氨基酸的分离提纯

1、氨基酸的分离提纯刘艳梅周关华 （ 东华大学环境科学与工程学院上海200051）摘要 国内外氨基酸分离与提纯的发展研究现状及其在生产实践中的应用。 关键词氨基酸分离提纯应用 氨基酸及其衍生物是组成蛋白质的基本单元， 广泛用于医药、食品、饲料、化妆品工业等领域。例 如，在食品加工和饲料工业， L- 谷氨酸一钠可作为 增鲜剂， L 一天冬氨酸、甘氨酸和 DI ， -丙氨酸等也用 作食品风味改良剂，另外， L 一天冬酰苯丙氨酸甲酯 作为低热量甜味剂 fAspartame） ，在国外已广泛应用 于饮料等食品。 L- 赖氨酸和 DL 蛋氨酸广泛应用于 改进饲料成份的营养价值。 I ，-赖氨酸还用于强化面

2、粉和强化米的生产。在医药卫生方面，除了大量应 用结晶氨基酸输液外，某些氨基酸及其类似物也被用于治疗某些疾病。例如 L-多巴L 一 3 一（3 , 4 一二轻 基苯基 ）丙氨酸】是治疗帕金森氏病的重要药物，而 仅一甲基一多巴为有用的降压药物。 L 一谷酰胺及衍 生物用于治疗胃溃疡，L_色氨酸和5 一羟基一 L 一色 氨酸是有效的抗抑郁剂。另外某些氨基酸衍生物具 有抗肿瘤的作用。一些肽类例如催产素，血管紧张 肽和促胃液激素等，它们具有医疗效果的激素效 应。氨基酸聚合物，例如聚一 一甲基一 谷氨酸已 被用作人造革的原料。总之，氨基酸及其衍生物将 会随着科学研究和工业生产的发展，而被更加广泛 地应用【

3、I】。然而，国内氨基酸的生产远不能满足其需 求。1 氨基酸的性质 氨基酸是一种具有两性官能团的物质。氨基酸 分子既含有氨基又含有羧基，在溶液中主要以一 NH， ，一 COO 一形式存在。氨基和羧基的电离取决于 溶液的pH值和氨基酸的等电点 PI :在pH低于等 电点 P1 时，羧基的电离被抑制，氨基酸带正电荷； 在 pH 值高于等电点 PI 时，氨基的电离被抑制而带 负电荷。在等电点时，氨基酸的溶解度最小，最易从 溶液中析出。按照侧链基团的不同，氨基酸可以分 为 3 类:酸性氨基酸，中性氨基酸，和碱性氨基酸。 而各种氨基酸的等电点不同，酸性氨基酸 中性氨 基酸 碱性氨基酸。利用这个性质，可以把

4、它们进 行分离提纯圆。2 氨基酸的分离与提纯 氨基酸的分离提纯可采用沉淀、离子交换、溶 剂萃取法、反向微胶团萃取、液膜萃取和电渗析等 方法。最常用的是离子交换法。近年来，新的氨基酸 分离提纯方法的研究十分活跃，报道最多的是反应萃取、反向微胶团萃取和液膜萃取等。21 特殊沉淀法 特殊沉淀法【 l4 】是最早应用于混合氨基酸分离的 方法之一。某些氨基酸可以与一些有机或无机化合 物结合，形成结晶性衍生物沉淀，利用这种性质向 混合氨基酸溶液中加人特定的沉淀剂，使目标氨基 酸与沉淀剂沉淀下来，达到与其他氨基酸分离的目 的。较为成熟的工艺有：精氨酸与苯甲醛在碱性和 低温条件下，可缩合成溶解度很小的苯亚甲基

