CN104313071A

CN104313071A - 高纯L-α-氨基酸的生物合成方法

Info

Publication number: CN104313071A
Application number: CN201410552914.9A
Authority: CN
Inventors: 许岗; 曾红宇; 帅得利; 王胜锋
Original assignee: HUNAN BAOLISHI BIOTECHNOLOGY CO Ltd
Current assignee: HUNAN BAOLISHI BIOTECHNOLOGY CO Ltd
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: CN104313071B

Abstract

本发明公开了一种高纯L-α-氨基酸的生物合成方法，该方法是在反应液中，醛类化合物和甘氨酸原料在L-苏氨酸醛缩酶和L-苏氨酸脱氨酶复合酶的催化作用下进行酶催化反应得到2-酮酸产物；将所得2-酮酸产物在由亮氨酸脱氢酶与甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶组成的辅酶催化下进行酶催化反应，反应产物依次经过电渗析脱盐、活性炭脱色、浓缩结晶、真空干燥处理，高产率得到高纯度L-α-氨基酸晶体；该方法以水相为反应体系，环保、廉价，设备要求低、酶可以反复使用，成本低，满足工业化生产。

Description

高纯L-α-氨基酸的生物合成方法

技术领域

本发明涉及一种新型生物法转化合成L-α-氨基酸及纯化浓缩结晶得到高纯度L-α-氨基酸的方法，属于生物合成领域。

背景技术

氨基酸是组成蛋白质的基本物质，是人体生命活动的必需，它在体内担负着合成肌肉、皮肤、脏器、酶、免疫抗体所必需的成分。一般而言氨基酸分为D型和L型，人体中只有L型氨基酸才参与代谢，具有生理活性。

L-正缬氨酸是合成培哚普利、ACE-抑制剂—抗高血压类药物的关键中间体。L-正缬氨酸可以通过拆分外消旋的DL-正缬氨酸获得，也可以通过直接合成获得，相关的报道较少。日本专利JP7553587采用发酵法制取，产量约为3.79g/L，远低于一般发酵生产氨基酸的产量，难以满足工业化的生产需求。中国专利CN1651400，公开了以正丁醛和丙酮氰醇为原料合成L-正缬氨酸的技术，该方法采用了剧毒的丙酮氰醇作为反应原料，且丙酮氰醇不易得，价格偏高，有其局限性。中国专利CN101007772对其进行了一定改进，采用***替代丙酮氰醇为反应原料，降低了原料成本，但存在同样缺点是***也是剧毒的化工原料，同时反应步骤多，总收率不高。陈新志在中国专利CN1962613中，公开了以正戊酸为起始原料经酰氯化、溴化、氨化、拆分、重结晶、水解合成L-正缬氨酸的技术，同时在中国专利CN101007774中公开了相同工艺路线合成D-正缬氨酸的技术，上述两专利避免了使用剧毒原料，降低了生产成本，但仍然存在反应步骤多，总收率不高等问题。中国专利CN101508654A公开了一种DL-正缬氨酸的合成方法，以正戊酸为主要起始原料，依次经过溴代、氨解、离子交换分离回收得到DL-正缬氨酸，再进一步经化学拆分或酶法拆分得到手性正缬氨酸。该专利提高了合成段的收率，但需要进一步拆分才能得到L-正缬氨酸，反应步骤多，总收率不高。

L-亮氨酸是合成新型静脉抗肿瘤药物卡非佐米的关键中间体。L-亮氨酸大部分通过发酵法提取获得，也可以直接通过化学法合成。国内外相关专利和论文报告，L-亮氨酸提取方法主要有沉淀法、离子交换法提取、乳状液膜法，其中离子交换法提取分离效果和效率较高，过程主要包括：离心处理发酵液，加入晶种后进行多次重结晶，然后加入活性炭脱色，阳离子交换树脂层析后浓缩抽滤粗结晶再加入95％的乙醇重结晶过滤干燥得到成品。整个过程繁琐复杂，能耗高，收率只有71.28％，同时对设备的要求严苛，不便于工业化生产。

