L-丙氨酸的应用及生产现状概述

聂玉朋，徐 慧，姚明静，朱坤福，李泽润，孙 萍，王珊珊，祝 蕾，田延军*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省食品发酵工业研究设计院，山东 济南 250353；2.山东朱氏药业集团有限公司，山东 菏泽 274300）

L-丙氨酸又叫L-α-氨基丙酸，是组成人体蛋白质的20多种氨基酸之一，也是人体血液中含量最高的氨基酸。L-丙氨酸分子式为CH3CH（NH2）COOH，分子质量89.09，密度为1.432 g/cm3，熔点为297 ℃，外观为无色至白色结晶粉末，溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚和丙酮，无臭无毒，具有鲜味和甜味，其中甜味是蔗糖甜味的1.2倍。

1 L-丙氨酸的应用

1.1 食品领域的应用

1.1.1 调味品和腌制品

我国批准许可使用的增味剂有谷氨酸钠、5'-鸟苷酸二钠、5'-肌苷酸二钠、5'-呈味核苷酸二钠、琥珀酸二钠、糖精钠、辣椒油树脂、L-丙氨酸和甘氨酸[1]。谷氨酸钠是应用最多的一种食品增味剂，可用于复配其他鲜味剂，谷氨酸钠摄入过多会抑制人体各种神经功能，其中含有的钠离子还会引起高血压等疾病，对人体不利。琥珀酸二钠、5'-呈味核苷酸二钠、5'-肌苷酸二钠、5'-鸟苷酸二钠中也均含有钠离子，摄入过多容易引起动脉粥样硬化、高血压等疾病[2]。相比之下，L-丙氨酸不含钠离子、食用更安全，对于食品的增味效果显著，优势明显。

L-丙氨酸加入酱油中具有提高鲜味、缓和咸味的作用。在鱼露中添加适量L-丙氨酸能够起到增甜、提鲜及减缓腥臭气味的作用[3]。在食盐和鸡精中加入L-丙氨酸既可以增加呈味性，还能减少人体过多钠离子的摄入。

除了鲜味，L-丙氨酸还具有甜味，甜味是蔗糖的1.2倍，常被用于甜味剂的复配。L-丙氨酸用于复配甜味剂，能提高甜度、柔和甜味，减少人工合成甜味剂的使用，符合现代“低糖”的饮食习惯，可用于制作适合糖尿病病人食用的食品。L-丙氨酸可取代L-苯丙氨酸与天门冬氨酸合成新的二肽甜味剂阿力甜，比阿斯巴甜的甜度高约10倍，其甜味特性类似于蔗糖，没有其他强力甜味剂通常带有的后苦味或金属后味[4]。

在腌渍蔬菜中添加L-丙氨酸具有缓冲咸味、增甜提鲜的效果，L-丙氨酸能够增加腌渍蔬菜挥发性香气中的化合物种类，并能弱化含硫化合物中所具有的不愉快气味[5]。

1.1.2 酒和饮料

L-丙氨酸用于酒的合成，可以增加酒的甜味，使酒味更加浓香醇厚。在啤酒和发泡酒中添加，可以防止氨基酸褐变，减轻褐变对酒风味的影响。还可以促进酒精代谢，具有减轻酒精对肝脏损伤的解毒作用，被广泛应用于低度酒的生产[6]。

L-丙氨酸具有缓和酸味的作用，可以调节酸奶等发酵性食品因发酵过剩产生的酸味。在一些饮料中添加L-丙氨酸，缓和酸味、补充氨基酸的同时还能增加饮料的甜味，提高味道的持久性。

1.1.3 防腐剂

L-丙氨酸与乙酸钠、富马酸等二元羧酸以及氧化性酸的混合物是保存面条的上佳防腐剂，可以起到防腐保鲜的作用。其与辣椒油、山梨酸钾等的混合物能有效的抑制酵母菌、大肠杆菌、黑曲霉等有害菌，可用于水产品、面条、腌制品、海产品、豆制品、畜产品以及饲料、化妆品、药品的保鲜[7]。

