谷氨酰胺研究进展

谷氨酰胺研究进展
L-谷氨酰胺( Gln)是由L-谷氨酸和氨化合而成的, 与谷氨酸一样也是20种氨基酸中的一种。

1883年Schulze从甜菜汁中发现了Gln。

后来又先后从发芽种子及蛋白质中检出。

1935 年, Hans Kerbs首次发现哺乳动物肾脏合成和分解L-Gln的能力, 人们开始逐渐了解它的作用。

并在随后的研究中, Kerbs强调多数氨基酸都有多种功能, 但L-Gln的功能是最丰富的。

1955年, Harry Eagle综述了哺乳动物细胞的G ln营养需要, 并强调了它是一种很重要的营养素。

近年来, 随着人们对L-Gln的生理、生化、临床等方面研究的深入和发展,Gln对生命的重要性正日渐突出, 被认为是目前所知道的最重要的氨基酸之一, 并被称之为条件性必需氨基酸, 也是一种极有发展前途的新药。

L-谷氨酰胺的理化性质
L-谷氨酰胺(L-glutamine，L-Gln)是L-谷氨酸的γ-羧基酰胺化的一种条件性必需氨基酸（图1），相对分子质量146.15，熔点185℃(分解)，晶体呈白色斜方或粉末状，结晶状态下稳定，无臭，稍有甜味，溶于水(水溶液呈酸性) ，等电点5.65，几乎不溶于乙醇和乙醚。

L-Gln 属中性氨基酸，在偏酸、偏碱及较高温度下易分解成谷氨酸或环化为吡咯烷酮二羧酸。

图1 L-谷氨酰胺分子结构
L-谷氨酰胺的生理特性
L-谷氨酰胺是构成人体蛋白质所必需的20种氨基酸之一, 是机体含量最丰富的氨基酸, 占全部游离氨基酸60%以上，主要储存在脑、骨骼肌和血液中, 具有很广泛的生理作用: (1)维持机体免疫功能。

现有资料表明谷氨酰胺不仅是淋巴细胞和巨噬细胞的重要能量物质, 甚至可能是各种免疫细胞的主要能源物质。

小肠作为人体重要的最大免疫器官, 是利用L-谷氨酰胺的主要器官, 它的吸收细胞以很高的速率利用谷氨酰胺, 说明谷氨酰胺在机体免疫中发挥着十分重要的作用。

(2)调节蛋白质的合成和分解。

谷氨酰胺是蛋白质合成的重要调节剂, 在运动中可以调节蛋白质合成和降低肌肉蛋白质的分解, 从而维持机体的生理功能。

(3)谷氨酰胺是机体内氮和碳的重要运载工具。

(4)维持体内酸碱平衡。

谷氨酰胺可以作为肾脏生成的氨的载体, 直接参与氨的代谢, 从而起到维持酸碱平衡的重要作用。

(5)调节糖代谢。

谷氨酰胺可以通过糖异生作用生成葡萄糖, 维持血糖浓度平衡。

(6)细胞燃料。

谷氨酰胺为快速生长和分化的细胞(如血管内皮细胞、淋巴细胞、肠粘膜上皮细胞等)提供能量来源。

每1 mol·L-1的谷氨酰胺直接经三羧酸循环可以产生30 mol·L-1的ATP。

故谷氨酰胺产能对谷氨酰胺依赖
性细胞(特别是小肠粘膜细胞, 对谷氨酰胺具有很高的摄取率和利用率)具有更加重要的意义。

此外, 谷氨酰胺还有作为氨流动的重要载体, 大分子的合成前体, 胃肠管腔细胞的基本营养来源, 在血液中暂时解除氨毒的作用等。

L-谷氨酰胺用途
L-谷氨酰胺在食品上的用途：L-谷氨酰胺是一种特殊的氨基酸,为快速繁殖细胞优先选择的呼吸燃料,大量的证据表明谷氨酰胺是一种条件性必需氨基酸,在应激情况下,机体对谷
氨酰胺的需要超过其合成能力。

