5241-64-5/色氨酸的作用及應(yīng)用是什么

【背景及概述】^[1][2]

色氨酸的化學(xué)名稱為α-氨基-β-吲哚丙酸，有3 種同分異構(gòu)體：L 型、D 型和消旋體DL 型。1825 年，色氨酸首次被發(fā)現(xiàn)，1902 年，由Hokinst 首次從酪蛋白中分離獲得。其分子式為C₁₁H₁₂N₂O₂，分子量為204.23，白色晶體或者微黃色片狀晶體或粉末，無(wú)味右旋體或有特殊甜味，溶于水或者熱乙醇，不溶于氯仿、乙醚，在稀酸或稀堿中穩(wěn)定。與水一起加熱，會(huì)產(chǎn)生少量吲哚，在有NaOH、CuSO₄存在的條件下加熱，則會(huì)分解產(chǎn)生大量吲哚。若迅速加熱至210 ℃時(shí)顏色會(huì)變黃，290 ℃時(shí)發(fā)生分解反應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)間光照則會(huì)發(fā)生著色反應(yīng)。L-色氨酸是人體和動(dòng)物所必需的8 種必需氨基酸之一，不能通過(guò)自身合成。所以，人和動(dòng)物只能通過(guò)食物來(lái)攝取L-色氨酸。D-色氨酸主要存在于植物和微生物之中，動(dòng)物中含量極少，而且在人體內(nèi)幾乎不發(fā)生代謝作用，也無(wú)毒性。L-色氨酸又被稱為第二必需氨基酸，目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、飼料添加劑以及農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)等行業(yè)。目前，L-色氨酸的重要性越來(lái)越受到人們的重視。而且現(xiàn)在L-色氨酸的應(yīng)用不僅局限在傳統(tǒng)的醫(yī)藥、食品、飼料添加劑行業(yè)，在一些新領(lǐng)域也逐漸有了更多應(yīng)用，例如氨基酸美白劑逐漸應(yīng)用到化妝品行業(yè)；作為健康飲品的許多氨基酸飲料不僅在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家流行，現(xiàn)在也逐漸開始進(jìn)入我國(guó)的飲料市場(chǎng)，并為大眾所接受。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信人們對(duì)色氨酸的用途會(huì)有更多的探究和發(fā)現(xiàn)。而且隨著基因工程、代謝工程以及定向進(jìn)化技術(shù)的發(fā)展，人們可以更好地了解色氨酸的生物合成途徑及調(diào)控機(jī)制，進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)良的產(chǎn)酸菌株的構(gòu)建，結(jié)合發(fā)酵工藝的不斷完善，L-色氨酸的市場(chǎng)前景十分廣闊。

【生理功能】^[3]

1.免疫功能

色氨酸與畜禽機(jī)體的免疫功能密切相關(guān)。例如，在豬發(fā)生慢性肺炎時(shí)，其血漿色氨酸水平逐漸降低；在飼糧中添加0.04% 的L-色氨酸可顯著提高蛋雛鴨的脾臟指數(shù)，添加0.06% 的L-色氨酸可顯著提高其胸腺指數(shù)；在雞飼糧中添加L-色氨酸可顯著提高干擾素和免疫球蛋白G( IgG) 的水平，顯著增強(qiáng)機(jī)體對(duì)傳染性法氏囊病的免疫保護(hù)；在飼糧中添加0.05% 的L-色氨酸，可顯著增加蛋鴨的胸腺、法氏囊和脾臟等免疫器官的重量；在飼糧中添加L-色氨酸，可顯著提高揚(yáng)州鵝的脾臟指數(shù)，并通過(guò)刺激IgG 和免疫球蛋白M( IgM) 分泌提高其體液免疫能力。由上可以推斷，當(dāng)發(fā)生炎癥反應(yīng)時(shí)機(jī)體對(duì)色氨酸的需要量增加，色氨酸的分解代謝增強(qiáng)；在飼糧中添加一定劑量的色氨酸有助于畜禽免疫器官的發(fā)育，提高機(jī)體免疫力。色氨酸代謝產(chǎn)生的5-HT、N-乙酰血清素和褪黑色素，可通過(guò)清除自由基來(lái)阻止核轉(zhuǎn)錄因子kappa B ( NF-κB ) 的入核從而抑制腫瘤壞死因子- α( TNF-α) 產(chǎn)生，進(jìn)而增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能。另外，N-乙酰血清素可通過(guò)調(diào)節(jié)一氧化氮合酶而影響誘導(dǎo)型NO 合成，從而調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能。色氨酸分解代謝可促進(jìn)骨髓T 淋巴細(xì)胞前體分化為成熟的T 淋巴細(xì)胞，T 淋巴細(xì)胞的分化和代謝產(chǎn)物對(duì)B 淋巴細(xì)胞的成熟又具有重要作用，進(jìn)而影響B(tài) 淋巴細(xì)胞分泌IgG 的能力。