1.2 医药领域的应用

L-丙氨酸在医药领域可用于制备组织培养基、生化试剂，同时可作为药物成分生产依那普利、索非布韦等药品，用于治疗高血压、肝病等疾病，在测定肝功能方面也有所应用。

L-丙氨酸可用作氨基酸输液，是治疗肝病的复合氨基酸注射液“氨基酸注射液-800”的主要成分，可用于治疗肝功能不全引起的氨基酸代谢紊乱，促使肝昏迷病人苏醒[8]。其用在解酒护肝的药物中，可以有效减轻酒精对肝脏的损害作用，是天然、健康的护肝配方成分[9]。

L-丙氨酸是营养剂补糖氨基酸的成分之一，也是合成维生素B6、丙谷二肽、安脲通等药品的原料，同时也是抗菌药氧氟沙星[10]、高血压治疗药依那普利、新型丙肝治疗药索非布韦、新型多发性硬化症治疗药醋酸格拉替雷等药品的重要生产原料。甄俊峰[11]首次发现L-丙氨酸能够通过促进三羧酸循环，增加胞内活性氧的产生，从而促进氟喹诺酮类药物对分枝杆菌持留菌的杀伤。

L-丙氨酸可激活肝脏腺苷酸活化蛋白激酶并调节全身葡萄糖代谢[12]。L-丙氨酸可刺激体外胰岛素的分泌[13]，其制成的丙氨酸营养补充剂可以帮助糖尿病患者维持健康的血糖水平。L-丙氨酸还具有减肥的功效，能改善肥胖患者的血糖控制和脂质代谢[14]。

L-丙氨酸在蛋白质的分解代谢和碳水化合物的合成中起中介作用，与乳酸盐一起能够通过肝脏中的糖异生从肌肉蛋白中产生葡萄糖，在肌肉蛋白质代谢中起着核心作用[15]。L-丙氨酸可用于治疗成人糖原累积病二型，可减少糖原累积病二型患者的蛋白质降解，是一种简单且相对便宜的疗法[16]。高浓度的L-丙氨酸培养基可以选择性消除人类诱导多能干细胞，用高浓度的L-丙氨酸进行治疗有助于消除干细胞治疗中的致瘤性残留人类诱导多能干细胞[17]。

1.3 日化领域的应用

L-丙氨酸可用于合成绿色环保的温和氨基酸表面活性剂[18]。相较于传统的有机化学表面活性剂，其合成的表面活性剂不仅能够达到相同的效果，而且去污、乳化和渗透能力强，不会污染环境，还具有优良的爽肤和保湿能力，对人体健康，可适用于婴幼儿和敏感性的皮肤。

L-丙氨酸可用于生产新型螯合剂甲基甘氨酸二乙酸（methyl glycine diacetic acid，MGDA），MGDA可替代新型高性能环保洗涤剂中的含磷螯合剂，可以在水中自然降解，避免了传统磷酸盐对环境的负面影响，避免对人体和环境造成危害[19]。L-丙氨酸可用于合成聚酯酰胺，这是一种新的可生物降解的聚合物，可用于生产具有定制性能的各种材料[20]。L-丙氨酸可作为催化剂催化羟醛缩合反应，催化剂可重复利用5次以上，产物收率为70%～84%[21]。

1.4 饲料中的应用

L-丙氨酸是畜禽饲料的主要营养补充成分，能提高饲料蛋白质的生物学价值，促进动物生长，预防疾病，还能防止饲料氧化变质，延长饲料保鲜期，在国外已普遍采用[8]。在饲料中添加L-丙氨酸，还可以促进幼畜的内脏氮循环，增强幼畜的免疫力。

2 L-丙氨酸的生产方法

目前，L-丙氨酸的生产方法主要有化学合成法、提取法、酶转化法和发酵法。化学合成法生产的L-丙氨酸质量较差，生产过程易造成环境污染；水解提取法生产过程较复杂，不适宜规模化和工业化生产；酶转化法是目前工业上常用的生产方法，但所用原料天冬氨酸价格昂贵，生产成本较高；发酵法所用原料葡萄糖价格低廉，生产成本低，具有广阔的研究前景。

