L异亮氨酸结晶工艺的研究.docx

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L异亮氨酸结晶工艺的研究

科研训练论文

（

题目：

L－异亮氨酸结晶工艺的研究

学生姓名：

张光辉

学号：

200720515059

学院：

化工学院

班级：

制药工程07-1班

二〇一一年四月

L－异亮氨酸结晶工艺的研究

摘要：

L-异亮氨酸属中性氨基酸，是人体8种必需氨基酸之一，与L-缬氨酸、L-亮氨酸统称为支链氨基酸，因其特殊的结构和功能，在人体生命代谢中具有特别重要的地位。

异亮氨酸是一种不能由哺乳动物组织合成的必需氨基酸，这种氨基酸的一个特征是它们的主要作用就是整合成为蛋白质和酶，有助于维持这种大分子的三级结构。

L-异亮氨酸目前我国的生产远远不能满足本国的需要，国际上其生产主要有日本垄断。

而且我国所生产的产品存在着质量问题，如结晶产品粒度小、晶形差等问题。

因此在前人提取分离研究的基础上继续开展L-异亮氨酸纯化的结晶方法，为最终实现我国L-异亮氨酸工业化的低消耗、低成本、高效率，建立起具有竞争力的生产体系以及对我国氨基酸行业的发展有极其重要的意义。

关键词：

L-异亮氨酸；支链氨基酸；结晶；晶形

一、L-异亮氨酸的理化性质

名称：

L-异亮氨酸（L-Isoleucine）

化学名：

L-2-氨基-3-甲基戊酸或α-氨基-β-甲基戊酸

别名：

L-异白氨酸

分子式：

C6H13NO2

结构式：

解离常数：

pKCOOH=2.36，PkNH3

比旋光度：

[α]D20=+41.1°（）

呈味性：

略有苦味

溶解性：

溶于水，微溶于热乙醇，溶于稀无机酸和碱性溶液。

不溶于冷乙醇和乙醚。

也不溶于其它有机溶剂。

在水中溶解度随温度升高而增大。

性状：

白色结晶小片或结晶性粉末。

升华温度为168~170℃。

约于284℃熔化并分解。

10%水溶液的pH为5.5~7.0。

化学性能稳定。

在食品烹调，加工受热时几乎无损失。

二、L-异亮氨酸的用途

（一）、食品方面

早在1936年，Rose等人根据动物营养试验结果，正式L-异亮氨酸为人和动物体营养必须氨基酸之一[5]。

人体缺乏L-异亮氨酸，将导致食欲不振、体质下降、贫血及其它功能障碍。

一般作为营养增补剂用于缺乏L-异亮氨酸的食品强化，以提高其营养价值。

可强化各种食品，如小麦粉、麦谷蛋白、花生粉、马铃薯等所含异亮氨酸为限制氨基酸，宜予强化。

人体每天最低需要量约为[]。

（二）、医药方面

在医药上，L-异亮氨酸除用于配制各种符合氨基酸之际，除营养型氨基酸输液外，特别应用于高支链氨基酸输液（如3H输液等）及口服液（如肝安干糖浆等），对维持人、婴儿、儿童的生长发育有重要作用，对治疗肝昏迷、肾脏病、肌肉萎缩等症有显著疗效。

酪氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丝氨酸和精氨酸五肽有阻止前列腺癌细胞发展和转移的能力，因而其用量逐年增长[8，9]。

支链氨基酸是唯一在肝外代谢的氨基酸，主要在骨骼肌，约占骨骸肌蛋白质的必需氨基酸的35%，是体内主要供能的氨基酸。

支链氨基酸的作用有:

①节省肌肉消耗，减少负氮平衡。

由于支链氨基酸主要在骨骸肌中进行分解代谢，当机体受到创伤、严重感染、烧伤等疾病时，体内代谢处于高分解状态，特别是肌肉蛋白质大量分解产生支链氨基酸作为维持机体能量的主要来源而被大量消耗。

血浆出现支链氨基酸水平下降，人体逐渐消瘦，这种现象被人们称作“自我食人肉”现象。

因此，对类似上述高分解代谢的疾病要在给予高能量的同时，注意支链氨基酸的补充。

②支链氨基酸在肝性脑病的治疗中起重要作用。

肝硬化或肝性脑病的病人在氨基酸代谢方面的特点是血浆支链氨基酸含量下降，芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸）含量升高。

