【背景及概述】[1][2]
色氨酸的化学名称为α-氨基-β-吲哚丙酸，有3 种同分异构体：L 型、D 型和消旋体DL 型。1825 年，色氨酸首次被发现，1902 年，由Hokinst 首次从酪蛋白中分离获得。其分子式为C11H12N2O2，分子量为204.23，白色晶体或者微黄色片状晶体或粉末，无味右旋体或有特殊甜味，溶于水或者热乙醇，不溶于氯仿、乙醚，在稀酸或稀碱中稳定。与水一起加热，会产生少量吲哚，在有NaOH、CuSO4存在的条件下加热，则会分解产生大量吲哚。若迅速加热至210 ℃时颜色会变黄，290 ℃时发生分解反应，长时间光照则会发生着色反应。L-色氨酸是人体和动物所必需的8 种必需氨基酸之一，不能通过自身合成。所以，人和动物只能通过食物来摄取L-色氨酸。D-色氨酸主要存在于植物和微生物之中，动物中含量极少，而且在人体内几乎不发生代谢作用，也无毒性。L-色氨酸又被称为第二必需氨基酸，目前广泛应用于医药、食品、饲料添加剂以及农业环境检测等行业。目前，L-色氨酸的重要性越来越受到人们的重视。而且现在L-色氨酸的应用不仅局限在传统的医药、食品、饲料添加剂行业，在一些新领域也逐渐有了更多应用，例如氨基酸美白剂逐渐应用到化妆品行业；作为健康饮品的许多氨基酸饮料不仅在欧美等发达国家流行，现在也逐渐开始进入我国的饮料市场，并为大众所接受。随着科学技术的进步，相信人们对色氨酸的用途会有更多的探究和发现。而且随着基因工程、代谢工程以及定向进化技术的发展，人们可以更好地了解色氨酸的生物合成途径及调控机制，进一步加强优良的产酸菌株的构建，结合发酵工艺的不断完善，L-色氨酸的市场前景十分广阔。
【生理功能】[3]
1.免疫功能
色氨酸与畜禽机体的免疫功能密切相关。例如，在猪发生慢性肺炎时，其血浆色氨酸水平逐渐降低；在饲粮中添加0.04% 的L-色氨酸可显著提高蛋雏鸭的脾脏指数，添加0.06% 的L-色氨酸可显著提高其胸腺指数；在鸡饲粮中添加L-色氨酸可显著提高干扰素和免疫球蛋白G( IgG) 的水平，显著增强机体对传染性法氏囊病的免疫保护；在饲粮中添加0.05% 的L-色氨酸，可显著增加蛋鸭的胸腺、法氏囊和脾脏等免疫器官的重量；在饲粮中添加L-色氨酸，可显著提高扬州鹅的脾脏指数，并通过刺激IgG 和免疫球蛋白M( IgM) 分泌提高其体液免疫能力。由上可以推断，当发生炎症反应时机体对色氨酸的需要量增加，色氨酸的分解代谢增强；在饲粮中添加一定剂量的色氨酸有助于畜禽免疫器官的发育，提高机体免疫力。色氨酸代谢产生的5-HT、N-乙酰血清素和褪黑色素，可通过清除自由基来阻止核转录因子kappa B ( NF-κB ) 的入核从而抑制肿瘤坏死因子- α( TNF-α) 产生，进而增强机体的免疫功能。另外，N-乙酰血清素可通过调节一氧化氮合酶而影响诱导型NO 合成，从而调节机体免疫功能。色氨酸分解代谢可促进骨髓T 淋巴细胞前体分化为成熟的T 淋巴细胞，T 淋巴细胞的分化和代谢产物对B 淋巴细胞的成熟又具有重要作用，进而影响B 淋巴细胞分泌IgG 的能力。
2.抗氧化功能
近年来的一些报道表明，色氨酸与机体的抗氧化功能存在一定联系。在饲粮中添加0.18% 的色氨酸可提高黄羽肉种鸡血清中超氧化物歧化酶( SOD) 活性和谷胱甘肽( GSH) 含量，显著提高血清中谷胱甘肽过氧化物酶( GSH-Px )活性。色氨酸的抗氧化功能与褪黑激素有关。褪黑激素是一种广泛分布的多功能激素，其抗氧化功能已被很多研究证实。褪黑素本身是富含电子的芳香族吲哚环，可以与亲电子自由基反应，清除多种自由基，起到抗氧化作用。另外，褪黑激素被氧化后形成的环型3-羟基硫酸褪黑素、6-羟基硫酸褪黑素及N-乙酰基-N-甲酰基- 5-甲氧基脲胺等各级代谢产物也具有抗氧化能力。这些代谢产物主要是通过提供自由电子清除活性氧，或者增强SOD 和GSH-Px 活性来抑制机体的过氧化反应。