2.抗氧化功能

近年來(lái)的一些報(bào)道表明，色氨酸與機(jī)體的抗氧化功能存在一定聯(lián)系。在飼糧中添加0.18% 的色氨酸可提高黃羽肉種雞血清中超氧化物歧化酶( SOD) 活性和谷胱甘肽( GSH) 含量，顯著提高血清中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶( GSH-Px )活性。色氨酸的抗氧化功能與褪黑激素有關(guān)。褪黑激素是一種廣泛分布的多功能激素，其抗氧化功能已被很多研究證實(shí)。褪黑素本身是富含電子的芳香族吲哚環(huán)，可以與親電子自由基反應(yīng)，清除多種自由基，起到抗氧化作用。另外，褪黑激素被氧化后形成的環(huán)型3-羥基硫酸褪黑素、6-羥基硫酸褪黑素及N-乙酰基-N-甲酰基- 5-甲氧基脲胺等各級(jí)代謝產(chǎn)物也具有抗氧化能力。這些代謝產(chǎn)物主要是通過(guò)提供自由電子清除活性氧，或者增強(qiáng)SOD 和GSH-Px 活性來(lái)抑制機(jī)體的過(guò)氧化反應(yīng)。

【應(yīng)用】^[1]

1. 色氨酸在醫(yī)藥研究方面的應(yīng)用

色氨酸在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用一直是醫(yī)藥界的研究熱點(diǎn)。色氨酸及其代謝產(chǎn)物能夠廣泛參與到生物體內(nèi)的新陳代謝過(guò)程，在色氨酸的分解代謝過(guò)程中可以產(chǎn)生多種生理活性物質(zhì)，如5-羥色胺( 5-HT) 、色素、煙酸、吲哚乙酸、生物堿、輔酶、褪黑素和植物激素等。這些代謝產(chǎn)物能夠廣泛參與到人體的各項(xiàng)生理活動(dòng)，同時(shí)會(huì)參與眾多的生理調(diào)節(jié)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸不只用來(lái)制作氨基酸注射液，對(duì)于抑郁癥、高血壓及疼痛都有良好的效果，在歐美一些國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床治療。臨床研究發(fā)現(xiàn)，色氨酸與鐵劑、維生素合用可增強(qiáng)它們治療運(yùn)動(dòng)性貧血的療效，與組氨酸一起使用還可以治療消化道潰瘍。

2. 色氨酸在飼料添加劑行業(yè)的應(yīng)用

色氨酸是飼料市場(chǎng)上的除酪氨酸和蛋氨酸之外的三大氨基酸飼料添加劑之一。如果禽類體內(nèi)L-色氨酸供應(yīng)不足時(shí)，動(dòng)物體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一系列不適應(yīng)癥狀，如脂肪積累速度減緩、機(jī)體生長(zhǎng)緩慢，公畜有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)睪丸發(fā)育不良等現(xiàn)象。而且，在飼料中添加微量的L-色氨酸就可以達(dá)到促進(jìn)動(dòng)物體體重增加的目的，具有良好的效果。色氨酸可以參與體內(nèi)脂肪代謝、降低動(dòng)物肝臟脂肪含量，從而達(dá)到提高禽畜肉類的瘦肉比例的目的，還可以降低禽畜發(fā)生攻擊性行為的可能性。作為L(zhǎng)-色氨酸中間代謝產(chǎn)物之一的尼克酰胺，將其制成飼料添加劑，能夠顯著提高家禽的生長(zhǎng)速度，同時(shí)可以預(yù)防動(dòng)物體發(fā)生尼克酸胺缺乏癥。另外一種代謝中間物5-羥色胺可以促進(jìn)動(dòng)物體產(chǎn)生γ-球蛋白、增強(qiáng)禽畜的抗病能力等。雖然色氨酸作為飼料添加劑的效果良好，但是在大規(guī)模應(yīng)用方面還是有其不足之處。主要是因?yàn)槟壳吧彼嵘a(chǎn)工藝水平不高，不能大規(guī)模地生產(chǎn)L-色氨酸，所以存在成本限制，所以現(xiàn)在只是應(yīng)用到仔豬飼料添加劑中。

