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精氨酸的功能及生产研究进展

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工艺技术 精氨酸的功能及生产研究进展 蔡瑞燕周旭波陈榕兴陈伟波张松浩陈悦群 (广东环西生物科技股份有限公司广东普宁515343) 摘要:精氨酸是人体半必需氨基酸,在绝大多数人和动物体内都能自身合成,也是一种重要的功能性氨基酸,广泛的应用 于食品、医药、化工等领域。文章介绍了精氨酸在代谢、心血管疾病、生殖系统等方面的主要生理功能和作用,综述了现有的精 氨酸生产方法、精氨酸发酵的最新研究进展以及工业化生产存在的问题,为精氨酸的应用及工业化生产提供了一定的依据。 关键词:精氨酸功能发酵进展 中图分类号:Q517 文献标识码:A 文章编号:1 672—5336(2015)06—0020—02 1前言 精氨酸(Arginine),化学名称是2一氨基一5一胍基戊酸,分子 因此,补充精氨酸可以促进一氧化氮的生成,舒张血管,降低血 压,有效的防治某些心血管疾病。临床研究表明,精氨酸具有调 式为C H. N O,。精氨酸是一种a一氨基酸,是人体和动物体内 节血压、抗高血脂、抗脂质过氧化、改善血液粘度和抗粥样动脉 的半必需碱性氨基酸。精氨酸于1 886年由瑞士化学家恩斯特・ 硬化等功能,长期服用精氨酸可通过改善血脂代谢紊乱来防治  。 舒尔茨首次从扁豆幼苗提取物中分离得到【1】。精氨酸可以从任 冠心病等心血管疾病[何含有蛋白质的食物中摄取,正常情况下,人体可以在肝脏中 自行合成精氨酸,其合成的速度能满足肌体健康的需求。但是 2.3精氨酸在生殖功能上的作用 1 896年Kossel从鱼精蛋白的水解液中发现了大量的精氨 因此命名为“精氨酸”。国外很早就 在长期的压力、疾病感染或是创伤的情况下,精氨酸的自给能 酸,约占其总氨基酸的8O%,力降低,在这些时候精氨酸被认为是至关重要的。早产儿体内 开展了有关精氨酸对生殖功能和作用机理及其在男性不育方 不能合成精氨酸,使得补充他们营养中的精氨酸变得非常重 面的研究。精氨酸是一种男性健康的保健氨基酸,精氨酸可以 要。 提高精子活力,改善精子质量,为精子运动提供动能[4, 。精氨 2精氨酸的功能 精氨酸是目前发现的一种最重要的功能性氨基酸,它除了 酸通过一氧化氮途径,能扩张动脉血管,美国辉瑞公司据此开 发了称为“伟哥”的治疗阳痿的药物。 2.4精氨酸在其他方面的作用 合成机体组织蛋白,在生命机体内还可以直接合成肌酸、多胺、 一精氨酸可以提高机体免疫力,补充精氨酸可以促进胸腺中 氧化氮等物质,精氨酸在生命体多种代谢活动中发挥着重要 的淋巴细胞增长,精氨酸通过一氧化氮途径与许多生理现象如 作用。精氨酸是成年人和动物的条件性必需氨基酸,而对于某 神经元活动、抗血小板聚集等有关,能够调节一系列免疫过程, 些幼年的人和动物,精氨酸是其正常生长所必需的氨基酸。 2.I精氨酸在代谢中的作用 对机体起着全方位的保护作用,对多种疾病均有较好的疗效[61。 精氨酸在肌肉生长代谢过程中具有重要的作用。在运动过 精氨酸是生命机体内尿素循环的一种重要中间代谢产物, 程中,精氨酸能促进肌肉内蛋白质合成,减少脂肪,具有减肥的 精氨酸对蛋白质代谢或含氮化合物最终产物的传送和排泄起 功效。 着重要的作用。在生命体蛋白质、脂肪和碳水化合物的代谢过 此外,精氨酸也广泛用于制作营养供给、特殊治疗用要素 程中,所产生的不能再利用的废弃物质在还没有成为毒性物质 膳、运动补充剂的重要原料。近年来国内外兴起开发的营养保 之前,身体主要依靠尿液把它们排泄出去。精氨酸在尿素循环 健饮料,多数均含有精氨酸,用于达到补充营养及强健身体的 中产生了鸟氨酸,鸟氨酸可以再生精氨酸,从而使尿素循环能 目的。精氨酸谷氨酸盐是忌钠患者的最佳调味品。精氨酸具有 持续进行。作为尿素循环的中间体,精氨酸具有调节整个身体 保湿、抗菌性强、毒性低等特点,在化妆品和头发护理中都具有 氮平衡的关键作用,精氨酸可以避免由于氨中毒造成的代谢紊 广泛的应用。 乱,是生命体生长过程中不可缺少的氨基酸。 L一精氨酸在人体代谢中具有重要的功能,它与生长激 素、胰岛素、胰高血糖素等激素诱导紧密相关,它是多种氨基酸 3辅氨酸的生产方法 目前,精氨酸的生产方法主要有三种:化学合成法、水解提  和聚胺转换为高能磷酸化合物一一磷酸肌酸的中间体,利用L一 取法、发酵法。