L-丝氨酸的应用与生产

L-丝氨酸国药准字：H19994011，是脂肪族极性氨基酸中的一种，属于生糖氨基酸，广泛存在于天然的蛋白质中。L-丝氨酸作为一种组成蛋白质的基本氨基酸广泛应用于医药、食品、化妆品等行业，市场需求量不断增加。生产L-丝氨酸的主要方法有：蛋白质水解提取法、酶转化法、化学合成法和微生物发酵法等。

L-丝氨酸的发现

1865年，Cramer通过对生丝组分进行分析发现了两种蛋白：丝心蛋白和一种他称之为serecine的凝胶状物质；在对serecine进一步分析后，Cramer将这种新物质命名为丝氨酸（Cramer,1865）。1902年，Fischer和Leuchs水解不同蛋白原料得到了包含D-和L-丝氨酸两种同分异构体的外消旋混合物，并确定了丝氨酸的结构为2-氨基-3-羟基丙酸（Fischer, Leuchs,1902）。直到1907年，Fischer终于成功分离得到了具有光学活性的L-丝氨酸（Fischer,1907）。^[1]

L丝氨酸的基本性质

L-丝氨酸(L-serine)又名α-氨基β-羟基丙酸，其相对分子质量为105.09，分子式为C3HNO3，结构式为CH2OHCH(NH2) COOH。L-丝氨酸为中性氨基酸，其等电点为5.68。L-丝氨酸为六面形片状结晶或棱柱形晶体，无臭，味甜。L-丝氨酸的溶解度为50g/L，易溶于水和甲酸，在20℃时，其在水中的溶解度为250g/L，在乙醇、乙醚和丙酮中几乎不溶。^[2]

L丝氨酸的应用

L-丝氨酸在医药方面的应用

L-丝氨酸作为前体可以合成嘌呤，胸腺嘧啶，磷脂，胆碱；L-色氨酸，L-胱氨酸，L-环丝氨酸，L多巴可以以L-丝氨酸为中间体进行合成；L-丝氨酸具有稳定滴眼液pH的作用，使滴入眼睛之后没有刺激性；L-丝氨酸还可以用于配置复方氨基酸输液及营养增补剂；丝氨酸还能够促进脂肪及脂肪酸的代谢，有助于保持免疫系统的平衡；而且L-丝氨酸的衍生物也有着重要的生理功能，比如:磷丝氨酸是构成磷脂的成分之一；能够用来治疗结核病的抗生素是一种环丝氨酸；能用于治疗肿瘤的一.种抗癌剂是偶氮丝氨酸，还能够用来于治疗急性白血病和柯杰金氏病。^[3]

L-丝氨酸在食品及化妆品方面的应用

在食品方面，L-丝氨酸与葡萄糖加热后生成的2-羟基乙醛具有枫糖浆的香味，可用作食品添加剂，作为营养物质，可添加到动物饲料当中，使机体对植物蛋白的吸收利用率有所提高，对动物体的生长发育也能够起到一些促进作用；在化妆品方面，L-丝氨酸作为皮肤营养剂可添加到高级化妆品中，作为天然保湿因子的关键成分，具有补水保湿，延缓衰老的功能。^[3]

L丝氨酸的生产方法

化学合成法

L-丝氨酸化学合成工艺路线主要由甘氨酸铜法，α-异乙醛胺法，丙烯腈法和二氯丙腈法等。化学法合成所采用的原料相对比较低廉，工艺路线比较简单，易于大规模生产，但该法合成的产物是DL-丝氨酸，因此需要进行进一步的拆分才能获得L-丝氨酸，这一步会大大提高化学合成法生产L-丝氨酸的成本，影响大规模工业化生产。下面以甘氨酸铜法简单介绍L-丝氨酸化学合成工艺：^[4]

蛋白质水解法

自然界的一些蛋白质(如蚕丝中L-丝氨酸的含量达到13.64%)富含大量的L-丝氨酸，因此通过蛋白质水解，分离纯化就能够获得较纯的L-丝氨酸。该法在早期生产L-丝氨酸时广泛应用，但该法操作复杂，产生大量的污染水，而且产物中的氨基酸种类多，分离纯化的成本也比较高，因此逐渐被其他L-丝氨酸生产方法所取代。^[4]

生物酶法

酶法生产相比化学法，反应过程更加简单，产物也易于提取，副产物比较少，具体反应为：

目前影响生物酶法生产的关键在于能否获得具有优良特性的丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)。从自然界中筛选获得具有较高酶活的丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)，并通过外源表达，定点突变等技术提高该酶的酶活，底物耐受性及酶稳定性等。这也是目前生物酶法生产L-丝氨酸的主要趋势。然而受制于酶的催化能力，该法生产L-丝氨酸还处于实验室研究阶段。^[4]

微生物发酵法

利用廉价碳源进行微生物发酵生产L-丝氨酸具有成本低廉，环境污染小等优势受到国内外研究者的关注。然而该方法由于产量低，生产成本高等问题还未得到工业化生产。这一部分原因是因为L-丝氨酸是中间代谢产物，在胞内不能够有效的积累，合成的L-丝氨酸能够有效的降解成其他产物；另外糖代谢进入L-丝氨酸合成的流量相对来说比较小。随着基因工程技术的发展，利用代谢工程改造微生物高效生产目的产物已经成为主流。而借助于新兴发展的微生物技术，微生物发酵法生产L-丝氨酸报道越来越多，发酵法生产L-丝氨酸的优势越来越凸现出来。^[4]

利用系统代谢工程选育L-丝氨酸高产菌逐渐成为近两年L-丝氨酸高产菌株的选育重点。如表1-2所示，近些年利用系统代谢工程构建L丝氨酸生产菌株已经有许多成功的案例：^[5]

参考文献

[1] 石斌超. 大肠杆菌L-丝氨酸吸收途径的改造及代谢分析[D]. 石河子大学, 2017, 1.

[2] 康培. 代谢工程改造大肠杆菌glyA 敲除菌株提高L-丝氨酸产量[D]. 天津大学, 2016, 1.

[3] 郭雯. 产L-丝氨酸的谷氨酸棒杆菌比较基因组学分析[D]. 江南大学, 2016, 1.

[4] 朱勤健. 谷氨酸棒杆菌L-丝氨酸竞争途径的代谢改造[D]. 江南大学, 2015, 1-3.

[5] 李旋. 代谢工程改造大肠杆菌生产L-丝氨酸[D]. 天津科技大学, 2021, 2-3.