芳香族氨基酸进入脑组织后能释放一种抑制性神经递质，这种神经递质抑制大脑皮层而出现肝性脑病的肝昏迷。

而恰恰是支链氨基酸和芳香族氨基酸是由一个载体转运通过血脑屏障，二者竞相与载体结合，当支链氨基酸浓度高时，抑制芳香族氨基酸进入脑组织。

因此，临床上用支链氨基酸治疗肝昏迷。

人们常常用支链氨基酸与芳香族氨基酸的比值来衡量支链氨基酸与芳香族氨基酸的多少，正常人的比值是3.0一3.5，而肝硬化伴肝昏迷患者常常降低到1.5以下，在给予病人支链氨基酸后，肝昏迷很快缓解，这是其它抗昏迷药物不可能办到的。

（三）、饲料方面

L-异亮氨酸作为畜禽必需氨基酸对动物有特殊营养作用，主要是由于其具有特殊的生理功能如：

调节蛋白质代谢，增强免疫机能，改善泌乳性能，氧化功能，神经调节功能，所以作为支链氨基酸的研究倍受关注。

三、L-异亮氨酸的市场状况

鉴于L-异亮氨酸生产的高难度，L-异亮氨酸一直是氨基酸市场上的高价氨基酸，国内生产量不能满足市场的需求量。

1990年前，我国年需量为40吨，全部依赖进口，主要来自日本味之素公司和协和发酵公司。

1990年前，我国L-异亮氨酸年需求量则上升到150吨；1996年为止，24种国内外常用氨基酸原料药已部分实现了国产化，但L-异亮氨酸绝大部分仍依赖进口；目前，国内已有厂家进行批量生产L-异亮氨酸，但并不能满足国内市场的需求，虽然现在氨基酸国产化水平达到80%以上，但“三支链”氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）大部分还是用进口的，而且据国家有关部门预测，今后全国氨基酸输液的需求量还将增加，因此市场缺口较大。

四、L-异亮氨酸的生产方法及生产概况

（一）、L-异亮氨酸生产方法

L-异亮氨酸生产方法有提取法、化学合成法和发酵法三类，但目前在工业生产上实施的只有发酵法[10]。

由于化学合成法生产的L-异亮氨酸与其它异构体分离困难，因而未能实现工业化生产。

本研究中原料L-异亮氨酸粗品为发酵法生产分离所得。

（二）、L-异亮氨酸生产概况

目前，L-异亮氨酸的生产，国际上日本处于领先地位，生产厂家主要有味之素、协和发酵和田边制药三家。

我国的L-异亮氨酸发酵生产研究始于七十年代，九十年代初正式工业化生产，近10年来国内对发酵法生产L-异亮氨酸已有相关报道，但真正实现工业化的菌株很少，而且菌株产酸水平较国外先进水平有一定差距。

江西鹰潭生物化学制品厂是采用无锡轻工大学（现江南大学）技术最早生产L-异亮氨酸的厂家。

目前国内生产L-异亮氨酸的厂家还有湖北省宜昌三峡药业有限责任公司、无锡晶海氨基酸有限公司、江苏张家港亚太氨基酸有限公司等。

五、L-异亮氨酸的生产中存在的问题

随着人口老龄化问题的加剧和人们保健意识的增强，对氨基酸的需求也在逐年增加，随着对体内氨基酸代谢过程研究的深入，从90年代开始，支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）的营养作用已得到人们的关注。

但是，由于我国对氨基酸的研究起步较晚，与国外先进水平相比已有很大差距。

90年以前，我国药用L-异亮氨酸全部依赖于进口，主要来自于日本的味之素公司和协和发酵公司，目前，虽然国内已有厂家生产L-异亮氨酸，但仍然不能满足国内市场的需求。

我国氨基酸行业的主要竞争对手是日本，多年来与日本既竞争又合作。

前些年，在我国不能生产原料时，对方输入原料，同时输入生产技术。

现在我们可以生产原料了，对方则进行精加工。

所以国内企业在产品精加工方面应该重视，不仅仅停留在生产粗原料上。

国内原料企业应严格执行内控标准，改粗品生产为精品生产，变粗品出口为精品出口，以精品占领国际市场，获取更大利润。

与氨基酸发酵技术的发展相比较，分离、浓缩和纯化氨基酸产品的“下游”过程的技术发展显得不相适应。

通常，分离纯化的成本占到总成本的80%以上。

氨基酸的提取分离，常采用离子交换、等电点、电渗析、沉淀等方法。

其中，最常用的是离子交换法。

该法处理量较大、工艺成熟，但在分离之前必须对发酵液进行预处理，而且是分批操作，因此成本很高。

近年来，寻找新的氨基酸提纯分离方法的研究十分活跃，报道最多的是反应萃取、反向微胶团萃取和液膜萃取等。

目前，采用萃取方法，特别是反应萃取法分离氨基酸的研究方兴未艾，但大多仍处于实验室研究阶段，未见工业报道。

且低毒萃取剂的选择和萃取剂残留物对产品质量影响的问题尚未得到解决，由于氨基酸通常是作为输液用药物，因此这是个人们普遍关注的问题。

为此，萃取分离后，还必须对氨基酸进行多次纯化。

目前，国内药用产品存在着质量问题，如结晶产品粒度小、晶形差等问题。

因此在前人提取分离研究的基础上继续开展L-异亮氨酸纯化的结晶方法，为最终实现我国L-异亮氨酸工业化的低消耗、低成本、高效率，建立起具有竞争力的生产体系以及对我国氨基酸行业的发展有极其重要的意义。

