲哚和DL-絲氨酸為底物，在200L反應罐中反應24h，L-色氨酸產量可達到110g/L，對吲哚吸收率為100%(摩爾比，下同)，對DL-絲氨酸收率為91%。單菌酶法是利用一種菌提供色氨酸合成所需的色氨酸酶、色氨酸合成酶、絲氨酸消旋酶等酶類酶促轉化色氨酸。Won-giBang等對單酶菌法生產色氨酸進行了研究，利用大腸桿菌B10的高Ts活性轉化吲哚和DL-絲氨酸，添加非離子表面活性Triton X-100，37℃反應60h，色氨酸產量可達至141．4g/L，對吲哚收率為93．2%，對DL-絲氨酸收率為93．6%．
由於底物吲哚對色氨酸合成酶抑制強烈，而對色氨酸酶抑制較弱，所以近年來人們更為傾向於將色氨酸酶用於L-色氨酸的生物合成。色氨酸酶正常情況下降解L-色氨酸生成丙酮酸、吲哚和氨，但在高濃度的丙酮酸和氨條件下也能有效地催化丙酮酸、吲哚和氨合成L-色氨酸。該酶還能催化L-絲氨酸或L-半胱氨酸和吲哚合成L-色氨酸。Nakazawa等以20g吲哚、30g丙酮酸鈉、50g乙酸銨和4gProteus rettgeri(雷氏變形桿菌)菌體作為色氨酸酶源，37℃反應48h可積累23gL-色氨酸。Ujimaru等用Achromabacterliquidum(液形無色桿菌)色氨酸酶催化L-絲氨酸和吲哚合成L-色氨酸，L-絲氨酸轉化率為82．4%，吲哚轉化率為92．4%。
國內也有研究以L-半胱氨酸和吲哚為原料酶法生產L-色氨酸。韋平和等用色氨酸酶基因工程菌WWW-4催化L-半胱氨酸和吲哚合成L-色氨酸，80mL反應液(L-半胱氨酸0．75g，吲哚0．75g)37℃反應48h，可積累L-色氨酸1．18g，L-半胱氨酸轉化率為93．2%，吲哚轉化率為90．1%，產品總回收率達70%。另外，也有報導利用具有丙酮酸高產率和高活性色氨酸酶的菌株酶促轉化L-色氨酸。
酶促轉化法既可以直接利用高活性色氨酸合成酶、色氨酸酶，或者具有高活性色氨酸合成酶或色氨酸酶的菌體催化L色氨酸的合成，也可以將酶或菌體固定化後進行L-色氨酸的合成。菌體和酶固定化後具有提高酶的穩定性便於反覆使用，便於實現生產連續化和自動化等優點。Won—Bang等利用聚丙烯醯胺固定具有高活性色氨酸合成酶的大腸桿菌Escherichia coli B10菌體細胞，在連續攪拌槽反應器中連續使用50天，色氨酸合成酶活性保持80%，最高產酸0.12g.L-1h-1。還有利用其它固定化技術進行酶促轉化L-色氨酸。Eggers等報導了一種利用有機脂膜系統利用色氨酸酶酶促轉化L-色氨酸。它是以環己烷作為有機相，有機脂膜將兩水相和有機相分開，其中一水相構成酶促反應體系，另一水相構成反萃取體系，利用bis-tris-propane作為兩水相的緩衝劑維持兩水相的pH差值，從而影響反應體系中各物質在兩水相的分配常數，再通過有機相中的陰離子交換劑Aliquat-336交換兩水相中的丙酮酸和L-色氨酸。這種體系有利於L-色氨酸轉運到反萃取水相中，而有助於色氨酸的提取和降低L-色氨酸對酶的抑制作用；而且，有機相還可以儲存吲哚，使吲哚在酶促反應體系中的濃度低於對酶的抑制水平。Eggers等還建立了一種反膠團酶促轉化L-色氨酸的反應體系，它是將色氨酸酶溶解在含有表面活性劑Brij56的環己烷和水構成的反膠團的水相中，利用吲哚和絲氨酸為底物，在有機相中添加陰離子交換劑Aliquat-336轉運水相和有機相中的L-色氨酸。以bis-tris-propane作為兩水相的緩衝劑，選擇合適的含水量和pH值等參數條件，結果在1dm反應體積內，每g色氨酸酶經過lh反應可產酸10g。該系統除了上述脂膜反應體系的優點外，還可以提高色氨酸酶的穩定性。因此，在L-色氨酸的酶促轉化中有著廣闊的套用前景。
微生物發酵法
1直接發酵法