5、精氨 酸，分离这种沉淀，用盐酸水解除去苯甲醛，即可得 精氨酸盐酸盐吲；亮氨酸与邻一二甲苯 -4 一磺酸反 应，生成亮氨酸的磺酸盐，后者与氨水反应得到亮 氨酸【 l1。特殊沉淀法虽然操作简单、选择性强，但是由 于沉淀剂回收困难，废液排放污染加剧，残留沉淀 剂的 ”毒性 ”等已逐渐被其他分离方法所取代。22 离子交换法 英国曾经成功地开发了将胱氨酸母液通过离 子交换层析柱分离出精氨酸、组氨酸和赖氨酸圈；前 苏联也有过以离子交换层析法从胱氨酸母液中提 取精氨酸、组氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸和异亮氨酸的 报道；国内的许多研究单位及胱氨酸生产单位开展了大量的关于离子交换法从蛋白水解液中 提取氨基酸工艺的研究

6、1. 7 81。尽管氨基酸的存在形态 A土所呈现的净电荷为 零，但是这类存在形态几乎不溶于普通有机溶剂 中。因此，采用通常的溶剂萃取是不能奏效的。目前 人们采用了两种形式的离子交换反应萃取。一种是 在高 pH 下萃取氨基酸阴离子 91 ，另一种是在低 pH 下萃取氨基酸阳离子。季铵盐（如甲基三辛基氯化铵 TOMAC） 和酸性磷氧类萃取剂 如二 （2 一乙基已 基）磷酸 D2EHPA 是典型的阴离子萃取剂和阳离子 萃取剂。Nato 等人 11 】研究了高 pH 时， TOMAC 对各种氨 基酸的萃取平衡。氨基酸阳离子和季铵盐阳离子之 间发生离子交换。不同氨基酸的萃取平衡常数有很 大的差异。对色氨

7、酸所获得的萃取平衡常数最大。 它是甘氨酸萃取平衡常数的 260 倍。萃取平衡常数 KA 值同 Nazaki 等人提出的氨基酸的亲油比关联较 好。Haensel-删等人用TOMAC作载体对D，L 一苯丙氨 酸的反应萃取作了平衡研究。由于缓冲离子与 OH 一 竞争萃取，平衡常数受到初始 pH 值的影响。另外， 氨基酸的浓度越低，则季铵盐浓度对分配系数的影 响就越大。在实验室规模的脉冲筛板塔中，氨基酸 反应萃取实验结果表明 121 ，季铵盐对氨基酸的反应 萃取存在一定的障碍。由于季铵盐较高的表面活 性，使脉冲筛板塔中的反应萃取操作限制在两相通 量较低以及振幅、频率较低的范围之内，故脉冲筛 板塔的效率

8、较低 131 。文献15,161 研究了用 D2EHPA 一煤油溶剂萃取异 亮氨酸的反应机理，表明 D EHPA 一煤油溶剂体系 对于芳香族氨基酸、亮氨酸、异亮氨酸及碱性氨基 酸中的精氨酸都有着较好的分离效果。文献 1 研究 了 D EHPA 一煤油溶剂萃取苯丙氨酸、色氨酸、脯氨 酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、赖氨酸、组氨酸的萃 取规律及其温度效应，发现萃取分配比与氨基酸的 结构有关，它取决于氨基酸中 A 基团的极性、所含 的碳原子数和氨基酸的空间结构。萃取反应为放热 反应，温度升高对萃取不利。苯丙氨酸、色氨酸、亮 氨酸、异亮氨酸和精氨酸在 D2EHPA 一煤油溶剂中 的分配比较高，具有一定的

9、工业应用前景，而酸性 氨基酸基本上不被萃取。文献 1 B】研究了 D2EHPA与 各种氨基酸在酸性条件下的萃取平衡，确定了萃取 反应式和萃取平衡常数，并考察了有机溶剂、溶液 的 pH 值、萃取剂的浓度对分配比以及氨基酸的性 质对萃取效果的影响，发现 D2EHPA 对碱性氨基酸 黧八、的萃取效果最好，对酸性氨基酸则最差，对中性氨基 酸而言，苯丙氨酸、亮氨酸和缬氨酸的效果最好，而 酪氨酸、丝氨酸、甘氨酸和丙氨酸的效果最差。 离子交换法分离混合氨基酸仅仅是利用各种氨 基酸之间等电点的差异，因此只有当欲被分离的混 合氨基酸之间的等电点相差较大时才能较好地分 开，对于等电点相近的混合氨基酸只能部分得以分

