赖氨酸

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赖氨酸(Lysine)的化学名称为2,6-二氨基己酸。赖氨酸为碱性必需氨基酸。由于谷物食品中的赖氨酸含量甚低,且在加工过程中易被破坏而缺乏,故称为第一限制性氨基酸。 [1] 
赖氨酸是人类和哺乳动物的必需氨基酸之一,机体不能自身合成,必须从食物中补充。赖氨酸主要存在于动物性食物和豆类中,谷类食物中赖氨酸含量很低。 [2]  赖氨酸在促进人体生长发育、增强机体免疫力、抗病毒、促进脂肪氧化、缓解焦虑情绪等方面都具有积极的营养学意义,同时也能促进某些营养素的吸收,能与一些营养素协同作用,更好的发挥各种营养素的生理功能。 [2] 
中文名
赖氨酸
外文名
Lysine
别    称
第一限制性氨基酸
分子式
C6H14N202

赖氨酸存在形式

按光学活性分,赖氨酸有L型(左旋)、D型(右旋)和DL型(消旋)3种构型。只有L型才能为生物所利用。
L-赖氨酸的有
赖氨酸 赖氨酸
效成分含量一般为77%-79%。单胃动物完全不能自行合成赖氨酸,不参加转氨基作用。D-氨基酸和L-氨基酸的氨基被乙酰化以后,才可受D-氨基酸氧化酶或L-氨基酸氧化酶的作用而脱氨基,脱氨基后的酮酸不再起氨基化作用,即脱氨基反应不可逆,因此,在动物营养上常常表现为不足。 [3] 

赖氨酸理化性质

通常所说的赖氨酸均指L型。L型赖氨酸呈针状晶体,在210℃变暗,在224.5℃下分解,易溶于水,微溶于醇,不溶于醚。 [4] 

赖氨酸生化代谢

赖氨酸只有L-型被生物体吸收。游离的赖氨酸易吸收空气中的二氧化碳,制取结晶比较困难,一般商品都以赖氨酸盐酸盐的形式存在。赖氨酸易溶于水,与其它氨基酸相比,赖氨酸是通过口服最容易吸收的一种。摄入体内的赖氨酸,首先以主动转运的方式从小肠腔进入小肠粘膜细胞,然后通过门静脉进入肝脏;在肝脏,赖氨酸与其它氨基酸一起参与蛋白质的合成。赖氨酸的分解代谢也在肝脏中进行,它与酮戊二酸缩合形成酵母氨基酸,酵母氨基酸再转变为L-α-氨基己二酸半醛,最终转化生成乙酰辅酶A。与其它氨基酸不同,赖氨酸不参与转氨基作用,且脱氨基反应不可逆,因此赖氨酸的分解代谢极为特殊。赖氨酸是生糖兼生酮氨基酸,因此可以参与形成D-葡萄糖、糖原、脂类,最终产生能量。 [2] 
人体吸收实验显示,赖氨酸补充剂的吸收率与食物蛋白质中赖氨酸的吸收率相同,说明赖氨酸补充剂是改善膳食赖氨酸缺乏的一个有效途径。研究发现,在进食后的5-7小时内,赖氨酸被快速转运到肌肉组织。与其它必需氨基酸不同,赖氨酸更多蓄积在肌肉组织的细胞内,提示肌肉组织是游离赖氨酸在体内的贮存库。在所有必需氨基酸中,赖氨酸在体内的贮存最多。 [2] 

赖氨酸生物合成途径

赖氨酸的生物合成途径是1950年以后逐渐被闸明的。赖氨酸的生物合成途径与其他氨基酸不同,依微生物的种类而异。细菌的赖氨酸生物合成途径需要经过二氨基庚二酸(DAP)合成赖氨酸。酵母、莓菌的赖氨酸生物合成途径,需要经过α-氨基己二酸合成赖氨酸。同样是二氨基庚二酸合成赖氨酸途径,不同的细菌,赖氨酸生物合成的调节机制有所不同。 [5] 

赖氨酸天冬氨酸途径

天冬氨酸经过反应合成二氨基庚二酸(ADP),进而合成赖氨酸 [6] 
赖氨酸生物合成途径 赖氨酸生物合成途径 [1]
酵母中的赖氨酸合成途径需天冬氨酸经过反应合成α-氨基乙二酸,α-氨基乙二酸由lysXlysZlysYlysJargDlysKargE基因产物催化生成乙酰化中间体N-乙酰-L-α-氨基乙二酸等生成赖氨酸。 [7] 
天冬氨酸途径又称二氨基庚二酸途径,此途径多存在细菌、绿藻、原虫和高等植物中,还可以合成苏氨酸、蛋氨酸和异亮氨酸 [8] 