2.1 化学合成法

丙酸氯化法是化学合成L-丙氨酸的常见思路[22]。丙酸氯化法原料是丙酸和液氯，用质量为3%的赤磷作为催化剂，在105 ℃条件下进行氯化反应，得到DL-氯代丙酸。然后进行氨化反应，以DL-氯代丙酸和氨水为原料，乌洛托品作为催化剂，在60 ℃条件下进行氨化反应，得到DL-丙氨酸，拆分DL-丙氨酸，在甲醇溶液中进行结晶、离心、干燥后，最终得到合格的L-丙氨酸产品。丙酸氯化法生产L-丙氨酸成本高，合成的产品质量差，还会造成环境污染，目前已基本被淘汰。

2.2 提取法

提取法是通过酸水解或酶解玉米蛋白、绢丝或者明胶等L-丙氨酸含量高的物质，然后分离和手性拆分后得到L-丙氨酸。这种方法成本比较高，不适合规模化和工业化生产[23]。

2.3 酶转化法

酶转化法分为游离整体细胞法和固定化细胞法，酶转化法原料是L-天冬氨酸，经过富有L-天冬氨酸-β-脱羧酶活力的微生物细胞催化后得到L-丙氨酸，L-天冬氨酸可通过固定化大肠杆菌（Escherichia coli）高效催化富马酸铵制得。酶的活性对L-丙氨酸的生产至关重要，酶转化法生产L-丙氨酸的研究多从挑选合适的产酶菌株展开。

20世纪90年代，徐虹等[24]通过诱变筛选获得一株产L-天冬氨酸-β-脱羧酶的高活性菌株PseudomonasNX-1，并对该菌株产酶条件进行了优化。使用该菌株进行摇瓶实验，经过4～5 d的转化，每升培养液大约可以转化1 400 gL-天冬氨酸，转化产物中L-丙氨酸的含量为90%以上，摩尔转化率接近100%。进一步通过800 L的发酵罐进行菌种扩大培养实验，每升培养液可以转化L-天冬氨酸2 kg，最高可达2.5 kg，得到1.2 kgL-丙氨酸干品，提取平均收率为90%[25]。使用PseudomonasNX-1菌株生产L-丙氨酸，产物浓度高，反应结束后已经有大量L-丙氨酸结晶析出，且酶反应具有专一性，几乎无其他氨基酸生产，有利于后续产品的提取，大大降低了分离提取的成本。

2016年，徐友强等[26]在一株能生产L-天冬氨酸酶的大肠杆菌CICC 11022S中导入了来源于睾丸酮丛毛单胞菌的L-天冬氨酸-β-脱羧酶基因，可高效转化富马酸生产L-丙氨酸。研究结果显示，以富马酸为底物，经过9 h的转化，L-丙氨酸产量为112.7 g/L，生产速率为12.5 g/（L·h），转化率为93.8%。富马酸价格大约是L-天冬氨酸的40%，通过构建双酶耦合表达的基因重组菌株，转化富马酸生产L-丙氨酸，降低了生产原料成本。

2020年，张奇等[27]研究出了一种混菌二次发酵技术用于L-丙氨酸的生产。该方法以大肠杆菌和睾丸酮丛毛单胞菌为出发菌株，可同时表达L-天冬氨酸酶和L-天冬氨酸-β-脱羧酶，转化富马酸生产L-丙氨酸，摩尔转化率达98.6%。徐友强等[26]构建的双酶耦合表达的基因重组菌株，转化富马酸生产L-丙氨酸的摩尔转化率为93.8%。相比之下，混菌二次发酵技术的生产率更高。混菌二次发酵技术可以充分的利用培养基和设备，在同一发酵罐中经过同一工艺过程实现发酵，提高了产品的质量。混菌二次发酵技术的产生为工业化生产L-丙氨酸提供了新思路。

随着固定化技术的发展，人们开始研究固定化法生产L-丙氨酸，固定化法的最大优势在于连续化生产。

1996年，吕炜锋等[28]对产酶的菌株进行了固定化，通过固定化进行L-丙氨酸的生产研究。研究结果表明，1 kg的固定化细胞能够转化2 kg的底物，转化率在98%以上，产物收率＞85%，固定化细胞的酶活半衰期在80 d以上，产品的纯度在98.5%以上。这种生产方法连续化生产程度较高，有很大的工业化潜力。

