三甲基甘氨酸的应用

背景及概述^[1][2]

三甲基甘氨酸，又称三甲铵乙内酯、甜菜碱或甜菜素，是甜菜碱系列化合物中结构最简单、研究最多的一种物质。它广泛地应用在化工、医药、食品、养殖和发酵等行业，具有广阔的市场前景。

制备^[1]

氯乙酸和三甲胺在氢氧化钠溶液中反应合成三甲基甘氨酸：

氯乙酸与氢氧化钠反应生成氯乙酸钠，然后与三甲胺反应生成三甲基甘氨酸，此方法是国内生产三甲基甘氨酸的主要工艺，但是该法获得的三甲基甘氨酸中会含有氯化钠，需要精制才能得到高品质的三甲基甘氨酸。具体反应如下：

具体实验过程如下：在装有搅拌装置、冷凝管、温度计的四口烧瓶内加入氯乙酸，搅拌，四口瓶外用冰水冷却，缓慢滴加10%氢氧化钠溶液，当pH＝6~7时停止滴加，再加入一定量蒸馏水。然后升温至30℃开始逐渐滴加等物质的量的30%~35%的三甲胺溶液，滴加完后50~55℃保温，冷却即得产品。这样得到的是三甲基甘氨酸和氯化钠的混合液，由于三甲基甘氨酸和氯化钠都具极性，都易溶于水，所以产品中氯化钠的脱除尤其最后少量氯化钠的脱除比较困难，这也成为制得纯度较高的三甲基甘氨酸的关键。常用的纯化方法有简单蒸馏法、离子交换法、萃取结晶法、电渗析、电解法等。

应用^[3]

CN201710802077.4报道了三甲基甘氨酸在农药水悬浮剂制备中的应用，其特点在于三甲基甘氨酸作为农药水悬浮剂制备中的保湿剂应用，其中农药水悬浮剂中还含有农药活动组分A和润湿渗透剂B，农药活动组分A的重量份数占农药水悬浮剂总重量份数的5-40%，进一步的，农药水悬浮制剂中三甲基甘氨酸重量份数占农药水悬浮剂总重量份数的2-20%。三甲基甘氨酸在农药水悬浮剂制备中的应用，将三甲基甘氨酸作为保湿剂应用于农药水悬浮制剂的制备中，在不改变原有农药活性组分及配比的情况下，能够显著增强水悬浮剂的药效，从而达到用药量降低或者活性组分含量降低的效果，降低了用药成本，使水悬浮剂农药的使用更加环保。

其他研究^[2]

L-苏氨酸是人体必需的八种氨基酸之一,其广泛地应用于医药、食品和畜牧业,应用意义重大。大肠杆菌是L-苏氨酸的生产菌株,在其发酵过程中随着为保持pH而不断加入中和剂及L-苏氨酸的积累,发酵液渗透压持续升高,在一定程度上影响了菌体的生长和L-苏氨酸的合成与积累。三甲基甘氨酸可以增加酶的活性,提高膜通透性,提供甲基供体,还是一种重要的细胞相容性溶质,在渗透调节方面具有重要作用。

郭群群研究了发酵过程中添加三甲基甘氨酸对L-苏氨酸生物合成关键酶酶活性的影响,并进行了转录组学分析和蛋白质组学分析。

(1)以不添加三甲基甘氨酸的葡萄糖溶液为对照,检测三甲基甘氨酸对酶活的影响。己糖激酶的酶活性提高了19.3%,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的酶活性提高了10.8%,磷酸果糖激酶的酶活性提高了10.5%,丙酮酸脱氢酶的酶活性提高了24.3%,磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的酶活性提高了16.3%,谷氨酸合酶的酶活性提高了15.6%,天冬氨酸激酶的酶活性提高了13.2%,高丝氨酸脱氢酶的酶活性提高了27.5%,二氢吡啶二羧酸合成酶的酶活性提高了14.4%,高丝氨酸激酶的酶活性提高了20.6%,琥珀酰高丝氨酸合成酶的酶活性提高了12.6%。

(2)实验研究了大肠杆菌E.coli JLTHR在发酵过程中以不添加三甲基甘氨酸的葡萄糖溶液为对照,检测三甲基甘氨酸对基因转录水平的影响。结果表明,在流加三甲基甘氨酸的条件下,细胞组成成分和一些与细胞膜的合成有关的基因表达量提高。糖酵解途径、三羧酸循环、戊糖磷酸途径整体上表现为上调。此外,对氨基酸生物合成途径的分析表明,半胱氨酸和蛋氨酸生物合成途径的转录水平有一定程度下降,甘氨酸,丝氨酸和苏氨酸以及缬氨酸,亮氨酸和异亮氨酸的转录水平有一定程度的增加。

(3)本实验建立了基于iTRAQ定量技术的研究方法,以不添加三甲基甘氨酸的葡萄糖溶液为对照,检测三甲基甘氨酸对蛋白质的表达水平的差异影响。整体分析蛋白质表达量有732个蛋白质发生上调,811个蛋白质发生下调。差异蛋白中主要参与的分子功能有14个功能类别,参与的细胞组分有13个功能类别,参与的生物过程有19个功能类别。

主要参考资料

[1] 张辰亮,董浩浩,李静.三甲基甘氨酸合成工艺的研究进展[J].精细与专用化学品,2017,25(02):32-35.

[2] 郭群群. 三甲基甘氨酸对大肠杆菌发酵生产L-苏氨酸的影响[D].吉林大学,2018.

[3] CN201710802077.4三甲基甘氨酸在农药水悬浮剂制备中的应用