L精氨酸简介解读

一、精氨酸发酵的代谢控制育种策略
1、解除菌体自身的反馈抑制
精氨酸的生物合成受自身的反馈抑制和反馈阻遏，采用抗反馈调节 突变株来解除该反馈调节，使精氨酸得以积累。选育营养缺陷的回复 突变株也可以解除该反馈调节，如选育有N-乙酰谷胺酸激酶缺陷的回 复突变株。
2、增加前体物的合成
由代谢图可知，谷氨酸是精氨酸的生物合成的前体，因此，选育氟 乙酸、氟柠檬酸、重氮丝氨酸、酮基丙二酸、缬氨霉素等敏感突变株， 可以增加精氨酸前体的合成，从而有利于精氨酸产量的提高。
敏感性
1.5
KY10479 D-Argr 19.1 一
一
一
抗性
6.8
KY10480 ArgHxr 18.2
一
一
Fra Baidu bibliotek抗性
16.6
KY10508 Ile+ 18.2 一
一
一
抗性
19.9
KY10577 2-Tar 18.7 7.0 6.9 19.3
抗性
25.0
酶2为N-乙酰谷胺酸激酶、酶4为N-乙酰鸟氨酸-6-氨甲基转移酶、酶5为N-乙酰 谷氨酸-乙酰鸟氨酸乙酰基转移酶、酶6为鸟氨酸氨甲酰基转移酶“-”为营养缺陷 型、“+”为营养缺陷型的回复突变型、“s”为敏感性、“r”为抗性
精
乙酰谷氨酸合成酶
氨
酸
乙酰谷氨酸激酶
的
乙酰谷氨酸半醛脱氢酶
生
物
乙酰鸟氨酸转氨酶
合
成
乙酰鸟氨酸酶
及
鸟氨酸转氨甲酰酶
代
谢
精氨琥珀酸合成酶
控
制
精氨琥珀酸酶
的 生
二、由突变菌株发酵生产
物 三、精氨酸的发酵过程调控
合 四、精氨酸的分离提取
成
及
1、乙酰谷氨酸合成酶；2、N乙酰谷氨酸激酶；3、N-乙酰谷
代 氨酸半醛脱氢酶；4、N-乙酰鸟
谢
氨酸-δ-氨基转移酶；5、N-乙酰 谷氨酸-乙酰鸟氨酸乙酰基转移
控 酶；6、鸟氨酸氨甲酰基转移酶；
制
7、精氨琥珀酸合成酶；8、精 氨酰琥珀酸酶
味之素和协和生产的药用级氨基酸约140,000元/吨。 国内 无菌级精氨酸的价格约为300,000元/吨。
如果一个年产 500吨 ～ 1000吨 L-精氨酸生产厂，最低限 度的产品毛利润约为 500 ～ 1,000万
生产法方法：
目前，L-精氨酸的制备方法有五种：直接发酵法、添 加前体发酵法、酶法、蛋白质水解提取法和化学合成 法
谷氨酸棒杆菌精氨酸生产菌和精氨酸生物合成调节机制的解除
菌株
遗传特性
酶活性（相对值） 酶2 酶4 酶5 酶6
酶2的反馈抑 L-Arg产 制敏感性 量/(g/L)
KY10025
1.0 1.0 1.0
一
敏感性
0.0
KY10150 Ile- 一
一
一 1.0
一
0.0
DSS-8 D-Sers 19.9 4.6 4.1 11.5
3、酶法 利用微生物中特定的酶作为催化剂，使底物经过酶
催化生成所需的产品
4、蛋白质水解提取法
以毛发、血粉及废蚕丝等蛋白质为原料，通过酸、 碱或酶水解成多种氨基酸混合物，经分离纯化获得各 种氨基酸
5、化学合成法
利用有机合成和化学工程相结合的技术生产或制备 氨基酸的方法
L-
精氨酸合成过程中的酶
谷氨酸
发酵成本：2,9000元/吨 （包含主要原料：葡萄糖，玉米桨 等）；
动力成本： 1,2000元/吨 （包括水、电、汽等）；
后提取成本：2,000元/吨 ；
例：食品级L-精氨酸（最低端的产品）成本在50,000元/吨 以内。
目前国内市场上的由毛发水解法生产精氨酸销售价格约为 61,000元/吨，在2008年食品级L-精氨酸价格曾经为80,000 元/吨。
最适生长pH为中性，介于7.0~7.2之间，低于或高于这个范围都不利于种子 的生长，以初始pH7.0的种子发酵积累L-精氨酸较其它条件下都好