因此,可以通过肠外营养或饲料中添加谷氨酰胺以营养调控的方式加速动物体的康复。

L- 谷氨酰胺在药物方面的用途：谷氨酰胺作为一种极有发展前途的新药, 正成为营养学、生理学、免疫学等学科领域的研究热点。

L-谷氨酰胺的缺乏会引发多种疾病, 及时补充对机体各种机能有着广泛而重要的影响。

1979年日本首先将其作为抗溃疡药物投放市场, 如日本寿制药株式会社生产的“麦滋林”, 为L- 谷氨酰胺/萸磺酸钠颗粒剂, 能治疗胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡,疗效和经济效益十分显著, 该胃药制剂现已进入我国市场。

近年来国外临床研究证明谷氨酰胺可以治疗腹部溃疡、节段性回肠炎、过敏性肠炎和溃疡, 医学研究表明, L-谷氨酰胺还可用于治疗运动员的运动综合症、恢复高强度劳动或运动后的疲劳, 并有重建免疫系统、辅助治疗肝病等功能, 它还有减少癌症治疗中放疗和化疗的副作用。

此外还有用作改善脑功能、增进脑神经机能和用于治疗酒精中毒等, 在发达国家, 谷氨酰胺被认为是运动员提高成绩之营养配方中的基本的成分。

目前, L-谷氨酰胺已大量用于治疗运动员的运动综合症或运动后的恢复。

因此谷氨酰胺的开发对我国的氨基酸事业及医疗保健事业将是一个很大的贡献, 其社会效益明显。

L-谷氨酰胺在饲料中的运用：含谷氨酰胺的饲料可以增加肠道对谷氨酰胺的摄取, 激活谷氨酰胺转运载体, 刺激肠粘膜细胞谷氨酰胺酶的活力。

饲料中补充谷氨酰胺可以明显改善由于断奶应激所造成的损害, 防止肠绒毛的萎缩, 维持肠道正常的形态和结构, 改善幼仔的生产性能。

经研究确认, 在饲料中添加1. 0% 的谷氨酰胺, 在幼仔断奶后第一周可防止空肠绒毛萎缩, 第二周可提高饲料利用率。

L- 谷氨酰胺在运动保健品中的应用：在体育界, 血浆L - 谷氨酰胺水平作为评价过度训练的一个指标备受关注。

测定血液中的L-谷氨酰胺可作为过度训练的检测、评价指标。

健美爱好者及竞技运动员在进行高强度的力量训练时, 体内L- 谷氨酰胺的水平可下降50% , 此时及时补充L- 谷氨酰胺能有效地防止肌肉蛋白的分解。

口服L- 谷氨酰胺能使生长激素的水平提高4倍, 并使胰岛素分泌增加, 促进肌肉的生长和身体的增高、增强。

L- 谷氨酰胺
正成为运动员、健美人士不可缺少的重要营养补充剂。

国内康比特的国L- 谷氨酰胺胶囊和颗粒以及力邦的力康舒都以谷氨酰胺为原料, 有着较好的市场; 欧普特蒙、宝莱、肌崩科技、韦德营养等欧美谷氨酰胺产品在全球都取得了非同寻常的业绩。

L- 谷氨酰胺的生产方法
谷氨酰胺的生产方法主要有化学合成法、发酵法和酶法。

化学合成法：
图2 化学法合成L-Gln 流程图
主要有如图2 所示两种化学合成法生产L-Gln：由化学合成法流程图可见，两种方法均采用浓硫酸作为必需的催化剂，反应条件苛刻、反应步骤多、收率低。

第二种方法虽有所改进，但仍很复杂，且要求使用催化剂Raney 镍，对工艺条件提出了新的要求。

化学合成法使用的化学试剂在产品中会有不同程度的残留，L-Gln 作为一种药或功能食品，对纯度有较高的要求，而且大量化学试剂的使用会造成环境污染，从而限制了产品质量及使用范围。

酶法合成Gln
酶法生产的主要反应为:
用NH3 及谷氨酸作为原料经合成酶催化生成Gln时, 腺三磷( ATP)是必需的, 然而因为ATP价格昂贵, 难以在工业上应用; 同时, 酶反应底物NH4+、副产物二磷酸腺苷( ADP)都明显抑制G ln的生成,反应终了时仅有少量的生成。