3. 色氨酸在食品行業(yè)的應(yīng)用

人體也不能自身合成L-色氨酸，為了滿足自身需要，需要從外界獲取L-色氨酸，而來(lái)源主要就是食物。色氨酸在人及動(dòng)物的體內(nèi)代謝過(guò)程發(fā)揮著重要的作用，所以色氨酸又稱為第二必需氨基酸。色氨酸在食物添加劑的應(yīng)用方面現(xiàn)在越來(lái)越受到人們的重視。在國(guó)內(nèi)外很多地方，已經(jīng)將色氨酸制作為食品添加劑，人體攝入之后會(huì)對(duì)人體生理活動(dòng)有許多積極作用，比如可以提高機(jī)體對(duì)植物蛋的利用效率，加速蛋白分解利用。另外，色氨酸容易與金屬離子發(fā)生作用，作為一種螯合劑來(lái)使用時(shí)，經(jīng)常用作防腐劑，添加到奶粉中防止變質(zhì)或用作魚類保鮮劑。

4. 色氨酸在農(nóng)業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

色氨酸在農(nóng)業(yè)害蟲防治方面也有一定應(yīng)用，例如L-色氨酸可以使南方毛蟲拒食死亡。色氨酸還可以加入到水楊酸和環(huán)磷酸中作為穩(wěn)定劑，能夠增強(qiáng)其殺蟲效果。色氨酸具有吲哚環(huán)，具有良好的熒光吸收性，是熒光性最強(qiáng)的氨基酸，因此可用于檢測(cè)生物生態(tài)系統(tǒng)及自然環(huán)境中有毒金屬離子。色氨酸對(duì)環(huán)境有高度敏感性，某些物質(zhì)極微小的極性變化也可以使吸收光譜發(fā)生變化，因此，將色氨酸作為極性探針，可以檢測(cè)環(huán)境中某些成分的極性變化。

【制備】^[1]

傳統(tǒng)生產(chǎn)色氨酸的方法主要是化學(xué)合成法和蛋白質(zhì)水解法，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的方法是很多公司采用的微生物法生產(chǎn)L-色氨酸。微生物法主要包括酶法、直接發(fā)酵法和微生物轉(zhuǎn)化法。