5、溶氧量对精氨酸发酵的影响及控制
在高供氧（HOS）条件下 L-精氨酸的产量31.1g/L，而在中供氧(MOS)和低 供氧(LOS)条件下的 L-精氨酸产量只分别达到 16.0 g/L 和 3 g/L
但是，在 42～84 h（发酵后期）HOS 下的 L-精氨酸合成速率下降迅速而 MOS 下的 L-精氨酸合成速率却明显比 HOS 下稳定
四、精氨酸的分离纯化
1、 特殊沉淀法
特殊沉淀法是采用某些有机或无机试剂与相应氨基酸形成不溶性 衍生物的一种方法。常用的沉淀剂有苯甲醛
2、电渗析法 原 子 酸 化例 蛋 很 基理，向池如白小酸：中阳中工水的的在性极，业解复分中氨运初上中合离性基动步从和物。条酸，实胱液（件离碱现氨中苯下子性分酸加甲，净氨离母入基酸电基；液沉精性荷酸然中淀氨氨为向后提剂酸基零阴再取，）酸，极将使而L是在运碱-精沉精阴静动性氨淀氨离电，氨酸，酸子电中基与实时，场性酸沉 现，碱 作氨 通淀精向性用基过剂氨含氨下酸活生酸有基，仍性成与精酸酸停炭溶其氨是性留处解他酸阳氨在理度氨的离基淡， 精氨酸被吸附，而赖氨酸不被吸附，达到分离与纯化的目的
L-精氨酸的生产工艺
一、L-精氨酸的生理功能及其应用 二、L-精氨酸的生产成本、价格及利润 三、L-精氨酸的生产方法 四、L-精氨酸发酵法的研究进展 五、L-精氨酸的生物合成及调控机制 六、L-精氨酸的提取、纯化
在食品领域：
1、L-精氨酸是合成蛋白质和肌酸的重要原料,是人和动物体 内的半必需氨基酸。 2、L-精氨酸-L-谷氨酸盐可以作为忌钠患者的调味品； 3、L-精氨酸可以添加到运动饮料中 来提高运动员的耐力、 爆发力及快速反应能力 例：可口可乐公司推出的“阿格里乐” 运动饮料便是含0.02%精氨酸的饮品； 日本明治乳业生产的运动饮料也是含 0.02%精氨酸的饮料 4、以 L-精氨酸为原料制备的阳 离子表面活性剂具有抗菌性强， 毒性低等特点，是食品化妆品等的优良防腐剂
2、生物素对精氨酸发酵的影响及控制
如果生物素过量，就大量繁殖而不产或少产酸；若生物素不足，菌体生 长不好，精氨酸产量也低。当生物素的添加量为 80μg/L时，可获得较高的 精氨酸积累量。
3、温度对精氨酸发酵的影响及控制
菌体生长最适温度和发酵的温度均为(30±1)℃
4、pH值对精氨酸发酵的影响及控制
医药领域：
1、L-精氨酸是体内合成NO的前提物质，是血管舒张因子具有 抗粥样动脉硬化、调节血压的功能；
2、L-精氨酸是临床上复方氨基酸输
液的主要成分之一，广泛用于病毒性
肝炎的治疗，效果显著；
3、L-精氨酸还可以提高人体生长荷 尔蒙(HGH)延缓衰老 4、L-精氨酸对几个内分泌腺具有强 有力地促进激素分泌作用 5、L-精氨酸对肿瘤诱导及发生过程 的抑制作用（L-精氨酸可能是通过促进机体对肿瘤识别和抗肿 瘤的反应来发挥作用）
1、直接发酵法
借助微生物自身的合成能力，对菌株诱变处理，选 育出各种营养缺陷型及抗氨基酸结构类似物的变异株， 以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遏，达到过量合成 某种氨基酸的目的
2、添加前体发酵法
除了使用葡萄糖做碳源、能源来发酵外，在添加 特异的的前提物质（如：精氨酰琥珀酸）
发酵法生产 L-精氨酸的研究进展
三、发酵过程控制
1、培养基对精氨酸发酵的影响及控制
1）碳源
以葡萄糖、蔗糖为碳源时,精氨酸的产量较高，浓度为105g/L 的时候产酸量最高。
2）氮源
