摘要：精氨酸是人體半必需氨基酸，在絕大多數(shù)人和動物體內(nèi)都能自身合成，也是一種重要的功能性氨基酸，廣泛的應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。文章介紹了精氨酸在代謝調(diào)控、心血管疾病、生殖系統(tǒng)等方面的主要生理功能和作用，綜述了現(xiàn)有的精氨酸生產(chǎn)方法、精氨酸發(fā)酵的最新研究進(jìn)展以及工業(yè)化生產(chǎn)存在的問題，為精氨酸的應(yīng)用及工業(yè)化生產(chǎn)提供了一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精氨酸 功能 發(fā)酵 進(jìn)展

中圖分類號：Q517 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5336（2015）06-0000-00

1 前言

精氨酸（Arginine），化學(xué)名稱是2-氨基-5-胍基戊酸，分子式為C6H14N4O2。精氨酸是一種α-氨基酸，是人體和動物體內(nèi)的半必需堿性氨基酸。精氨酸于1886年由瑞士化學(xué)家恩斯特·舒爾茨首次從扁豆幼苗提取物中分離得到[1]。精氨酸可以從任何含有蛋白質(zhì)的食物中攝取，正常情況下，人體可以在肝臟中自行合成精氨酸，其合成的速度能滿足肌體健康的需求。但是在長期的壓力、疾病感染或是創(chuàng)傷的情況下，精氨酸的自給能力降低，在這些時候精氨酸被認(rèn)為是至關(guān)重要的。早產(chǎn)兒體內(nèi)不能合成精氨酸，使得補(bǔ)充他們營養(yǎng)中的精氨酸變得非常重要。

2 精氨酸的功能

精氨酸是目前發(fā)現(xiàn)的一種最重要的功能性氨基酸，它除了合成機(jī)體組織蛋白，在生命機(jī)體內(nèi)還可以直接合成肌酸、多胺、一氧化氮等物質(zhì)，精氨酸在生命體多種代謝活動中發(fā)揮著重要作用。精氨酸是成年人和動物的條件性必需氨基酸，而對于某些幼年的人和動物，精氨酸是其正常生長所必需的氨基酸。

2.1 精氨酸在代謝調(diào)控中的作用

精氨酸是生命機(jī)體內(nèi)尿素循環(huán)的一種重要中間代謝產(chǎn)物，精氨酸對蛋白質(zhì)代謝或含氮化合物最終產(chǎn)物的傳送和排泄起著重要的作用。在生命體蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物的代謝過程中，所產(chǎn)生的不能再利用的廢棄物質(zhì)在還沒有成為毒性物質(zhì)之前，身體主要依靠尿液把它們排泄出去。精氨酸在尿素循環(huán)中產(chǎn)生了鳥氨酸，鳥氨酸可以再生精氨酸，從而使尿素循環(huán)能持續(xù)進(jìn)行。作為尿素循環(huán)的中間體，精氨酸具有調(diào)節(jié)整個身體氮平衡的關(guān)鍵作用，精氨酸可以避免由于氨中毒造成的代謝紊亂，是生命體生長過程中不可缺少的氨基酸。

L-精氨酸在人體代謝調(diào)控中具有重要的功能，它與生長激素、胰島素、胰高血糖素等激素誘導(dǎo)緊密相關(guān)，它是多種氨基酸和聚胺轉(zhuǎn)換為高能磷酸化合物——磷酸肌酸的中間體，利用L-精氨酸生命機(jī)體可以合成細(xì)胞漿蛋白和核蛋白[2]。

