氨基酸的制備

氨基酸的制備方法幾乎所有的氨基酸分離純化工藝均利用了氨基酸在不同的pH值時電荷量不同這一特性。氨基酸的分離純化方法主要有:沉淀法、離子交換法、萃取法、吸附法、膜分離法及結晶法等。1、沉淀法沉淀法是最古老的分離、純化方法,目前仍廣泛應用在工業(yè)上和實驗室中。它是利用某種沉淀劑使所需要提取的物質在溶液中的溶解度降低而形成沉淀的過程。該方法具有簡單、方便、經濟和濃縮倍數高的優(yōu)點。氨基酸工業(yè)中常用沉淀法有等電點沉淀法，特殊試劑沉淀法和有機溶劑沉淀法。利用氨基酸的溶解度分離或等電點沉淀法在生產中常利用各種氨基酸在水和乙醇等溶劑中溶解度的差異,將氨基酸彼此分離。如胱氨酸和酪氨酸在水中極難溶解,而其它氨基酸則比較易溶;酪氨酸在熱水中溶解度大，而胱氨酸則無大差別。根據此性質，即可把它們分離出來,并且互相分開。另外,可以利用氨基酸的兩性解離有等電點的性質。由于氨基酸在等電點時溶解度最小,最容易析出沉淀,所以利用溶解度法分離氨基酸時,也常結合等電點沉淀法。特殊試劑沉淀法某些氨基酸可以與一些有機或無機化合物結合,形成結晶性衍生物沉淀,利用這種性質向混合氨基酸溶液中加入特定的沉淀劑，使目標氨基酸與沉淀劑沉淀下來,達到與其它氨基酸分離的目的。較為成熟的工藝有:揩氨酸與苯甲醛在堿性和低溫條件下,可縮合成溶解度很小的苯亞甲基精氨酸,分離這種沉淀,用鹽酸水解除去苯甲醛,即可得精氨酸鹽酸鹽;亮氨酸與鄰一二甲苯一4一磺酸反應,生成亮氨酸的磺酸鹽,后者與氨水反應得到亮氨酸;組氨酸與氯化汞作用生成組氨酸汞鹽的沉淀，再經處理就可得到組氨酸。特殊試劑沉淀法雖然操作簡單、選擇性強,但是由于沉淀劑回收困難,廢液排放污染嚴重，殘留沉淀劑的毒性等原因已逐漸被它方法取代。2、離子交換法離子交換法是利用不溶性高分子化合物（即離子交換樹脂對不同氨基酸吸附能力的差異對氨基酸混合物進行分組或實現單一成分的分離。離子交換樹脂是一種具有離子交換能力的高分子化合物。它不溶于水、酸和堿,也不溶于普通有機溶劑，化學性質穩(wěn)定。離子交換樹脂作為固定相,本身具有正離子或負離子基團,和這些離子相結合的不同離子是可電離的交換基團（或稱功能基團。在離子交換過程中,溶液中的離子自溶液中擴散到交換樹脂的表面,然后穿過表面,又擴散到交換樹脂顆粒內,這些離子與交換樹脂中的離子互相交換,交換出來的離子擴散到交換樹脂表面外,最后再擴散到溶液中去。這樣，當溶液和樹脂分離后,其組成都發(fā)生了變化，從而達到分離純化的目的。在生產中，在適當的pH條件下,如在pH=5?6的蛋白質水解液中，堿性氨基酸解離成陽離子，酸性氨基酸就解離成陰離子,而中性氨基酸基本上呈電中性。選擇適當的交換樹脂,就能實現單一的或者分組的選擇性吸附。然后用不同pH的洗脫液，可把各種氨基酸分別洗脫下來。離子交換法提取氨基酸處理量大,工藝較成熟。但由于該法是利用各種氨基酸之間等電點的差異,所以只有當欲被分離的混合氨基酸之間的等電點相差較大時才能較好的分開,對于等電點相近的混合氨基酸只能部分得以分開或根本就難以分離。另外,氨基酸離子在樹脂中的擴散速度較慢,因此一方面要求料液的流速較低，另一方面對于氨基酸濃度較高的料液在上離子交換柱前還要進行稀釋,這就必然導致所需的設備太大。3、萃取法反應萃取反應萃取就是選擇適當的反應萃取劑,其解離出來的離子與氨基酸解離出來的離子發(fā)生反應,生成可以溶于有機相的萃取配合物,從而使氨基酸從水相進入有機相。由于萃取劑與不同的氨基酸反應形成性質不同的萃合物,擴大了那些性質相近的氨基酸的性質差別,從而達到彼此分離和提純的目的。迄今為止,人們采用了兩種不同形式的反應萃取劑，一類是在低pH值下萃取氨基酸陽離子，另一種是在高pH值下萃取氨基酸陰離子。溶劑萃取由于氨基酸是離子型化合物,它們在非極性溶劑中的溶解度很低，因此物理萃取法難以用來提取氨基酸。近些年來先后開發(fā)了化學萃取法分離提取氨基酸,其中有機胺類和以有機磷酸為應用最多的兩大類萃取劑嗍,尤其是在有機磷酸為萃取劑的萃取過程研究很多,并開發(fā)大量的工藝過程。采用高級脂肪酸,如月桂酸、硬脂酸、棕櫚酸和油酸可以有效地萃取分離堿性氨基酸。這些脂肪酸無毒、價廉。但是,堿性氨基酸比較容易用離子交換法有效地分離。萃取法分離堿性氨基酸恐怕難有商業(yè)應用前景嗍。利用氨基酸不溶于水,而易溶于液氨的性質，發(fā)展了液氨萃取技術。應用這種技術,在蒸發(fā)了氨后,可獲得氨基酸的極好結晶。