赖氨酸α-氨基己二酸途径

由2-酮戊二酸和乙酰辅酶A经由α-氨基乙二酸途径合成。五步反应是由异柠檬酸合酶、乌头酸合酶/顺乌头酸合酶、乌头酸脱氢酶进行催化,2-酮戊二酸和乙酰辅酶A生成α-氨基乙二酸。第二个反应中,α-氨基乙二酸由α-氨基乙二酸还原酶、酵母氨酸还原酶和酵母氨酸脱氢酶催化生成赖氨酸。 [7] 
α-氨基乙二酸途径在高等真菌和古细菌中存在。 [7] 

赖氨酸食物来源

赖氨酸是组成蛋白质的成分之一,一般富含蛋白质的食物中都含有赖氨酸
坚果 坚果
,富含赖氨酸的食物为动物性食物(如畜禽类的瘦肉、鱼、虾、蟹、贝类、蛋类和乳制品)、豆类(包括大豆、杂豆及其制品)。此外,杏仁、榛子、花生仁、南瓜子仁等坚果中赖氨酸含量也比较多。谷类食物中赖氨酸含量很低,且易在加工过程中被破坏,因此是谷类的第一限制性氨基酸。 [2] 

赖氨酸人体需要量

不同人群(婴幼儿、少年、成人)对赖氨酸的需要量不同。2005年,美国食品营养委员会基于当时研究结果,将成人赖氨酸需要量定为31 mg·kg-1·d-1 [2] 
2007年,WHO/FAO/UNU专家委员会根据相关人体试验的研究结果,确定赖氨酸需要量为30 mg·kg-1·d-1,该值目前被普遍认可。WHO/FAO确定的婴幼儿、少年的赖氨酸需要量为(mg·kg-1·d-1):1月龄(119)、2月龄(87)、3月龄(75)、4月龄(68)、6月龄(65)、1-2岁(45)、3-10岁(35)、11-14岁(35)、15-18岁(33)。目前,我国尚未制定符合中国居民膳食习惯的人群膳食赖氨酸推荐摄入量标准。 [2] 

赖氨酸消化率和利用率

D-利和L-型赖氨酸的吸收效率是不同的,D-赖氨酸几乎不能被吸收利用,具有生物活性的主要是L-赖氨酸。赖氨酸的ε-氨基非常活泼,容易与饲料中的活性羰基基团结合而生成难以被吸收利用的复合物。 [3] 

赖氨酸营养生理功能

赖氨酸可以调节人体代谢平衡,赖氨酸为合成肉碱提供结构组分,而肉碱会促使细胞中脂肪酸的合成。向食物中添加少量的赖氨酸,可以刺激胃蛋白酶与胃酸的分泌,提高胃液分泌功效,起到增进食欲促进幼儿生长与发育的作用。赖氨酸还能提高钙的吸收及其在体内的积累,加速骨骼生长。如缺乏赖氨酸,会造成胃液分泌不足而出现厌食、营养性贫血,致使中枢神经受阻、发育不良。赖氨酸在医药上还可作为利尿剂的辅助药物,治疗因血中氯化物减少而引起的铅中毒现象,还可与酸性药物(如水杨酸等)生成盐来减轻不良反应,与蛋氨酸合用则可抑制重症高血压病,还有研究表明,补充赖氨酸能加速疱疹感染的康复并抑制其复发。 [1] 
参与机体蛋白质的合成
lysine lysine
赖氨酸作为机体必需氨基酸,参与体内骨骼肌、酶、血清蛋白、多肽激素等多种蛋白质的合成。 [2] 
参与能量代谢
赖氨酸在体内参与肉碱的生物合成。肉碱在脂肪代谢中起着重要作用,是脂肪代谢的必需辅助因子。赖氨酸是合成肉碱的前体物质之一,因此补充赖氨酸可以加快体内的脂肪代谢。赖氨酸具有极强的通过血脑屏障的功能,可直接进入脑组织,影响呼吸链,为神经细胞的修复和进行正常生理活动提供必要的能量来源。 [2] 
促进矿物质的吸收和骨骼生长
赖氨酸可与钙、铁等矿物质元素螯合形成可溶性的小分子单体,促进这些矿物质元素的吸收。 [2] 
增强免疫功能
赖氨酸被认为是一种非特异性的桥分子,它能将抗原与T细胞相连,使T细胞产生针对抗原的特异效应。 [2] 
治疗单纯疱疹病毒感染
研究还发现,补充赖氨酸能治疗单纯疱疹病毒感染。 [2] 