发明内容

针对现有技术中L-亮氨酸的合成方法存在过程繁琐、反应条件苛刻、收率低、分离提纯困难等一系列缺陷，本发明的目的是在于提供一种基于生物酶为催化剂，以醛类化合物和甘氨酸原料在温和条件条件下高产率合成高纯度L-α-氨基酸的方法，该方法以水相为反应体系，环保、廉价，设备要求低、酶可以反复使用，成本低，满足工业化生产。

本发明提供了一种高纯L-α-氨基酸的生物合成方法，该方法是在反应液中，醛类化合物和甘氨酸原料在L-苏氨酸醛缩酶和L-苏氨酸脱氨酶复合酶的催化作用下，于pH为6.0～8.0，温度为20～40℃的条件下进行酶催化反应I，反应产物通过层析分离后，得到2-酮酸溶液；将所得2-酮酸溶液调节pH到7.5～8.5后，加入由亮氨酸脱氢酶与甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶组成的辅酶，在20～40℃温度下进行酶催化反应II，反应产物依次经过电渗析脱盐、活性炭脱色、浓缩结晶、真空干燥处理，得到L-α-氨基酸晶体；所述的L-苏氨酸醛缩酶和L-苏氨酸脱氨酶复合酶中L-苏氨酸醛缩酶与L-苏氨酸脱氨酶的总活力比为3～4:2～3；所述的辅酶中亮氨酸脱氢酶与甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶的总活力比为1:1.5～2.5；

所述的醛类化合物具有式1结构：

所述的2-酮酸具有式2结构：

所述的L-α-氨基酸具有式3结构：

其中，

R为C₁～C₄的脂肪烃基。

本发明的高纯L-α-氨基酸的生物合成方法还包括以下优选方案：

优选的方案中R为C₁～C₄的直链烷烃基或直链取代烷烃基、烯烃基或取代烯烃基、炔基或取代炔基中一种；最优选为C₁～C₄的直链烷烃基。

优选的方案中L-苏氨酸醛缩酶在反应液中的加入量相对于醛类化合物为30000U/mol～80000U/mol；最优选为30000U/mol～50000U/mol。

优选的方案中L-苏氨酸脱氨酶在反应液中的加入量相对于醛类化合物为20000U/mol～60000U/mol；最优选为20000U/mol～40000U/mol。

优选的方案中亮氨酸脱氢酶在2-酮酸溶液中的加入量相对于2-酮酸为10000U/mol～16000U/mol，最优选为12000U/mol～14000U/mol。

优选的方案中甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶在2-酮酸溶液中的加入量相对于2-酮酸为20000U/mol～32000U/mol，最优选为24000U/mol～28000U/mol。

优选的方案中醛类化合物在反应液中的质量百分比浓度为2％～10％，醛类化合物与甘氨酸的摩尔比为1:1～1.05。

优选的方案中酶催化反应II过程中加入不少于20ppm的NAD或NADP辅组因子，和质量为2-酮酸溶液的3～7％的甲酸铵或葡萄糖。本发明的方案使用甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶与亮氨酸脱氢酶辅酶循环***催化制备L-α-氨基酸，构建了辅酶NAD/NADH和NADP/NADPH的循环再生***，使昂贵的NAD和NADP用量大大减少，降低了成本。

优选的方案中酶催化反应II所得反应产物通过电渗析脱盐后，维持温度在 20～40℃范围内，加入活性炭进行吸附0.5～1.0h；其中，活性炭为木质活性炭，木质活性炭的使用量为2-酮酸溶液体积的3.0～5.0‰。

优选的方案中电渗析脱盐过程中采用的极水为电导在5.0～10.0ms/cm之间的硫酸钠溶液，浓水为去离子水，终止物料电导为8.0～10.0ms/cm。本发明的L-α-氨基酸纯化过程中加入了电渗析脱盐降低物料的电导率，同时有效的去除了物料的杂质和色素，极大提高了结晶粉的色级。