化学合成法是利用化学反应进行有机合成的化学工程技 精氨酸生命机体可以合成细胞浆蛋白和核蛋白[2】。 2,2精氨酸在心血管疾病中的作用 术生产或制备氨基酸的方法,精氨酸的分子结构于191O年已经  。 精氨酸是生命体内一氧化氮的前体,1998年三位美国科学 清楚并能进行人工合成[水解提取法是以含有精氨酸的蛋白为原料,经酸水解、分 家伊格纳罗、莫拉特和费奇戈特因为发现一氧化氮在生物体内 鱼精蛋白、鱼皮、鱼骨等都含有丰富的精氨 的神奇作用而获得诺贝尔医学奖。一氧化氮是内源性细胞舒张 离制备。猪毛、猪皮、因子(EDRF),缺乏EDRF是许多心血管疾病的一个主要因素。 酸,作为水解制备精氨酸的原料是非常丰富的,但是由于该法 收稿日期:2015一O3—2O 作者简介:蔡瑞燕(1984--),女,汉族,广东潮阳人,大专学历,助理工程师,主要从事食品生物技术方面工作。 20 中外食品工业Sino—foreign Food Industry 工艺技术 操作费时、收率低,存在严重的环保问题,而很难广泛开展大规 模生产。我国目前精氨酸生产主要还是采取水解提取法生产。 发酵法是使用葡萄糖作为碳源和主要原料,通过对微生物 菌种的改造处理,借助微生物的代谢合成作用过量合成目标氨 比还有较大差距,目前国内仅有少数生产厂家采用发酵法生 产,市场上的产品仍以水解提取法为主。目前精氨酸发酵生产 亟待解决的问题有: (1)精氨酸菌种产酸水平不高,转化率较低,生产成本较 基酸一一精氨酸。发酵法克服了水解提取法所存在收率低和污 高。目前国内发酵生产水平普遍在40~50g/L,转化率仅20%左 染大的缺点,具有广阔的发展前景。随着对发酵法生产精氨酸 右,生产成本远远高于水解提取法,这也是制约我国精氨酸发 研究的不断进展,发酵法生产精氨酸已逐渐处于主导地位,目 酵工业化生产的最主要因素。因此,开展高产菌株的改良研究、 提高精氨酸发酵水平并赶超国际水平具有非常重要意义。 前国际上精氨酸生产主要使用发酵法生产。 4精氨酸发酵研究现状 发酵法生产L一精氨酸就是利用微生物具有代谢合成自身 (2)提取工艺复杂、分离纯化成本较高。目前国内精氨酸发 酵提取工艺与水解提取工艺类似,采取多次结晶的方法来提高 产品纯度,造成提取纯化成本较高,或者是产品纯度较低。因 所需氨基酸的能力,选育出具有过量积累L一精氨酸能力的特 此,选取合适的提取工艺路线、开展提取纯化工艺研究、提高提 异菌株,并利用该菌株进行代谢生产精氨酸。目前搜集到的国 取收率和产品纯度也是亟待研究解决的问题。 内外的文献报道,精氨酸生产菌多是通过菌种选育,得到合适 (3)环保问题。由于我国精氨酸发酵生产仍处于较低水平, 的出发菌株,利用紫外诱变和化学诱变的方法,进一步筛选出 发酵生产规模一般较小,提取纯化难度较大,在提取过程中产 高产的精氨酸菌株。 生的有机废弃物很难综合再利用,给环境保护造成较大压力。 4.1国外的研究进展 如何充分合理利用发酵液提取过程中的菌体蛋白、过滤原液、 国际上对发酵生产精氨酸的研究已有几十年的历史,日本 结晶母液,降低污染物排放,是精氨酸工业化生产可持续发展 对发酵法生产精氨酸的研究起步比较早,使得日本在发酵生产 的重要内容。 精氨酸技术方面也处于世界领先。1971年,Masahiko等选育出一 (4)重组菌株的遗传改造以及基因工程菌的构建研究仍处 株具有精氨酸氧肟酸盐抗性的枯草芽孢杆菌突变株,通过发酵 于起步阶段,离工业化生产还有较大差距。随着现代分子生物 生产可以累积4.5g/L的L一精氨酸[8】。1972年,Nakayama等通过 学技术的不断发展,通过将携载精氨酸生物合成关键酶基因的 对谷氨酸棒杆菌进行诱变处理,得到一株D一精氨酸抗性、精氨 重组DNA片段导入特定生产菌中,可以进一步提高精氨酸菌株 酸氧肟酸盐抗性、D一丝氨酸敏感、异亮氨酸缺陷的突变株,L一 的生产能力 目前该项研究仍处于较低水平,还需进一步开展 精氨酸发酵产酸可达到19.6g/Lt 。1973年Kubota等通过对黄色 稳定的高产酸的基因工程菌的构建及工业化生产的可行性研 短杆菌进行诱变处理,得到一株2一噻唑丙氨酸抗性、鸟嘌呤缺 究。 陷型的突变株,发酵72小时,精氨酸产酸可达34.8g/Ltlo】。