六、结晶的简单介绍

（一）、常用的结晶方法

在工业生产中常用的生产方法有冷却结晶法、反应结晶法、蒸发结晶法、氧化还原-结晶液膜法、盐析结晶发、萃取结晶法。

冷却结晶法适用于溶解度随温度的降低而显著降低的物系，冷却洁净的过程基本上不出去溶剂，冷却的方法有自然冷却、间壁换热冷却及直接接触冷却。

反应结晶法是大多数情况下借助于化学反应产生难溶或不容固相物质的结晶方法。

蒸发结晶法适用于溶解度随温度变化不大或具有逆溶解度特性的物系，该方法是除去一部分溶剂的结晶过程，主要是使溶液在常压或减压下蒸发浓缩而达到过饱和。

盐析结晶是指在盐溶液体系中，加入某种电解质盐析剂,这种加入的盐析剂，其离子的水合作用比原溶液中其它盐较强,它使溶液中自由水分子数减小,从而提高溶液中欲结晶物质在溶液中的有效浓度，使欲结晶物质在溶液中结晶析出,这就是盐析结晶。

萃取结晶是替代溶液蒸发从盐水溶液中回收盐的新方法即向饱和盐水溶液中加入一种有机萃取剂利用该萃取剂与水的互溶性使盐结晶分离出来，该过程可在特定温度下完成。

（二）、有关重结晶方面的知识简介

重结晶方法是利用固体混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度不同而使其相互分离。

进行重结晶的简单程序是：

先将不纯固体物质溶解于适当的热的溶剂中制成接近饱和的溶液，趁热过滤除去不溶性杂质，冷却滤液，使晶体自过饱和溶液中析出，而易溶性杂质仍留于母液小，抽气过滤，将晶体从母液中分出，干燥后测定熔点，如纯度仍不符合要求，可再次进行重结晶，直至符合要求。

选择适当的溶剂对于重结晶操作的成功具有重大的意义，一个良好的溶剂必须符合下面儿个条件：

1、不与被提纯物质起化学反应

2、在较高温度时能溶解多量的被提纯物质而在室温或更低温度时只能溶解很少量；

3．对杂质的溶解度非常大或非常小，前一种情况杂质留于母液内，后一种情况趁热过滤时杂质被滤除；

4．溶剂的沸点不宜太低，也不宜过高。

溶剂沸点过低时制成溶液和冷却结晶两步操作温差小，团体物溶解度改变不大，影响收率，而且低沸点溶剂操作也不方便。

溶剂沸点过高，附着于晶体表面的溶剂不易除去。

5．能给出较好的结晶。

在几种溶剂都适用时，则应根据结晶的回收率、操作的难易、溶剂的毒性大小及是否易燃、价格高低等择优选用。

（三）、结晶过程的特点

1、能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中形成纯净的晶体。

对于许多其他方法难以分离的混合物系，采用结晶分离往往更为有效。

2、结晶过程可赋予固体产品以特定的晶体结构和形态，如：

晶形、粒度分布、堆密度等。

3、能量消耗少，操作温度低，对设备材质要求不高，一般亦很少有“三废”排放，有利于环境保护。

4、结晶产品包装、运输、贮存或使用都很方便。

参考文献

[1]张国伟，L-异亮氨酸高产菌选育及发酵优化的研究[D].无锡：

无锡轻工大学，1999：

1-19

[2]余传隆，氨基酸与人类健康[J].氨基酸与生物资源，1999，21（4）：

4-8

[3]史清河，支链氨基酸营养[J].饲料博览，2000，1：

23-27

[4]朱文军，陈宁，魏春，基于代谢流导向与分析的L-异亮氨酸发酵条件优化[J].天津轻工业学院学报，2003，18

（2）：

15-19

[5]张伟国主编，氨基酸生产技术及其应用.北京：

中国轻工业出版社，1997

[6]许正宏，陈小静，窦文方，营养及环境条件对黄色短杆菌WL-10发酵生产L-异亮氨酸的影响[J].食品与发酵工业，2002.28（5）：

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[7]宋文军