2005年，陆健等[29]选用家蚕丝素作为固定化细胞的载体，用于生产L-丙氨酸。该研究用戊二醛交联固定由家蚕丝素制成的丝素溶液，制成固定化细胞丝素凝胶，利用工程菌生产L-丙氨酸。通过对固定化酶活性影响因素的研究，确定了使用该载体生产L-丙氨酸的最优条件。研究结果显示，通过对底物流速的控制，可使底物转化率大于96%，产量最高为3.42 g/h，转化原活力在经过一个月的连续使用后还保持在92%以上。

游离细胞法生产L-丙氨酸相较于固定化细胞法生产成本底，生产步骤较简单，而且L-天冬氨酸的摩尔转化率和产品质量更容易控制。酶法催化生产L-丙氨酸提取工艺简单，设备投资小，且没有化学合成法的高污染、低产率等问题，是目前工业化生产L-丙氨酸的主要方法。但酶法工业化生产L-丙氨酸所用原料L-天冬氨酸的成本比较高，是需要解决的一大问题。

2.4 发酵法

L-丙氨酸的生产经历了蛋白水解提取法、化学合成法、发酵法和酶转化法等几个阶段，随着生物工程技术和基因工程技术的发展，越来越多的氨基酸产品可以用发酵法生产。发酵法的生产成本较酶法要低，生产的氨基酸对映体纯度较高，减少了后续的纯化步骤，且发酵过程条件温和，可以防止产品进一步降解[30]。

2.4.1 发酵菌株的构建

1978年，CHICO E等[31]研究发现了低氧条件下酿酒酵母糖酵解的终产物是L-丙氨酸。

2010年，JOJIMA T等[32]以谷氨酸棒状杆菌为原始菌株，删除了乳酸、琥珀酸等有机酸的合成基因和丙氨酸消旋酶（alr）基因，插入了丙氨酸脱氢酶（alad）基因和甘油醛3-磷酸脱氢酶（gapa）基因，构建了一株L-丙氨酸高产菌株。利用该菌株生产的L-丙氨酸光学纯度＞99.5%，该菌株在无机盐培养基中培养32 h后产生98 g/L的L-丙氨酸。这一研究结果显示出缺氧条件下发酵生产L-丙氨酸的前景。

2016年，ZHOU L等[33]构建了一株利用温度调节基因开关调控大肠杆菌生产L-丙氨酸的菌株B0016-060BC。该菌株可利用温度调节基因（λpR-pL）开关来动态的控制源自嗜热脂肪地芽孢杆菌的alad基因在大肠杆菌B0016-060BC染色体上的表达，从而高效的控制菌体的生长和L-丙氨酸的产生，提高L-丙氨酸的产量。优化条件后的发酵实验结果显示：以葡萄糖为唯一碳源时，L-丙氨酸效价达到120.8 g/L，产率为4.18 g/（L·h）。这个研究解决了产物L-丙氨酸的积累抑制大肠杆菌生长速率的问题，在需氧细胞生长阶段关闭L-丙氨酸的产生，可以防止L-丙氨酸对大肠杆菌生长的抑制作用，并实现高生长率和生物量积累，之后开启高效alad基因表达的遗传开关，促进生产阶段L-丙氨酸的形成。

2018年，蔡宇杰等[34]构建了双酶共表达菌株BLPN/pETDuet-1-pilad-11ldh，可利用乳酸生产L-丙氨酸。该菌株同时表达了外源的L-丙氨酸脱氢酶基因和L-乳酸脱氢酶基因，并强化表达了菌株本身的乳酸转运基因和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）合成基因。该菌株中的L-乳酸脱氢酶以菌体内的NAD为辅酶，将L-乳酸脱氢生成L-丙氨酸和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide-reduced，NADH），L-丙氨酸脱氢酶将丙酮酸、氨合成L-丙氨酸，NADH则氧化生成NAD，实现了辅酶NAD的再生，同时敲除或强化表达大肠杆菌基因组上的相关基因促进乳酸的转运，防止L-丙氨酸的分解。使用该菌株在100 mL反应体系中转化24 h，测得L-丙氨酸质量浓度为291 g/L。使用该菌生产L-丙氨酸，底物廉价，生产过程简单且原料易得，具有良好的应用前景。