因此此法不具工业意义。

发酵法
谷氨酰胺的生产菌株：1961年, 木下一干等首先发现谷氨酸发酵液中除谷氨酸外还有谷氨酰胺存在。

1963年, 木下祝郎在谷氨酸微球菌(M icrococcus glutamine) 发酵液中也发现有谷氨酰胺存在。

目前, 生产谷氨酰胺的菌种主要包括谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum )、北京棒杆菌(C.pekinense)、乳糖发酵短杆菌(Brevibacterium lactofermentum )、黄色短杆菌( B. flavun )、里建思黄杆菌(Flavobacterium rigebnse)和钝齿棒杆菌(C. crenatum )等。

这些菌种又可分为2种: 一种原为谷氨酸生产菌种, 通过改变条件, 由生产谷氨酸转向
生产谷氨酰胺; 另一种为谷氨酸产生菌的变异株。

其中, 谷氨酸产生菌变异株生产谷氨酰胺的方法较普遍, 且诱变剂较易得到, 目前常用此方法获得高产菌株。

目前, Gln生产菌种主要采用传统的随机诱变结合定向筛选的方法选育, 随机诱变包括化学诱变、物理诱变和物理化学复合诱变等, 常用的诱变剂和诱变因素有硫酸二乙酯、亚硝基胍、γ-射线、紫外线等; 定向筛选包括对氨基苯甲酸结构类似物磺胺胍的抗性突变筛选、Gln结构类似物抗性突变筛选、高NH4+浓度抗性突变筛选等。

通过改变发酵条件使谷氨酸发酵向谷氨酰胺发酵转化的机理是: 发酵条件的变更创造
了有利于合成谷氨酰胺的环境, 谷氨酸产生菌中的谷氨酰胺合成酶活力增加, 而谷氨酰胺合成酶活力受到抑制, 谷氨酰胺大量积累生成, 而谷氨酸的生成量减少; 另一方面, 由于细胞环境的影响, 谷氨酰胺易从细胞中分泌出来积累在发酵液中, 而谷氨酸渗透性减小(滞留在
细胞内), 从而使发酵转化得以实现。

其转化机理如图3所示。

图3 L-谷氨酸发酵向L-谷氨酰胺发酵转换的机制
谷氨酰胺发酵的工艺控制：
图4 谷氨酰胺合成的发酵控制
如图4所示,葡萄糖合成谷氨酸和谷氨酰胺分解为谷氨酸的反应均是在偏碱性条件下进行的, 由谷氨酸合成谷氨酰胺的反应亦是在偏碱性条件下进行的。

而谷氨酸生产菌生长的适宜pH值一般在6. 2-8. 0。

所以发酵前期应控制pH 值在偏碱性环境,以促进菌体生长, 并激活谷氨酸合成酶的活性, 保证谷氨酰胺合成前体谷氨酸的合成; 而发酵后期应控制pH 值在偏酸性环境, 以增加谷氨酰胺合成酶的活性, 同时抑制谷氨酰胺酶的活性, 使谷氨酰胺大量积累生成, 而减少谷氨酸的生成量。

除上述因素外, 影响谷氨酰胺高产的因素还有以下几个方面:( 1)NH4+和Cl-浓度。

( 2)金属离子Mg2+ 、Zn2+ 、Fe2+。

( 3)玉米浆、尿素。

( 4)氧的供应。

市场分析
微生物发酵法是L-Gln 的主要生产方法，生产国主要是日本，韩国也有少量生产。

日本的发酵水平为60g/L, 韩国为50g/L。

1977 年日本用发酵法生产L-Gln 的年产量达100t，1979 年上升到500t，1990年则上升到1200t，并有逐年递增的趋势。

全世界L-Gln生产量逐年递增，在1986 年为900t，1990 年为1800t，目前年产量约为10000t。

我国目前只有极少数厂家以发酵法生产, 药品级L-Gln 主要依赖进口。

对于我们这样一个13 亿人口的大国，L-Gln 等药用氨基酸需求量很大，有巨大的潜在市场，目前我国药用L-Gln 依靠进口且价格昂贵。

预计国内L-Gln 需求可达5000吨/年，现在国际市场上L-Gln 价格大约100 万元左右/吨，L-Gln 的生产成本大约为谷氨酸的3～4 倍，产值达到50 亿人民币，利税可达到1 亿元人民币。

因此，发酵法大规模生产L-Gln 将满足国内的市场需求，推动我国氨基酸发酵工业的发展，同时，产品还可出口创汇进入国际市场。