优选的方案中酶催化反应I以反应液中甘氨酸残留量低于0.2wt％为反应终点。

优选的方案中酶催化反应Ⅱ以2-酮酸溶液中2-酮酸残留量低于0.2wt％为反应终点。

优选的方案中层析分离是通过离子交换树脂或吸附树脂进行分离。所述的离子交换树脂为强酸性的磺酸型树脂，所述的吸附树脂为疏水性的吸附树脂。

本发明采用的L-苏氨酸醛缩酶、L-苏氨酸脱氨酶、亮氨酸脱氢酶、甲酸脱氢酶和葡萄糖脱氢酶可购买于上海尚科生物医药有限公司或者湖南福来格生物技术有限公司。

优选的方案中酶催化反应I的反应时间为1～3h。

优选的方案中酶催化反应II的反应时间为1～3h。

优选的方案中酶催化反应I的反应温度为25～35℃。

优选的方案中酶催化反应II的反应温度为25～35℃。

优选的方案中真空干燥是在真空度大于0.09MPa，温度在60～80℃范围内的条件下进行。

本发明的L-α-氨基酸合成路线如下：

本发明的有益效果：1、本发明首次将L-苏氨酸醛缩酶、L-苏氨酸脱氨酶和亮氨酸脱氢酶、甲酸脱氢酶/葡萄糖脱氢酶相结合催化醛类化合物和甘氨酸原料进行酶催化反应，再结合适当的提纯分离方法，高产率获得高纯度L-α-氨基酸，收率相对于化学法要高20-60％以上，提纯容易，产品纯度达到98％以上。2、本发明的原料来源广，酶可以重复使用，不需要使用大量有机溶剂和有毒原料，相对现有技术中的化学方法大幅降低生产成本，有利于保护环境。3、本发明的方法步骤简单，反应条件温和，对设备要求低，只需在常温下反应，不需要现有技术中的低温设备反应(现有技术中的化学法需要在-70℃低温下反应)。

附图说明

【图1】为实施例1制得的产品的色谱分析图。

具体实施方式

以下实施例中的原料及仪器设备来源：L-苏氨酸醛缩酶和L-苏氨酸脱氨酶(湖南福来格生物技术有限公司)；甲酸脱氢酶,亮氨酸脱氢酶和葡萄糖脱氢酶(湖南福来格生物技术有限公司)；甘氨酸(长沙明瑞化工有限公司)；丙醛(长沙唐华化工贸易有限公司)；电渗析***(江苏日泰化工有限公司)；高效液相色谱LC-15C(日本岛津)。

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明的保护范围。

实施例1

以L-正缬氨酸为例：

取63.0g无水甘氨酸加入适量去离子水溶解后加入97％60mL丙醛溶液并用3.0mol/L氨水溶解并调节pH为7.50±0.05，真空抽滤除去不溶物，定容至1000mL。投固定化L-苏氨酸醛缩酶37500U/mol(丙醛)，固定化L-苏氨酸脱氨酶25000U/mol(丙醛)，控制反应温度30℃，用3.0mol/L的氨水保持pH为7.50±0.05，当液相甘氨酸摩尔转化率≥99％时，滤出转化终止液。经离子交换层析分离纯化，得到含有88.44g 2-戊酮酸溶液1156mL，产率95.30％。层析收集液再用3.0mol/L氨水调节pH为7.50±0.05，然后按12000U/mol(2-戊酮酸)比例加入固定化亮氨酸脱氢酶，按24000U/mol(2-戊酮酸)比例加入固定化甲酸脱氢酶，甲酸铵48.0g，NAD 45mg，控制反应温度30℃，维持反应pH为7.5～8.5。当液相2-戊酮酸摩尔转化率≥98％时，滤出转化终止液，得到含84.63g L-正缬氨酸溶液1198mL，产率为90.42％。将终止液用5.0mol/L的甲酸调节pH6.0±0.05后进行电渗析脱盐并顶水后，得到含79.57g L-正缬氨酸溶液1530mL，产率为85.01％。物料中投加5‰的活性炭脱色半小时，过滤后取滤液在60℃，-0.09MPa～-0.098MPa负压下蒸发浓缩，过滤、干燥，得到L-正缬氨酸干粉78.14g，总产率83.48％。

制得的L-正缬氨酸产物的液相检测条件：

1、流动相：称取1.64gCH₃COONa或2.72gCH₃COONa·3H₂O，加800mL超纯水溶解后，加180μL三乙胺，用乙酸调pH至7.2±0.05(调过则用碱回调)，加3mL四氢呋喃，用孔径0.22μm的水系滤膜过滤后，加入200mL乙腈，混匀后脱气20min左右。