1 978 年,Kisumi等以野生型粘质沙雷菌Sr41为出发菌,选育出L一精 6展望 氨酸合成酶系去阻遏型代谢突变株和N一乙酰谷氨酸合成酶解 精氨酸是功能最多的氨基酸之一,具有巨大的应用价值, 除L一精氨酸反馈抑制型代谢突变株,通过噬菌体作为转导中 吸引了不少专家学者致力于精氨酸的开发应用。我国目前精氨 介,得到重组体菌株,该菌株发酵72小时产精氨酸25g/L[1”。 酸生产主要是以水解法为主,操作环境差、收率低、成本高、质 1991年,Aruma等通过对谷氨酸棒杆菌进行诱变处理,得到一株 量低,一些高品质的精氨酸主要依靠进口,大大了精氨酸 具有精氨酸氧肟酸盐抗性、D一精氨酸抗性、6一氮尿嘧啶抗性、 在食品、医药等行业中的广泛应用,精氨酸仍然是我国氨基酸 乙基半胱氨酸抗性、D一丝氨酸敏感的精氨酸高产菌H-7096,经 工业的“瓶颈氨基酸”。统计表明,精氨酸的年需求量正以25%的 发酵培养72小时,精氨酸产酸可以达glJ66g/Lt 1。 速率递增,尤其是在医药和健康食品领域,精氨酸是近年来极 4.2国内的研究进展 为热门的功能性氨基酸,精氨酸的国内外市场前景向好。随着 我国发酵法生产L一精氨酸的研究始于20世纪8O年代,国内 发酵法生产精氨酸的不断研究以及分子生物学技术的开发应 研究大多采用传统的诱变育种的方法,并通过对发酵条件的优 用,发酵法生产精氨酸将逐步取代水解提取法,进一步完善我 化来提高精氨酸的产酸水平。1988年,龚建华等通过对钝齿棒 国氨基酸发酵的产业结构,对拓展国内外市场、丰富我国国产  状杆菌进行诱变处理,得到一株具有对磺胺胍抗性、组氨酸缺 高品质氨基酸具有重要意义。陷的精氨酸生产菌971.1,并对该菌株的发酵条件进行优化,使 参考文献 得该菌株发酵培养96小时,产酸最高可达34g/LI”I l1。2003年, [1]TAF&SHI U.Production of arginine by fermentat10n[J].The 苏令鸣等通过对黄色短杆菌进行诱变处理,得到一株精氨酸生 Journel of Nutrition。2004.1O(134):2854—2857. 产菌AN78,发酵产精氨酸可以达到61.1g/L[1 。国内还有很多 学者和专家对发酵法生产精氨酸进行了研究和菌株筛选,但普 遍水平不高。 [2]ROSE W C。JOHNSON J E.HAINES W J.The amino acid require— ments of man[J].Journal of Biological Chemistry.1 950。1 82(2): 541-556. 5精氨酸发酵生产亟待解决的问题 [3]谭小进,戴爱国,文芳,等.L精氨酸对冠心病高脂血症患者血脂、 J].中国动脉硬化杂志。1997,5(1): 近几年,随着人们对精氨酸多种功能及应用的广泛关注, 脂过氧化物及血液流变学的影响[ 发酵法生产精氨酸的生产技术也引起了广大学者和科技工作 41-44.者的极大兴趣,发酵法生产精氨酸技术研究也得到了广泛开 [4]SCHACHTER A.FRIEDMAN S。GOLDMAN J A。et a1.Treatment of 展。但是,我国精氨酸发酵的实际生产水平与世界先进水平相 下转第23页 ・…一中外食品工业Slno—foreigrl Food Industry 2 1  ~工艺技术 工 3.3在菌种改良中过程涉及一些安全风险问题 的生产工艺,通过采用先进发酵工艺技术和生产设备,保证生 在菌种改良中产生一些安全问题及生产过程中产生微生 产的产品品质稳定,并能够实现批量标准化及规模化生产。同 物的污染问题。这些问题主要与传统发酵食品生产工艺及特性 时,生产发酵食品要考虑顾客的爱好,让产品最大限度地符合 有关,为利用多菌种生产传统发酵食品中所产生的安全隐患。 顾客和市场的需要。 例如在氨基酸食品生产领域,[1 发酵是当今的主要氨基酸生产 4 4降低食品茵种的安全风险 方式,而如何构建优良的菌种以及保证发酵菌种的安全问题, 应加强对菌种的食用历史与菌种之间的关系,以及在胃肠 是氨基酸发酵所面临的核心挑战之一。 道的繁殖性、转移性等方面进行研究。同时,应加强基因工程改 4解决措施 造菌种的安全评价。在传统发酵食品生产过程中,企业需要结 根据以上分析,对于利用多菌种生产传统发酵食品中经常 合危害分析和控制点(HAccP)实施指南对发酵食品进行管理, 出现的问题,我们需要采取以下几个方面的解决对策: 以提高发酵食品的安全标准和要求,防止生产中发生二次污 4.1支持我国传统发酵食品企业发展多菌种发酵技术 染。 