2.2 精氨酸在心血管疾病中的作用

精氨酸是生命體內(nèi)一氧化氮的前體，1998年三位美國科學(xué)家伊格納羅、莫拉特和費(fèi)奇戈特因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)一氧化氮在生物體內(nèi)的神奇作用而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。一氧化氮是內(nèi)源性細(xì)胞舒張因子（EDRF），缺乏EDRF是許多心血管疾病的一個主要因素。因此，補(bǔ)充精氨酸可以促進(jìn)一氧化氮的生成，舒張血管，降低血壓，有效的防治某些心血管疾病。臨床研究表明，精氨酸具有調(diào)節(jié)血壓、抗高血脂、抗脂質(zhì)過氧化、改善血液粘度和抗粥樣動脈硬化等功能，長期服用精氨酸可通過改善血脂代謝紊亂來防治冠心病等心血管疾病[3]。

2.3 精氨酸在生殖功能上的作用

1896年Kossel從魚精蛋白的水解液中發(fā)現(xiàn)了大量的精氨酸，約占其總氨基酸的80%，因此命名為“精氨酸”。國外很早就開展了有關(guān)精氨酸對生殖功能和作用機(jī)理及其在男性不育方面的研究。精氨酸是一種男性健康的保健氨基酸，精氨酸可以提高精子活力，改善精子質(zhì)量，為精子運(yùn)動提供動能[4，5]。精氨酸通過一氧化氮途徑，能擴(kuò)張動脈血管，美國輝瑞公司據(jù)此開發(fā)了稱為“偉哥”的治療陽痿的藥物。

2.4 精氨酸在其他方面的作用

精氨酸可以提高機(jī)體免疫力，補(bǔ)充精氨酸可以促進(jìn)胸腺中的淋巴細(xì)胞增長，精氨酸通過一氧化氮途徑與許多生理現(xiàn)象如神經(jīng)元活動、抗血小板聚集等有關(guān)，能夠調(diào)節(jié)一系列免疫過程，對機(jī)體起著全方位的保護(hù)作用，對多種疾病均有較好的療效[6]。

精氨酸在肌肉生長代謝過程中具有重要的作用。在運(yùn)動過程中，精氨酸能促進(jìn)肌肉內(nèi)蛋白質(zhì)合成，減少脂肪，具有減肥的功效。

此外，精氨酸也廣泛用于制作營養(yǎng)供給、特殊治療用要素膳、運(yùn)動補(bǔ)充劑的重要原料。近年來國內(nèi)外興起開發(fā)的營養(yǎng)保健飲料，多數(shù)均含有精氨酸，用于達(dá)到補(bǔ)充營養(yǎng)及強(qiáng)健身體的目的。精氨酸谷氨酸鹽是忌鈉患者的最佳調(diào)味品。精氨酸具有保濕、抗菌性強(qiáng)、毒性低等特點(diǎn)，在化妝品和頭發(fā)護(hù)理中都具有廣泛的應(yīng)用。

3 精氨酸的生產(chǎn)方法

目前，精氨酸的生產(chǎn)方法主要有三種：化學(xué)合成法、水解提取法、發(fā)酵法。

化學(xué)合成法是利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行有機(jī)合成的化學(xué)工程技術(shù)生產(chǎn)或制備氨基酸的方法，精氨酸的分子結(jié)構(gòu)于1910年已經(jīng)清楚并能進(jìn)行人工合成[7]。

水解提取法是以含有精氨酸的蛋白為原料，經(jīng)酸水解、分離制備。豬毛、豬皮、魚精蛋白、魚皮、魚骨等都含有豐富的精氨酸，作為水解制備精氨酸的原料是非常豐富的，但是由于該法操作費(fèi)時、收率低，存在嚴(yán)重的環(huán)保問題，而很難廣泛開展大規(guī)模生產(chǎn)。我國目前精氨酸生產(chǎn)主要還是采取水解提取法生產(chǎn)。

發(fā)酵法是使用葡萄糖作為碳源和主要原料，通過對微生物菌種的改造處理，借助微生物的代謝合成作用過量合成目標(biāo)氨基酸——精氨酸。發(fā)酵法克服了水解提取法所存在收率低和污染大的缺點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。隨著對發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸研究的不斷進(jìn)展，發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸已逐漸處于主導(dǎo)地位，目前國際上精氨酸生產(chǎn)主要使用發(fā)酵法生產(chǎn)。