2、柱子类型：C18-spherisorb ODS 5um 4.6*200m；

3、流速：1mL/min；

4、波长：338nm；

5、出峰时间：6.4min；

6、L-正缬氨酸液相图谱如图1所示。

实施例2

取63.0g无水甘氨酸加入适量去离子水溶解后加入97％60mL丙醛溶液并用3.0mol/L氨水溶解并调节pH为7.50±0.05，真空抽滤除去不溶物，定容至1000mL。投固定化L-苏氨酸醛缩酶37500U/mol(丙醛)，固定化L-苏氨酸脱氨酶25000U/mol(丙醛)，控制反应温度30℃，用3.0mol/L的氨水保持pH为7.50±0.05，当液相甘氨酸摩尔转化率≥99％，滤出转化终止液。经离子交换层析分离纯化，得到含有88.44g2-戊酮酸溶液1156mL，产率95.30％。层析收集液再用3.0mol/L氨水调节pH为7.50±0.05，按12000U/mol(2-戊酮酸)比例加入固定化亮氨酸脱氢酶，按24000U/mol(2-戊酮酸)比例加入固定化甲酸脱氢酶，甲酸铵48.0g，NAD28.0mg，控制反应温度30℃，维持反应pH为7.5～8.5。当液相2-戊酮酸摩尔转化率≥98％，L-正缬氨酸摩尔收率≥95％，滤出转化终止液，得到含80.77g L-正缬氨酸溶液1195mL，产率为86.30％。将终止液用5.0mol/L的甲酸调节pH为6.0±0.05后进行电渗析脱盐并顶水后，得到含76.82g L-正缬氨酸溶液1520mL，产率为82.07％。物料中投加5‰的活性炭脱色半小时，过滤后取滤液在60℃，-0.09MPa～-0.098MPa负压下蒸发浓缩，过滤、干燥，得到L-正缬氨酸干粉75.08g，总产率80.21％。

实施例3

取63.0g无水甘氨酸加入适量去离子水溶解后加入97％60mL丙醛溶液并用3.0mol/L氨水溶解并调节pH为7.50±0.05，真空抽滤除去不溶物，定容至1000mL。投固定化L-苏氨酸醛缩酶37500U/mol(丙醛)，固定化L-苏氨酸脱氨酶25000U/mol(丙醛)，控制反应温度30℃，用3.0mol/L的氨水保持pH为7.50±0.05，当液相甘氨酸摩尔转化率≥99％时，滤出转化终止液。经离子交换层析分离纯化，得到含有88.44g 2-戊酮酸溶液1156mL，产率95.3％。层析收集液再用3.0mol/L氨水调节pH为7.50±0.05，按12000U/mol(2-戊酮酸)比例加入固定化亮氨酸脱氢酶，按 24000U/mol(2-戊酮酸)比例加入固定化葡萄糖脱氢酶，甲酸铵48.0g，NADP53mg，控制反应温度30℃，维持反应pH为7.5～8.5。当液相2-戊酮酸摩尔转化率≥98％时，滤出转化终止液，得到含84.03g L-正缬氨酸溶液1177mL，产率为89.78％。将终止液用5.0mol/L的甲酸调节pH为6.0±0.05后进行电渗析脱盐并顶水后，得到含82.87g L-正缬氨酸溶液1537mL，产率为88.54％。物料中投加5‰的活性炭脱色半小时，过滤后取滤液在60℃，-0.09MPa～-0.098MPa负压下蒸发浓缩，过滤、干燥，得到L-正缬氨酸干粉77.53g，总产率82.83％。