及科研单位应该从、资金及科研资源上对传统发 5结语 酵食品企业进行支持,帮助传统发酵食品企业改进及提升生产 总而言之,传统发酵食品作为我国非常宝贵的文化遗产, 工艺技术,提高我国多菌种发酵技术在世界传统发酵食品行业 是食品资源的组成部分。因此,我们应当不断推进传统发酵食 的研究水平。从而改变我国大多数传统发酵食品企业规模较 品工业化进程,提高其在食品市场的竞争力。本文通过利用多 小、技术落后、工业化程度较低的落后局面。 菌种发酵技术生产传统发酵食品中常见问题分析,需要对传统 4.2通过多菌种发酵技术改善传统发酵中食品功能成分及风味 发酵食品生产工艺进行改革与创新,以解决多菌种发酵生产传 物质 统食品中的难题,同时要不断继承和发展传统发酵食品,促进 传统发酵食品风味形成主要与微生物的活动、生产工艺、 食品行业的持续发展。 生产环境息息相关。微生物代谢将原料中的脂肪、糖类、蛋白质 参考文献 等分解成氨基酸,为微生物的生长提供营养,并形成风味物质 [1]薛群.应向贤,杨池。汪钊.系统生物学技术在氨基酸生产菌种改良 的前体,同时微生物代谢可以生成乳酸、乙醛、乙醇等,从而形 中的应用[J].发酵科技通讯,201 1,03:18-20. 成产品的风味。利用多菌种生产传统发酵食品过程中,需要对 [2]陈楠.戴传云.利用多菌种生产传统发酵食品研究进展[J].食品科 产品风味物质的成分及形成机理进行明确地阐明。并通过对食 品风味化学分析技术的利用,对传统发酵食品的风味进行研 学,2013,03:308—31 1.[3]舒畅。吴春生,钟慈平,索化夷。李林.发酵食品 微生物多样性研究方法进展[J].食品科学,2013.15:397-402. 究,以构建传统发酵食品的特征风味。 [4]陈其钢,温明显.开lJ用乳酸茵生产传统发酵食品研究进展[J].农产 4.3利用新技术改良发酵菌种,选择稳定的生产工艺 品加工(学刊)。2013,18:50-53. (1)合理筛选和改良发酵菌种,对传统发酵食品生产中所 [5]李保英.多菌种酱油制曲工艺及其对酱油风味影响的研究[D].浙 使用菌种的微生物生态学、蛋白质组学、代谢组学以及基因组 学等方面的生物学进行研究,为菌种的定向改良提供有利的条 江工商大学。2013. 件。通过新技术改良发酵菌种,使菌种微生物在混合生长环境 [6]冯志成.酱油多菌种发酵风味物质的形成与应用研究[D].安徽工 程大学,201 0. 实现优势互补,以达到我们所要求的高品质产品。(2)选择稳定 ・・・・・・上接第21页 [1O]KUBOTA I(.ONODA T,KAMIJO H,et a1.Microbial production of oligospermia with the amino acid arginine[J].International J0ur— L-Arginine[J].The Journal of General and Applied Microbiology, nal of Gynecology&Obstetrics,1 973.1 1(5):206—209. 1 973.1 9(5):339-352. [5]FUNAHASHI H.Induction of capacitation and the acrosome re— [11]KISUMI M。TAKAGI CHIBATA I.Construction of an L-argin— action of boar spermatozoa by L-arginine and nitric oxide syn— ine—producing mutant in Serratia marcescens.Use of the wide thesis associated With the an1On transport systeIll[J]. substrate specificity of acetylornithinase[J].Journa]0f Reproduction。2002,1 24(6):857-864. Biochemistry。1 978。84(4):881-890. 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