直接發酵法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉價原料為碳源，利用優良的色氨酸生產菌株，在合適的發酵條件下，直接發酵生產色氨酸。選育高產穩產的色氨酸優良菌株是直接發酵法研究的中心問題．在育種技術方面，傳統的誘變育種國內外進行了大量的研究。Shiio等以黃色短桿菌酪氨酸缺陷型、對氟苯丙氨酸(4FP)抗性變異株為出發菌株，選育5-氟色氨酸(5-FT)抗性變異株No．187，該菌株可產L-色氨酸8．0 g/L。繼續以No．187為親株選育具有鄰氨基苯甲酸結構類似的重氯絲氨酸(AsaSer)抗性變異株A100，其產酸率提高到lO．3 g/L，再從A-100選育磺胺胍(SG)抗性變異株S-225，其產酸率進一步提高到19g/L。國內的張素珍等人以亞硝基胍處理北京棒桿菌AS1.299，得到CG45突變株。該菌株具有5MT，6FT，4MP抗性標記，且以精氨酸和尿嘧啶為必需生長因子，在含12%葡萄糖的培養基中，30℃振盪培養5天。可積累色氨酸8g/L。該方法研究比較早，但在相當長的時間內無法達到工業化生產的要求。主要原因是從葡萄糖到色氨酸的生物合成途徑比較長，其代謝流也比較弱，而且色氨酸的合成需要多種前體物質(PRPP、谷氨醯胺、L-絲氨酸等)。要想進一步提高L-色氨酸的產量還必須提高這些前體物的產量。另一方面色氨酸生物合成途徑中的調節機制比較複雜，除了存在多重反饋調節外，還存在著弱化子系統。這使得色氨酸成為胺基酸發酵工業中最難發酵的胺基酸之一．隨著DNA重組技術的在微生物育種中的套用，為優良色氨酸菌種的篩選提供了可靠的技術保證。使得產酸水平逐漸達到工業化生產的要求。Katsumata．R等將帶有DAHP合成酶(DS)和色氨酸合成酶(TS) 基因的重組質粒引入產L-色氨酸43g/L的谷氨酸棒桿菌KY10-894中，使該工程菌株的L-色氨酸產量達到了66g/L產酸水平提高了54%。
2添加前體發酵法
該法又稱為微生物轉化法，它是使用葡萄糖作為碳源，同時添加合成色氨酸所需的前體物(如鄰氨基苯甲酸、吲哚、L-絲氨酸等)，利用微生物的色氨酸合成酶系轉化前體來合成L-色氨酸。這種方法很早就投入了工業化生產，目前世界上最大的色氨酸生產廠家日本的昭和電工公司就是採用以鄰氨基苯甲酸為前體物，利用Hansenula(漢遜氏酵母)或Bacillus(芽孢桿菌)菌種將其轉化為色氨酸的生產方法，Yokozcnki等以DL-5-吲哚-甲基海因為原料，利用黃桿菌T-523分解其為色氨酸，可產L-色氨酸7．1 g/L。Fukui等由枯草桿菌選育5-氟色氨酸(5-FT)抗性突變株，在含l%葡萄糖和5%可溶性澱粉培養基中，連續流加鄰氨基苯甲酸，可積累L-色氨酸9．6g/L。Nakayarna等進一步改造該突變株，使其具有5-FT和8-氮鳥嘌呤(8-AG)雙重抗性，在含10%葡萄糖培養基中，連續流加鄰氨基苯甲酸，可積累L-色氨酸15．6g/L。
微生物轉化法的不足之處在於當轉化液中前體物濃度較高時，轉化率有所下降，但可以通過分批次少量流加前體減少其抑制作用。另外，前體物價格比較昂貴，不利於降低成本。因此，有人研究利用發酵法廉價提供一種前體物，再結合其它方法的優勢進行色氨酸的生產。Hajimu MOrikota等利用黃色短桿菌P390直接發酵L-谷氨酸-β-半醛(GSA)達13．2g/L，然後將發酵液適當稀釋後加入苯肼的1mol/LH2S04溶液中加熱回流1小時之後，48%的GSA可轉化為L-色氨酸。SMgeru oita等利用硫辛酸和硫胺素雙重缺陷性菌株Enterobacter aetogene LT-94，在含5%的葡萄糖培養中產丙酮酸30g/L，然後再通過添加吲哚和氯化銨，利用該菌的色氨酸酶酶促轉化L-色氨酸16．7%。
注意事項
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