赖氨酸发酵工艺

赖氨酸发酵法可分为二步发酵法(又称前体添加法)和直接发酵法两种。 [1] 

赖氨酸二步发酵法

二步发酵法是20世纪50年代初开发的,二步发酵法以赖氨酸的前体二氨基庚二酸为原料,借助微生物生产的酶(二氨基庚二酸脱羧酶)脱羧后转变为赖氨酸。由于二氨基庚二酸也是用发酵法生产的,所以称步发酵法。70年代后,日本采用固定化二氨基庚二酸脱羧酶或含此酶的菌体,使内消旋2,6-二氨基庚二酸脱羧连续生产赖氨酸,改进了这一工艺。尽管这样,该工艺仍较复杂,现已被直接发酵法取代。 [1] 

赖氨酸直接发酵法

直接发酵法是一种广泛采用的赖氨酸生产法。常用的原料为甘蔗或甜菜制糖后的废糖蜜、淀粉水解液等廉价糖质原料。此外,醋酸,乙醇等也是可供选用的原料。直接发酵法生产赖氨酸的主要微生物有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌的突变株。这种方法是在20世纪50年代后期开发的,70年代以来,由于育种技术的发展,选育出了一些具有多重遗传标记的突变株,使工艺日趋成熟,赖氨酸的产量也成倍增长。工业生产中最高产酸率已提高到每升发酵100-120g,提取率达到80%-90%左右。 [1] 

赖氨酸生产现状

L-赖氨酸最初是从蛋白质水解物中分离得到的,蛋白质水解法一般
赖氨酸 赖氨酸
以动物血粉为原料,此法特点是工艺简单,但原料来源有限,仅适合小规模生产。后又出现了化学合成法、酶法,使用的合成法主要有荷兰的DMS法和日本的东丽法,此法最大缺点是使用剧毒原料光气,可能残留催化剂,产品安全性差,存在严重的环保问题。1960年,日本首先采用微生物发酵法生产。微生物发酵生产氨基酸是人为地解除氨基酸生物合成的代谢控制机制,使其积累大量所需氨基酸。氨基酸的L型立体专一性决定了发酵法生产氨基酸较化学合成的工艺更简单、快捷。我国于20世纪60年代中期开始进行赖氨酸菌株选育和发酵的研究,但因产量较低难以工业化。直到70年代末80年代初世界赖氨酸实现工业化后我国研究才取得突破。目前,世界生产赖氨酸的企业大多采用发酵法,生产的为L-型赖氨酸,生产工艺已基本成熟。 [8] 
用于工业上发酵生产赖氨酸的菌株主要是棒状杆菌和短杆菌等细的变异株,棒状杆菌具有极高的经济价值,其中谷氨酸棒状杆菌应用最为广泛。此外,赖氨酸生产还有应用大肠杆菌、黄色短杆菌、酿酒酵母、乳酸发酵短杆菌、假丝酵母等的报道。 [8] 
生产赖氨酸的微生物主要有四类:野生型、营养突变型、调节突变型和营养调节突变型。工业上通过优化发酵菌种(诱变和基因工程手段)和改变发酵条件(搅拌速度、pH、溶氧、温度和CO2)来提高赖氨酸产量。获得高产微生物菌株的方法主要有传统诱变方法(紫外线x射线氮芥和亚硝基酯等)、原生质体融合和基因工程方法等。据报道,经过诱变菌株产生的赖氨酸提高40%-50%。诱变菌株以价格低廉的碳源为发酵原料,如各种淀粉水解糖、蜜糖、醋酸和乙醇等,发酵生产赖氨酸,通过分离、浓缩、蒸发、结晶、干燥生产工艺获得饲料级赖氨酸、再精制可得到食品级、医药级产品。 [8] 
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参考资料
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科学百科农业科学分类 中国食品科学技术学会 科学 学科