实施例4

以L-亮氨酸为例：

取63.0g无水甘氨酸加入适量去离子水溶解后加入98％72mL异丁醛溶液并用3.0mol/L氨水溶解并调节pH为7.50±0.05，真空抽滤除去不溶物，定容至1000mL。投固定化L-苏氨酸醛缩酶37500U/mol(异丁醛)，固定化L-苏氨酸脱氨酶25000U/mol(异丁醛)，控制反应温度30℃，用3.0mol/L的氨水保持pH为7.50±0.05，当液相甘氨酸摩尔转化率≥99％时，滤出转化终止液。经离子交换层析分离纯化，得到含有98.28g 2-已酮酸溶液1170mL，产率94.5％。层析收集液再用3.0mol/L氨水调节pH为7.50±0.05，然后按12000U/mol(2-已酮酸)比例加入固定化亮氨酸脱氢酶，按24000U/mol(2-已酮酸)比例加入固定化甲酸脱氢酶，甲酸铵48.0g，NAD 45mg，控制反应温度30℃，维持反应pH为7.5～8.5。当液相2-已酮酸摩尔转化率≥98％时，滤出转化终止液，得到含94.38g L-亮氨酸溶液1204mL，产率为90.06％。将终止液用5.0mol/L的甲酸调节pH5.98±0.05后进行电渗析脱盐并顶水后，得到含88.93g L-亮氨酸溶液1550mL，产率为84.86％。物料中投加5‰的活性炭脱色半小时，过滤后取滤液在60℃，-0.09MPa～-0.098MPa负压下蒸发浓缩，过滤、干燥，得到L-亮氨酸干粉86.65g，总产率82.68％。

Claims

1.高纯L-α-氨基酸的生物合成方法，其特征在于，在反应液中，醛类化合物和甘氨酸原料在L-苏氨酸醛缩酶和L-苏氨酸脱氨酶复合酶的催化作用下，于pH为6.0～8.0，温度为20～40℃的条件下进行酶催化反应I，反应产物通过层析分离后，得到2-酮酸溶液；将所得2-酮酸溶液调节pH到7.5～8.5后，加入由亮氨酸脱氢酶与甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶组成的辅酶，在20～40℃温度下进行酶催化反应II，反应产物依次经过电渗析脱盐、活性炭脱色、浓缩结晶、真空干燥处理，得到L-α-氨基酸晶体；所述的L-苏氨酸醛缩酶和L-苏氨酸脱氨酶复合酶中L-苏氨酸醛缩酶与L-苏氨酸脱氨酶的总活力比为3～4:2～3；所述的辅酶中亮氨酸脱氢酶与甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶的总活力比为1:1.5～2.5；

所述的醛类化合物具有式1结构：

所述的2-酮酸具有式2结构：

所述的L-α-氨基酸具有式3结构：

其中，

R为C₁～C₄的脂肪烃基。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，R为C₁～C₄的直链烷烃基或直链取代烷烃基、烯烃基或取代烯烃基、炔基或取代炔基中一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，L-苏氨酸醛缩酶在反应液中的加入量相对于醛类化合物为30000U/mol～80000U/mol，L-苏氨酸脱氨酶在反应液中的加入量相对于醛类化合物为20000U/mol～60000U/mol。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，亮氨酸脱氢酶在2-酮酸溶液中的加入量相对于2-酮酸为10000U/mol～16000U/mol，甲酸脱氢酶或葡萄糖脱氢酶在2-酮酸溶液中的加入量相对于2-酮酸为20000U/mol～32000U/mol。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，醛类化合物在反应液中的质量百分比浓度为2％～10％，醛类化合物与甘氨酸的摩尔比为1:1～1.05。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，酶催化反应II过程中加入不少于20ppm的NAD或NADP辅组因子，和质量为2-酮酸溶液的3～7％的甲酸铵或葡萄糖。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，酶催化反应II所得反应产物通过电渗析脱盐后，维持温度在20～40℃范围内，加入活性炭进行吸附0.5～1.0h；其中，活性炭为木质活性炭，木质活性炭的使用量为2-酮酸溶液体积的3.0～5.0‰。

8.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述的电渗析脱盐过程中采用的极水为电导在5.0～10.0ms/cm之间的硫酸钠溶液，浓水为去离子水，终止物料电导为8.0～10.0ms/cm。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的酶催化反应I以反应液中甘氨酸残留量低于0.2wt％为反应终点；酶催化反应Ⅱ以2-酮酸溶液中2-酮酸残留量低于0.2wt％为反应终点。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的层析分离是通过离子交换树脂或吸附树脂进行分离。