化學萃取法分離混合氨基酸主要也是利用不同氨基酸之間等電點差別,與離子交換法相似，只有當混合氨基酸之間的等電點相差足夠大時才能被萃取分離開,對于等電點相近的氨基酸如中性氨基酸,它們的等電點幾乎一致,因此化學萃取法是難以分離混合中性氨基酸的。反向微膠團萃取反向微膠團是溶在有機溶劑中的表面活性劑自發(fā)形成的納米級的一種聚體，表面活性劑的極性尾在外與非極性的有機溶劑接觸,而極性頭則排列在內形成極性核，極性核溶于水后就形成了“水池”。當含有氨基酸的水溶液與含反相微膠團的有機溶劑相混合時,氨基酸以帶電離子狀態(tài)進入反相微膠團的“水池”內或微膠團球粒的界面分子膜層內而被分離。反相微膠團對氨基酸具有相當強的萃取能力。氨基酸是以離子狀態(tài)被萃取的，不同帶電狀態(tài)的氨基酸離子的被萃取能力不同。pH變化對氨基酸萃取分配比的影響是通過改變氨基酸在水溶液中的電離狀態(tài)而影響氨基酸的總分配比的。水溶液中的離子強度變化則是影響氨基酸離子與表面活性劑之間的靜電作用強弱來影響氨基酸的被萃取能力的。反相微膠團對氨基酸的萃取由于反萃用的是離子強度更大的鹽溶液,所以反萃液尚需進一步將氨基酸與無機鹽分離,才能得到純的氨基酸。到目前為止大多數研究的只是適用于低鹽濃度的氨基酸料液如發(fā)酵液,對于同時含有多種氨基酸且鹽濃度高的料液如胱氨酸母液則不能適用。3.4液膜萃取液膜萃取,也稱液膜分離,是將第三種液體展成膜狀以便隔開兩個液相,利用液膜的選擇透過性，使料液中的某些組分透過液膜進入接受液,然后將三者各自分開，從而實現料液組分的分離.液膜分離過程是由三個液相所形成的兩個相界面上的傳質分離過程,實質上是萃取與反萃取的結合液膜萃取兼有溶劑萃取和膜滲透兩項技術的特點,按其結構可分為乳化液膜和支撐液膜兩大類。乳化液膜為液體表面活性劑形成的球面,將溶液分為內相和外相,液膜只有幾個分子厚,單位體積設備的表面積可達1000?3000m2/m3。乳狀液膜萃取法提取氨基酸是一種具有工業(yè)應用前景的分離氨基酸的新方法,它具有膜分離技術的優(yōu)點，在常溫下操作，能耗少,又不象固體膜需要高壓操作，存在膜污染老化而需經常清洗、維修和更換的麻煩。但是,目前大多數研究仍處于實驗室階段,未見工業(yè)報道。乳狀液膜萃取法要實現工業(yè)化,還必須研究解決萃取過程的乳化問題、低毒萃取劑的選擇和萃取劑殘留物對產品質量影響的問題及萃取平衡和傳質速率問題。支撐液膜是將起分離作用的液相借助毛細作用同定在多孔高分子膜中，由載體、有機溶劑（或稱稀釋劑和多孔高分子膜（或稱支撐體三個組分組成，其體系由料液、支撐液膜和反萃取液三個連續(xù)相組成,支撐液膜可以使萃取與反萃取在液膜的兩側同時進行，從而避免載體負荷的限制、減少了有機相的使用量,解決了乳化液膜的乳化液穩(wěn)定條件及破乳等問題。而且支撐液膜因其結構簡單的特點,可用于研究確定傳遞機理。4、吸附法吸附法是利用恰當的吸附劑，在一定的pH條件下，使混合液中氨基酸被吸附劑吸附,然后再用適當的洗脫劑將吸附的氨基酸從吸附劑上解吸下來,達到濃縮和提純的目的。常用的吸附劑有高嶺土、氧化鋁、酸性白土等無機吸附劑。吸附法具有很多優(yōu)點，如:不用或少用有機溶劑;操作簡便、安全，設備簡單;吸附過程pH變化小等。但是吸附法的選擇性差,收率低，特別是一些無機吸附劑性能不穩(wěn)定，不能連續(xù)操作，勞動強度大,尤其活性炭影響環(huán)境衛(wèi)生。所以吸附法曾有一段時間很少采用，幾乎被其它方法所代替。但隨著大孔網狀聚合物吸附劑的合成和不斷發(fā)展,吸附法又重新被人們重視。5、毛細電滲析電滲析也是對氨基酸發(fā)酵液脫鹽濃縮的常用方法。其中毛細電滲析以集成電路為基礎的毛細電滲析,通過添加少量溶解聚合物,可明顯提高肽縮氨酸和氨基酸的溶解與分離。毛細電滲析已成為一種應用廣泛的分離大范圍多種類無機或有機化合物的方法。它可以與傳統(tǒng)的色譜分離方法相媲美。因為它的高分離效率。6、膜分離法膜分離法可以實現混合溶液的分離是因為在膜和溶液的界面處存在以下機理：由于親水性等原因所引起的選擇性透過效應;與分子尺寸有關的篩分效應;膜與氨基酸的電荷效應。國外膜分離工藝已應用于乳制品工業(yè)。采用反滲透濃縮乳清，使用超濾法從乳清中制備濃縮蛋白質，使用微米膜分離乳清中的蛋白質、去除脫脂乳中的細菌，使用納濾膜去除乳清中的礦物質。近些年,又開始研究膜過濾分離蛋白質、肽和氨基酸的可行性。在人體的新陳代謝過程中存在大量生物膜滲透現象。研究氨基酸的膜分離不僅可以找出有效的生物分離技術,而且有助于加深對這些新陳代謝過