4 精氨酸發(fā)酵研究現(xiàn)狀

發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸就是利用微生物具有代謝合成自身所需氨基酸的能力，選育出具有過量積累 L-精氨酸能力的特異菌株，并利用該菌株進(jìn)行代謝生產(chǎn)精氨酸。目前搜集到的國內(nèi)外的文獻(xiàn)報道，精氨酸生產(chǎn)菌多是通過菌種選育，得到合適的出發(fā)菌株，利用紫外誘變和化學(xué)誘變的方法，進(jìn)一步篩選出高產(chǎn)的精氨酸菌株。

4.1 國外的研究進(jìn)展

國際上對發(fā)酵生產(chǎn)精氨酸的研究已有幾十年的歷史，日本對發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸的研究起步比較早，使得日本在發(fā)酵生產(chǎn)精氨酸技術(shù)方面也處于世界領(lǐng)先。1971年，Masahiko等選育出一株具有精氨酸氧肟酸鹽抗性的枯草芽孢桿菌突變株，通過發(fā)酵生產(chǎn)可以累積4.5g/L的L-精氨酸[8]。1972年，Nakayama等通過對谷氨酸棒桿菌進(jìn)行誘變處理，得到一株D-精氨酸抗性、精氨酸氧肟酸鹽抗性、D-絲氨酸敏感、異亮氨酸缺陷的突變株，L-精氨酸發(fā)酵產(chǎn)酸可達(dá)到19.6g/L[9]。1973年Kubota等通過對黃色短桿菌進(jìn)行誘變處理，得到一株2-噻唑丙氨酸抗性、鳥嘌呤缺陷型的突變株，發(fā)酵72小時，精氨酸產(chǎn)酸可達(dá)34.8g/L[10]。1978年，Kisumi等以野生型粘質(zhì)沙雷菌Sr41為出發(fā)菌，選育出L-精氨酸合成酶系去阻遏型代謝突變株和N-乙酰谷氨酸合成酶解除L-精氨酸反饋抑制型代謝突變株，通過噬菌體作為轉(zhuǎn)導(dǎo)中介，得到重組體菌株，該菌株發(fā)酵72小時產(chǎn)精氨酸25g/L[11]。1991年，Aruma等通過對谷氨酸棒桿菌進(jìn)行誘變處理，得到一株具有精氨酸氧肟酸鹽抗性、D-精氨酸抗性、6-氮尿嘧啶抗性、乙基半胱氨酸抗性、D-絲氨酸敏感的精氨酸高產(chǎn)菌H-7096，經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)72小時，精氨酸產(chǎn)酸可以達(dá)到66g/L[12]。

4.2 國內(nèi)的研究進(jìn)展

我國發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸的研究始于20世紀(jì)80年代，國內(nèi)研究大多采用傳統(tǒng)的誘變育種的方法，并通過對發(fā)酵條件的優(yōu)化來提高精氨酸的產(chǎn)酸水平。1988年，龔建華等通過對鈍齒棒狀桿菌進(jìn)行誘變處理，得到一株具有對磺胺胍抗性、組氨酸缺陷的精氨酸生產(chǎn)菌971.1，并對該菌株的發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化，使得該菌株發(fā)酵培養(yǎng)96 小時，產(chǎn)酸最高可達(dá)34g/L[13，14]。2003年，蘇令鳴等通過對黃色短桿菌進(jìn)行誘變處理，得到一株精氨酸生產(chǎn)菌AN78，發(fā)酵產(chǎn)精氨酸可以達(dá)到61.1g/L[15]。國內(nèi)還有很多學(xué)者和專家對發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸進(jìn)行了研究和菌株篩選，但普遍水平不高。