10、 开或根本就难以分离；氨基酸离子在树脂中的扩散 速度较慢，因此一方面要求料液的流速较低。另一方 面对于氨基酸浓度较高的料液在上离子交换柱前还 要进行稀释，这就必然导致所需的设备太大；此外， 离子交换法由于本身的生产原理决定了生产过程难 以连续化。所以离子交换法用于混合氨基酸的分离 并没有在大规模生产中推广开来。23 萃取法23 1 溶剂萃取法 由于氨基酸是离子型化合物，它们在非极性溶 剂中的溶解度很低，因此物理萃取法难以用来提取 氨基酸。早期采用正己胺和含45个碳原子的低级醇作为萃取剂从蛋白水解液中萃取分离十几种氨基 酸191 。但这种萃取剂的分配系数低，分离系数差，对萃取柱的高度要求很高，一

11、般要有3040理论级才能有满意的分离效果。近些年来先后开发了化学萃取法分离提取氨基 酸，其中有机胺类和以有机磷酸为应用最多的两大 类萃取剂lza-，尤其是在有机磷酸为萃取剂的萃取过 程研究很多，并开发大量的工艺过程。采用高级脂肪 酸，如月桂酸、硬脂酸、棕榈酸和油酸可以有效地萃 取分离碱性氨基酸。这些脂肪酸无毒、价廉。但是，碱 性氨基酸比较容易用离子交换法有效地分离。萃取 法分离碱性氨基酸恐怕难有商业应用前景 261 。利用 氨基酸不溶于水，而易溶于液氨的性质，发展了液氨 萃取技术 27 一。应用这种技术，在蒸发了氨后，可获得 氨基酸的极好结晶。可以将戊二酸、谷氨酸、天门冬 氨酸和亚胺二醋酸从其

12、相混合的氨基酸中分离。 化学萃取法分离混合氨基酸主要也是利用不同 氨基酸之间等电点差别，与离子交换法相似，只有当 混合氨基酸之间的等电点相差足够大时才能被萃取 分离开，对于等电点相近的氨基酸如中性氨基酸，它 们的等电点几乎一致，因此化学萃取法是难以分离 混合氨基酸的。主要集中于以下两类：23 2 反胶团萃取法 反胶团萃取法分离氨基酸是从 20 世纪 80 年代 末兴起的氨基酸分离技术。 用于萃取氨基酸的反胶团的种类有限， 类是以AOT 琥珀酸二 （2 一乙基己基 ）酯磺醪钠】为代表的磺 酸盐形成的反胶团；一类是有机胺盐表面活性剂形 成的反胶团。这两类反胶团萃取氨基酸的共同缺点 是只有在氨基酸水

13、溶液中的无机盐浓度较低时才 具有应用价值。因此这两类反胶团只能应用于从无 机盐浓度较低的料液如发酵液中萃取分离氨基酸， 对于像胱氨酸母液含大量无机盐的氨基酸料液，这 两类反胶团就无法应用。 针对国外报道的反胶团存在的缺点，翁连进 133-35 开发了一种新的反胶团，以二异辛基磷酸铵表面活 性剂形成的反胶团，这种反胶团具有比以上两类反 胶团更强的萃取能力，在盐酸浓度高达45molL 的胱氨酸母液中仍具有令人满意的萃取率。通过改变 混合氨基酸水溶液中无机盐的种类或浓度，使等电 点相近的氨基酸在同一种反胶团中的分配系数产生 较大的差别，实现等电点相近的混合氨基酸的分离。 根据这一观点，翁连进已成功地

