氨基酸的分离提纯

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

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【l】。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Pl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。

2．1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。

2．2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[1．．7·81。

尽管氨基酸的存在形态A±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㈣。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

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

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㈣。

2．3萃取法

2．3．1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4～5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