1. 酶法：酶法主要是指利用微生物中的色氨酸生物合成酶系的催化功能來(lái)生產(chǎn)L-色氨酸。酶法生產(chǎn)色氨酸的方法主要用到的酶包括色氨酸合成酶、絲氨酸消旋酶等。根據(jù)提供所需酶的微生物種類數(shù)，酶法主要分為單菌酶法和雙菌酶法。現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)L-色氨酸的工程菌包括大腸桿菌、透明無(wú)色桿菌、谷氨酸棒狀桿菌、惡臭假單胞菌等。該方法是在發(fā)酵過(guò)程中直接加入細(xì)胞壁溶解酶，破壞其細(xì)胞壁，然后直接使用菌體裂解出來(lái)的酶，同樣也可以將所需的酶固定提純化后再使用。而且酶法生產(chǎn)色氨酸過(guò)程中需要的前體物不是必須是自然原始材料，即使是化工合成的前體物也可以作為生產(chǎn)原料，這就大大降低了生產(chǎn)成本；與此同時(shí)，酶法合成還具有產(chǎn)物純度高、副產(chǎn)物少、收率高、易操作等優(yōu)點(diǎn)。目前日本三井化學(xué)公司是世界色氨酸生產(chǎn)市場(chǎng)最大的公司之一。三井公司利用酶法來(lái)生產(chǎn)色氨酸所需要的原料主要是吲哚和絲氨酸，但因?yàn)長(zhǎng)-色氨酸合成酶和絲氨酸消旋酶活性較低，所以此法生產(chǎn)L-色氨酸的效率不高。以丙酮酸、吲哚和氨作為原料的酶法途徑生產(chǎn)L-色氨酸，由于丙氨酸的價(jià)格低廉，而且底物之一的吲哚對(duì)酶活性影響較小，所以此法有具有一定的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2. 直接發(fā)酵法：直接發(fā)酵法的碳源供體是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉價(jià)原料為主，采用高效的色氨酸生產(chǎn)菌株，控制發(fā)酵條件，直接積累L-色氨酸，因此直接發(fā)酵法也是微生物法的一種。但是因?yàn)樵谖⑸矬w內(nèi)，葡萄糖逐步代謝直至合成L-色氨酸的調(diào)控機(jī)制也比較復(fù)雜，一直以來(lái)都難以直接從自然界中獲得高產(chǎn)的色氨酸生產(chǎn)菌株。所以，選育優(yōu)良的菌種是直接發(fā)酵法能否成功的關(guān)鍵。另外，在微生物體內(nèi)，色氨酸的生物合成途徑代謝流很弱，合成過(guò)程需要持續(xù)添加多種前體物L(fēng)-絲氨酸、谷氨酰胺等，若要獲得可觀的L-色氨酸產(chǎn)量只有將前體物維持在較高的比例才能達(dá)到目的。在色氨酸的生物合成過(guò)程中存在多種調(diào)節(jié)機(jī)制，不僅有反饋?zhàn)瓒艉头答佉种频却终{(diào)節(jié)系統(tǒng)，還有一種細(xì)調(diào)系統(tǒng)———弱化子系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著DNA 重組技術(shù)在微生物育種方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為構(gòu)建高效的基因工程菌和產(chǎn)酸水平的提高提供了良好的技術(shù)支持，使直接發(fā)酵法逐漸成為了一種低成本的工業(yè)化生產(chǎn)方法。利用直接發(fā)酵法來(lái)生產(chǎn)色氨酸也有其自身不足之處，主要表現(xiàn)在產(chǎn)物復(fù)雜，造成后期目的產(chǎn)物分離提純困難、工藝復(fù)雜等。不過(guò)隨著代謝工程理論的發(fā)展，并且不斷改善發(fā)酵工藝水平，直接發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸的效能越來(lái)越高，現(xiàn)在逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

3. 微生物轉(zhuǎn)化法：微生物轉(zhuǎn)化法也可以稱為前體轉(zhuǎn)化法，主要是指利用葡萄糖作為碳源供體，然后培養(yǎng)微生物，在培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生色氨酸合成所需要的各種前體物，例如鄰氨基苯甲酸、L-絲氨酸、吲哚等等，然后微生物會(huì)利用這些前體物在自身色氨酸合成酶的作用下合成色氨酸。工業(yè)化生產(chǎn)色氨酸企業(yè)最早就是利用這種方法來(lái)大規(guī)模獲得L-色氨酸。日本昭和電工公司利用芽袍桿菌和漢遜氏酵母菌種，在其培養(yǎng)環(huán)境中添加鄰氨基苯甲酸，來(lái)獲得色氨酸。為了使色氨酸過(guò)量積累，需要解除芳香族氨基酸代謝過(guò)程中多種底物的反饋抑制。此法生產(chǎn)L-色氨酸的過(guò)程中不宜添加過(guò)多的前體物，容易產(chǎn)生反饋抑制，因此廠家大多采用分批補(bǔ)料的方法來(lái)持續(xù)不斷地添加前體物。微生物前體轉(zhuǎn)化法也存在不足之處，前體物的價(jià)格昂貴，不利于控制成本。而且當(dāng)前體物濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)反饋抑制合成過(guò)程中酶的活性，影響色氨酸的積累效率。

【主要參考資料】

[1] 陳榮慶, 劉偉, 皮雄娥, 等. L-色氨酸的研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 42(14): 4438-4440.

[2] 徐飛, 鄧子新, 林雙君. 色氨酸, 天然產(chǎn)物生物合成中的重要結(jié)構(gòu)單元[J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2013, 40(10): 1796-1809.

[3] 李華偉, 祝倩, 吳靈英, 等. 色氨酸的生理功能及其在畜禽飼糧中的應(yīng)用[J]. 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2016, 28(3): 659-664.