L-苏氨酸的应用

背景及概述^[1]

苏氨酸(Threonine)化学名称为α-氨基-β-羟基丁酸，1935年由W.C.Rose在纤维蛋白水解物中分离和鉴定出来。1936年，Meger对它的空间结构进行了研究，因结构与苏糖相似，故将其命名为苏氨酸。苏氨酸有4种异构体，天然存在并对机体有生理作用的是L-苏氨酸。分子式为C4H9NO3，相对分子质量为119.12，熔点为255～256℃，比旋光度[α]20D=-25.0～-29.0°(5mol/LHCl)，白色晶体或结晶性粉末微甜；解离常数pKCOOH=2.15，pKNH2=9.12，电点pI(25℃)=5.64，溶解度为20g/100mL水(25℃)，不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。L-苏氨酸是必需氨基酸，必须从食物中获取。

L-苏氨酸对于保持体内的氮平衡是必需的，并促进正常的生长发育。此外，它对于保持心血管、肝脏、中枢神经、肠、免疫系统的功能也有作用。由于缺乏维生素B12、II型瓜氨酸血症、败血症、氨基酸或氮失衡，可导致血液中的苏氨酸含量不足。此外，素食主义者由于食用缺少苏氨酸含量的谷类，可以导致苏氨酸不足。对于各种疾病或先天性代谢异常的诊断、患者的长期营养补充、氨基酸代谢异常疾病的相关研究等而言，L-苏氨酸的定量是必须的。

已报道过多种L-苏氨酸的定量方法。通过四乙酸铅使苏氨酸变为乙醛，用浓聚硫酸吸收，检测乙醛与对羟基联苯缩合的色素，来测量蛋白质水解产物、明胶、血清中的苏氨酸，可以通过HPLC、质谱、氨基酸分析装置等定量。这些方法存在操作危险，需要多个步骤，使用昂贵的仪器，不适合操作多个样品的大规模筛选方法的问题。

应用^[1]

在人体和动物所需的8种必需氨基酸中，苏氨酸是仅次于蛋氨酸、赖氨酸、色氨酸的第4种氨基酸。苏氨酸在人的生长发育中发挥越来越重要的作用，被广泛应用于食品工业、饲料工业、以及医疗等方面。

1）在食品方面，由于当前食品加工度高、生产量大、保存期长、流通领域广，营养素容易受到破坏和损失，需要加以补充。因此，食品强化剂在食品工业中的重要性日益突出，氨基酸类强化剂在食品强化剂生产中占有重要的地位。苏氨酸与葡萄糖共热可产生焦香味，有增香作用。一般与其他氨基酸合并用于强化谷物，有时也用于糕点、婴儿食品、牛奶中，起抗氧化作用。

2）在饲料添加剂方面，苏氨酸和赖氨酸、蛋氨酸、色氨酸一起列为4大饲料添加剂，主要用于未成年仔猪和家禽等。苏氨酸是畜禽饲料中的重要元素，在畜禽饲料中添加苏氨酸，能提高饲料蛋白质的生物学价值，平衡各种氨基酸，促进蛋白质沉积，降低动物氨的排泄，减轻环境污染，改善饲养条件。

3）在医药工业方面，苏氨酸应用也十分广泛，其铁盐可作抗贫血药，可用于配置氨基酸输液和综合氨基酸制剂，同时其自身还具有促进人体发育和抗脂肪肝的药用疗效，也是制造高效抗生素单酰胺菌素的中间体，以及用于生化研究。在临床上苏氨酸还具有提高免疫的功能：苏氨酸有促进骨髓T淋巴细胞前体分化发育成为成熟T淋巴细胞的作用。

苏氨酸是谷蛋白中第二限制性氨基酸，它的分子结构中含有羟基，对人体皮肤有保湿作用。在膜蛋白中苏氨酸的羟基能与寡糖链结合，对保护细胞膜起重要作用。此外，苏氨酸代谢生成甘氨酸，提供一碳单位。另外，苏氨酸是11种、14种、17种、18种、20种氨基酸大输液的主要成分之一。氨基酸大输液常用于手术前后、创伤、烧伤、骨折、营养不良、慢性消耗性疾病等的辅助治疗，在临床方面有着广泛的应用。