2017年，付刚等[35]以大肠杆菌JH-B2为出发菌株进行了发酵产L-丙氨酸的工艺优化研究。工艺优化后，在50 L发酵罐中进行补料发酵生产L-丙氨酸，产量达到135.0 g/L。2019年，潘海亮等[36]敲除了大肠杆菌JH-B2的葡萄糖转运酶（ptsg）基因得到了JH-B3菌株。利用该菌株以混合糖为碳源发酵生产L-丙氨酸，L-丙氨酸的生产强度较菌株JH-B2提高了21.5%。2020年，王灿等[37]在大肠杆菌JH-B3的基础上敲除能转运葡萄糖的D-半乳糖/D-葡萄糖结合蛋白（mglb）基因后得到了ptsg和mglb基因双缺陷菌株JH-B6，以水稻秸秆水解液作为碳源进行发酵实验，得出菌株JH-B6发酵周期为88 h，较菌株JH-B3缩短了31.3%，糖酸转化率为93.9%，较JH-B3提高了4.9%。利用菌株JH-B6发酵生产L-丙氨酸，降低了葡萄糖效应，提高了L-丙氨酸的生产效率，且水稻秸秆价格低廉，降低了L-丙氨酸的生产成本，显示出巨大的工业化潜力。

2.4.2 发酵底物的选择

2016年，周丽等[38]利用大肠杆菌B0016-060BC菌株，研究了以甘油作为唯一碳源对发酵生产L-丙氨酸的影响。利用5 L发酵罐发酵后，可合成63.64 g/LL-丙氨酸，整个发酵阶段体积生产强度达到1.91g/（L·h），转化率达到62.89g/100g甘油，仅合成少量的乙酸（1.73 g/L）等副产物。甘油作为生物柴油制造工业的副产物，价格低廉，这一研究为工业化生产L-丙氨酸提供了重要的参考价值。

2017年，刘枣等[39]选用玉米浆作为氮源，研究其对大肠杆菌JH-B22发酵生产L-丙氨酸的影响。通过对发酵液中玉米浆的添加量进行优化，发现最适添加量下，L-丙氨酸的产量为54.30 g/L。虽然使用玉米浆生产L-丙氨酸的产量比无机盐发酵培养基的56.12 g/L和LB发酵培养基的56.48 g/L低，但使用玉米浆作氮源价格低廉，不需要再额外添加酵母粉，可以有效降低生产成本，且玉米浆发酵培养基配制简单，玉米浆中含有无机盐组分，不需要再额外添加，是生产L-丙氨酸很好的选择。

发酵法生产L-丙氨酸主要从高产菌株的构建、发酵条件的优化以及提取方法的选择等方面展开研究，其中最核心的问题是高产菌株的构建，选择合适的菌种进行基因改造，通过删除与L-丙氨酸争夺碳源相关途径的基因，减少副产物的生成，提高L-丙氨酸的产量。目前，用于基因改造最多的菌种是大肠杆菌，大肠杆菌具有遗传背景清晰，易于基因工程操作，繁殖迅速，生长要求低，便宜，安全等优势，是良好的原始菌株。发酵法的优势在于所用的碳源葡萄糖是一种价格低廉的可再生资源，也有人开始研究利用廉价木质纤维素中的混合糖作为碳源，旨在降低生产成本。

3 展望

L-丙氨酸在食品领域、医药领域和日化领域都有着巨大的应用潜力。随着人们生活水平的提高，人们对于食品的安全性要求也随之提高，食品添加剂也成为现代食品行业不可或缺的一部分。L-丙氨酸作为一种天然健康无钠的多功能食品添加剂，拥有巨大的发展潜力。作为人体20多种氨基酸之一，其在医药领域的应用也愈加广泛。

目前对于L-丙氨酸的工业化生产，提取法生产成本高，无法实现大规模生产，对环境也有一定的污染；化学合成法生产成本高，合成的产品质量差、收率低，还会造成环境污染；酶法是当前工业化生产L-丙氨酸的主要方法，优点是使用的催化剂生物酶活力高、条件温和，不会造成污染，且设备投资小、提取工艺简单，缺点是生产成本高；发酵法生产L-丙氨酸成本低，所得L-丙氨酸对映体纯度高，减少了后续的纯化步骤，显示出了巨大的工业化生产潜力。因此未来应对发酵法生产L-丙氨酸的方法进行优化改进，促进L-丙氨酸的生产和应用发展。