14、开发了从胱氨酸母 液中提取精氨酸的工艺 ，该工艺采用 4 级萃取， 3 级洗涤，可使反胶团中精氨酸的纯度大于 98，整 个工艺精氨酸的回收率大于98，而目前工业上应 用离子交换法从胱氨酸母液中提取精氨酸的工艺 的回收率仅 10 。233 液膜萃取 液膜萃取是将第三种液体展成膜状以便隔开 两个液相，利用液膜的选择透过性，使料液中的某 些组分透过液膜进入接受液，然后将三者各自分 开，从而实现料液组分的分离 。Thien 等人【 37】最先对氨基酸在乳状液膜中的传 递进行研究。他们采用 NaDzEHPA 为载体研究了乳 状液膜体系中各种参数， n#t- 相 pH 值、表面活性剂 浓度、载体浓度、搅拌

15、速度，以及内相初始盐酸浓度 等对 L 一苯丙氨酸传递的影响，并且获得了最优化 条件。实验证明，经过一次间歇操作以后，80的 L 一苯丙氨酸可以从外相转移到内相，而且内相 L 一苯 丙氨酸的浓度是外相的 8 倍。实验表明，任何一个 过程参数的变化都会影响到溶质的分离和浓缩的 效率。乳状液膜系统的优化必须根据溶质分离和浓 缩的相对重要性来确定。支撑液膜萃取综合了膜过 程和溶剂萃取过程的优点，萃取和反萃取过程同时 进行，减少了有机相的使用量。 Deblay 等人【鲳 l 用支撑 液膜回收、浓缩和纯化由微生物发酵生产的氨基 酸。从没有过滤的发酵液中萃取缬氨酸的实验表 明，由于杂质的存在，分离性能明显下

16、降，但是缬氨酸的传递仍然是最有效的，而且对缬氨酸的选择性 大约是染料的 10 倍、葡萄糖的 i00 倍、蔗糖的 1000 倍以上。24 毛细电渗析 以集成电路为基础的毛细电渗析，通过添加少 量溶解聚合物，可明显提高肽缩氨酸和氨基酸的溶 解与分离口研。毛细电渗析已成为一种应用广泛的分 离大范围多种类无机或有机化合物的方法。它可以 与传统的色谱分离方法相媲美。因为它的高分离效 率使之在生物化学中变得越来越重要 HOl 。3 结论 利用我国来源充足、价格低廉的自然资源为原 料生产氨基酸前景是十分广阔的。我国的人发、动物 毛发、蹄角等角质蛋白原料数量大，而且又有比较完 整的购销网络，虽然目前在分离提纯

17、上还存在一些 问题，但根据我们的设计和实验说明，随着新技术的 推广应用，生产装备的不断完善，综合利用和环保意 识的逐步增强，我国氨基酸生产的产量、质量、规模 和效益都会有一个较大幅度的提高。参考文献1 周骏山实用氨基酸手册 M 无锡市氨基酸研究所， 1989， 2642 戴红，张宗才，张新申制革废弃物中氨基酸的提取和 分离氨基酸和生物资源【 J，2003，25(3) ：46483 董军芳，林金清，谭平华，曾颖分离提纯氨基酸的新方法.福建化工【J, 2002(1) : 34364 李良铸，由木金，卢盛华生化制药学 北京：中国医 药科技出版社， 19915 Shakalo VF. BP13 147086 USSR 1631887 季浩字.离子交换法从生产胱氨酸废液中分离提取三 种碱性氨基酸.氨基因杂志 U， 1994(2): 19228 潘秋霞，王春生.用 732 阳离子交换树脂提取碱性氨 基酸的工艺研究.氨基酸杂志【 J， 1994(2): 23249 Haensel R， Halwachs W ， Schugerl K . Chem Emg SciJ ， 1986. 41: 181 1181510 Teromoto M， Miyake Y， Matsuyama H， et