制备^[2-3]

L-苏氨酸的生产方法有蛋白质水解法、化学合成法[9]和直接发酵法[10]。蛋白质水解法和化学合成法因其存在种种弊端，工业化生产已经基本不再使用。直接发酵法以其生产成本低、资源节约、环境污染小等优点逐渐成为工业化生产L-苏氨酸的主要方式。

1. 蛋白质水解提取法

苏氨酸主要以L型存在于血粉、角蹄、玉米麸质粉、棉籽饼、丝胶等天然蛋白质中，可将上述蛋白质经水洗、搅碎、干燥、酸解得水解液经浓缩得浓缩液，用活性炭脱色、上柱，接收液作纸层析，收集苏氨酸部分。但该方法存在不少问题，操作复杂，需处理大量洗脱液，最主要的是苏氨酸在这些蛋白质中含量较低，尤其是提取目标氨基酸时，其他氨基酸作为废料处理掉，造成资源的浪费。

2. 化学合成法

苏氨酸的化学合成路线，主要有巴豆酸法、乙酰乙酸乙酯法、甘氨酸铜法及不对称环氧化法等，其中路线较短、收率较高、具有较高工业价值的方法是甘氨酸铜法。

1）巴豆酸合成法

巴豆酸在乙醇中进行汞化反应，再经溴化、汞、氨化得DL-苏氨酸。该法反应条件缓和、产率也不低，但步骤较繁、溶剂成本高，加之含汞废液处理困难等，使其利用价值不大。

2）乙酰乙酸乙酯合成法

将乙酰乙酸乙酯氨化、还原，即可得DL-苏氨酸，该路线反应条件要求高，且产率低。

3）甘氨酸铜合成法

甘氨酸由于与Cu2+络合，生成螯合物，从而增强了α氢的酸性，更利于其与乙醛缩合，最终脱去铜，生成DL-苏氨酸。Cu2+起到了催化剂的作用。也有用五水硫酸铜或氯化铜与甘氨酸和乙醛来制备的。Aune则采用中间体双(2，5-二甲基-4-恶唑烷羧酸酯)二水合铜，与甘氨酸反应合成DL-苏氨酸。这样，可以较大地提高产率。但成本也大大增加了。通常，采用廉价的Cu(OH)2CO3和CuCl2为催化剂。合成路线如图：

4）不对称环氧化法

不对称环氧化法，具有选择性高的优点，但由于其反应过程复杂，原料成本太高，难以实现工业化生产。该法以CH2CHCH(OH)CH3为原料，双键经环氧化后，与phCONCO反应，生成五元杂环化合物，再酸化开环，生成DL-苏氨酸。

5）非水相反应合成

以苯为溶剂，将氰基乙酸丁酯与乙醛，在30～35℃搅拌反应6h，经过滤，酸化滤液，可得88%的苏氨酸。上述几种方法，各有优劣，其中甘氨酸铜合成法得到普遍使用。该法成本低，合成路线短，产率高(以甘氨酸计，可达80%以上)。但铜盐的回收再利用，离子交换脱铜过程繁杂、且洗脱液不易浓缩。

3. 微生物发酵法

直接发酵法是借助于微生物具有合成自身所需要的氨基酸的能力，通过对特定微生物的诱变处理，选育出营养缺陷型或结构类似物抗性菌株，以解除代谢调控中的反馈抑制和反馈阻遏，从而达到过量积累某种氨基酸的目的。随着基因工程技术的发展、工业微生物生物化学信息的增多、特别是工业生物载体系统的成功构建，从上世纪70年代末起前苏联研究者开始用基因工程技术构建苏氨酸菌种，为优良的L-苏氨酸生产菌株的筛选和产酸水平的提高提供了可靠的技术保障，使微生物直接发酵法生产L-苏氨酸成为一种廉价的工业化生产方法。

主要参考资料

[1] L-苏氨酸的生产方法及研究进展

[2] CN201180012376.9L-苏氨酸的分析方法和L-苏氨酸脱氢酶

[3] L-苏氨酸制备方法评述