无机氮优于有机氮，无机氮中硫酸铵为最好。
随着硫酸铵浓度的增加精氨酸产量显著增加,但当硫酸铵浓度 超过5%时产酸又显著下降。
从碳源和氮源上来看，我们在发酵过程中为提高精氨酸的产 量应该选择过程中流加的方式。
3、离子交换法
基本原理是利用氨基酸的两性电解质的性质，当溶液 pH 值低于 氨基酸等电点时，氨基酸以阳离子形式存在，能被阳离子交换树 脂吸附；当溶液 pH 值高于氨基酸等电点时，氨基酸以阴离子形 式存在，能被阴离子交换树脂吸附。
谢谢！
主要参考文献：
L_精氨酸产生菌的选育及其代谢调控的初步研究（殷树昌） 精氨酸产生菌的代谢机制及选育进展（伊廷存、袁建国） 钝齿棒杆菌产精氨酸关键酶分析（陈雪岚，许正宏，陶文沂） L - 精氨酸发酵研究进展（王霞 , 陶文沂 ,孙志浩 ,许正宏） L_精氨酸发酵条件研究（刘建成） L-精氨酸产生菌的选育及其发酵条件（王霞,许正宏,敖宗华,孙志浩,陶文沂） L一精氨酸的制备（马勇、庄建新、章元炳） L_精氨酸的制备及提取研究（郝刚） 离子交换法从发酵液中提取L-精氨酸（张义萍、张伟国、郝刚） L-精氨酸菌种选育及优化方法（王学辉）
3、2006 年，许正宏、窦文芳和陶文沂等钝齿棒状杆菌YD8 为出发菌株，通过选育脯氨酸结构类似物抗性突变株，采用亚 硝基胍诱变处理和选育，获得一株能够积累 L-精氨酸的菌株 YDM403，产酸水平可达 29.4g/L 4、目前我国 L-精氨酸产量在 30 g/L~40 g/L
L-
精
氨
酸 一、代谢控制育种策略
一、国外
1、1971 年，Masahiko Kisumi 选育的枯草芽孢杆菌的精氨 酸氧肟酸抗性(ArgHxR)突变株能积累 4.5g/L 的 L-精氨酸 2、1972 年，Nakayama以野生型谷氨酸棒杆菌 KY10025 为 出发菌，经 NTG 多次逐级诱变，选育了异亮氨酸缺陷、D-丝 氨酸敏感、D-精氨酸和 L-精氨酸氧肟酸盐双重抗性变异株， 可积累 L-精氨酸 19.6g/L 3、1988 年，Hirao 和 Nakano 等对 L-精氨酸产生菌嗜乙酸 棒状杆菌 MC-13 中分离出一株 L-精氨酸高产菌 SC-190。此 菌可稳定培养 250 小时，产酸为 60g/L 4、1991 年，Anima 等对谷氨酸棒杆菌进行 NTG 处理具有 D-丝氨酸敏感、D-精氨酸、精氨酸氧肟酸、6-氮尿嘧啶和乙基 半胱氨酸多重抗性的菌株，产酸66g/L，每升发酵液经离子交 换柱可获得 52.8g 精氨酸粗结晶 5、目前······（没查到）
3、切断进一步代谢的途径
要大量积累精氨酸，需切断或减弱精氨酸进一步向下代谢的途径，使 使精氨酸不再被消耗，如选育不能以精氨酸为唯一碳源生长（即丧失 精氨酸分解能力）的突变株。
二、由突变菌株发酵生产精氨酸
用谷氨酸棒杆菌的突变株KY10577（Ile+ 、D-Sers、DArgr、ArgHxr、2-TAr ），由15%糖蜜（以葡萄糖计）积 累精氨酸25g/L。
二、国内
1、1988 年，中科院微生物研究所的龚建华等以谷氨酸产生 菌钝齿棒状杆菌AS1.542 为出发菌株，经 NTG 多次逐级诱变， 获得了一株能够积累 L-精氨酸的菌株 971.1发酵培养 96h，产 酸最高达 34g/L 2、2005 年，钱和等以谷氨酸棒杆菌ATCC13861 为诱变出发 菌株，经紫外线和亚硝基胍逐级诱变处理和选育，获得一株能 够积累 L-精氨酸的菌株 UN100-12在以葡萄糖为碳源、以硫 酸铵为氮源的培养基中直接发酵 4d，产酸可达 16.6g/L，并 具有较好的遗传稳定性