5 精氨酸發(fā)酵生產(chǎn)亟待解決的問題

近幾年，隨著人們對精氨酸多種功能及應(yīng)用的廣泛關(guān)注，發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸的生產(chǎn)技術(shù)也引起了廣大學(xué)者和科技工作者的極大興趣，發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸技術(shù)研究也得到了廣泛開展。但是，我國精氨酸發(fā)酵的實(shí)際生產(chǎn)水平與世界先進(jìn)水平相比還有較大差距，目前國內(nèi)僅有少數(shù)生產(chǎn)廠家采用發(fā)酵法生產(chǎn)，市場上的產(chǎn)品仍以水解提取法為主。目前精氨酸發(fā)酵生產(chǎn)亟待解決的問題有：

（1）精氨酸菌種產(chǎn)酸水平不高，轉(zhuǎn)化率較低，生產(chǎn)成本較高。目前國內(nèi)發(fā)酵生產(chǎn)水平普遍在40～50g/L，轉(zhuǎn)化率僅20%左右，生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水解提取法，這也是制約我國精氨酸發(fā)酵工業(yè)化生產(chǎn)的最主要因素。因此，開展高產(chǎn)菌株的改良研究、提高精氨酸發(fā)酵水平并趕超國際水平具有非常重要意義。

（2）提取工藝復(fù)雜、分離純化成本較高。目前國內(nèi)精氨酸發(fā)酵提取工藝與水解提取工藝類似，采取多次結(jié)晶的方法來提高產(chǎn)品純度，造成提取純化成本較高，或者是產(chǎn)品純度較低。因此，選取合適的提取工藝路線、開展提取純化工藝研究、提高提取收率和產(chǎn)品純度也是亟待研究解決的問題。

（3）環(huán)保問題。由于我國精氨酸發(fā)酵生產(chǎn)仍處于較低水平，發(fā)酵生產(chǎn)規(guī)模一般較小，提取純化難度較大，在提取過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物很難綜合再利用，給環(huán)境保護(hù)造成較大壓力。如何充分合理利用發(fā)酵液提取過程中的菌體蛋白、過濾原液、結(jié)晶母液，降低污染物排放，是精氨酸工業(yè)化生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

（4）重組菌株的遺傳改造以及基因工程菌的構(gòu)建研究仍處于起步階段，離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過將攜載精氨酸生物合成關(guān)鍵酶基因的重組DNA片段導(dǎo)入特定生產(chǎn)菌中，可以進(jìn)一步提高精氨酸菌株的生產(chǎn)能力。目前該項(xiàng)研究仍處于較低水平，還需進(jìn)一步開展穩(wěn)定的高產(chǎn)酸的基因工程菌的構(gòu)建及工業(yè)化生產(chǎn)的可行性研究。

6 展望

精氨酸是功能最多的氨基酸之一，具有巨大的應(yīng)用價值，吸引了不少專家學(xué)者致力于精氨酸的開發(fā)應(yīng)用。我國目前精氨酸生產(chǎn)主要是以水解法為主，操作環(huán)境差、收率低、成本高、質(zhì)量低，一些高品質(zhì)的精氨酸主要依靠進(jìn)口，大大限制了精氨酸在食品、醫(yī)藥等行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，精氨酸仍然是我國氨基酸工業(yè)的“瓶頸氨基酸”。統(tǒng)計表明，精氨酸的年需求量正以25%的速率遞增，尤其是在醫(yī)藥和健康食品領(lǐng)域，精氨酸是近年來極為熱門的功能性氨基酸，精氨酸的國內(nèi)外市場前景向好。隨著發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸的不斷研究以及分子生物學(xué)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，發(fā)酵法生產(chǎn)精氨酸將逐步取代水解提取法，進(jìn)一步完善我國氨基酸發(fā)酵的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對拓展國內(nèi)外市場、豐富我國國產(chǎn)高品質(zhì)氨基酸具有重要意義。

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收稿日期：2015-03-20

作者簡介：蔡瑞燕（1984—），女，漢族，廣東潮陽人，大專學(xué)歷，助理工程師，主要從事食品生物技術(shù)方面工作。