【应用】[1]
1. 色氨酸在医药研究方面的应用
色氨酸在医药行业的应用一直是医药界的研究热点。色氨酸及其代谢产物能够广泛参与到生物体内的新陈代谢过程，在色氨酸的分解代谢过程中可以产生多种生理活性物质，如5-羟色胺( 5-HT) 、色素、烟酸、吲哚乙酸、生物碱、辅酶、褪黑素和植物激素等。这些代谢产物能够广泛参与到人体的各项生理活动，同时会参与众多的生理调节。近年来研究发现，色氨酸不只用来制作氨基酸注射液，对于抑郁症、高血压及疼痛都有良好的效果，在欧美一些国家已经广泛应用于临床治疗。临床研究发现，色氨酸与铁剂、维生素合用可增强它们治疗运动性贫血的疗效，与组氨酸一起使用还可以治疗消化道溃疡。
2. 色氨酸在饲料添加剂行业的应用
色氨酸是饲料市场上的除酪氨酸和蛋氨酸之外的三大氨基酸饲料添加剂之一。如果禽类体内L-色氨酸供应不足时，动物体内会出现一系列不适应症状，如脂肪积累速度减缓、机体生长缓慢，公畜有时候会出现睾丸发育不良等现象。而且，在饲料中添加微量的L-色氨酸就可以达到促进动物体体重增加的目的，具有良好的效果。色氨酸可以参与体内脂肪代谢、降低动物肝脏脂肪含量，从而达到提高禽畜肉类的瘦肉比例的目的，还可以降低禽畜发生攻击性行为的可能性。作为L-色氨酸中间代谢产物之一的尼克酰胺，将其制成饲料添加剂，能够显著提高家禽的生长速度，同时可以预防动物体发生尼克酸胺缺乏症。另外一种代谢中间物5-羟色胺可以促进动物体产生γ-球蛋白、增强禽畜的抗病能力等。虽然色氨酸作为饲料添加剂的效果良好，但是在大规模应用方面还是有其不足之处。主要是因为目前色氨酸生产工艺水平不高，不能大规模地生产L-色氨酸，所以存在成本限制，所以现在只是应用到仔猪饲料添加剂中。
3. 色氨酸在食品行业的应用
人体也不能自身合成L-色氨酸，为了满足自身需要，需要从外界获取L-色氨酸，而来源主要就是食物。色氨酸在人及动物的体内代谢过程发挥着重要的作用，所以色氨酸又称为第二必需氨基酸。色氨酸在食物添加剂的应用方面现在越来越受到人们的重视。在国内外很多地方，已经将色氨酸制作为食品添加剂，人体摄入之后会对人体生理活动有许多积极作用，比如可以提高机体对植物蛋的利用效率，加速蛋白分解利用。另外，色氨酸容易与金属离子发生作用，作为一种螯合剂来使用时，经常用作防腐剂，添加到奶粉中防止变质或用作鱼类保鲜剂。
4. 色氨酸在农业以及环境监测方面的应用
色氨酸在农业害虫防治方面也有一定应用，例如L-色氨酸可以使南方毛虫拒食死亡。色氨酸还可以加入到水杨酸和环磷酸中作为稳定剂，能够增强其杀虫效果。色氨酸具有吲哚环，具有良好的荧光吸收性，是荧光性最强的氨基酸，因此可用于检测生物生态系统及自然环境中有毒金属离子。色氨酸对环境有高度敏感性，某些物质极微小的极性变化也可以使吸收光谱发生变化，因此，将色氨酸作为极性探针，可以检测环境中某些成分的极性变化。
【制备】[1]
传统生产色氨酸的方法主要是化学合成法和蛋白质水解法，随着生产技术的不断进步，现在占据市场主导地位的方法是很多公司采用的微生物法生产L-色氨酸。微生物法主要包括酶法、直接发酵法和微生物转化法。
1. 酶法：酶法主要是指利用微生物中的色氨酸生物合成酶系的催化功能来生产L-色氨酸。酶法生产色氨酸的方法主要用到的酶包括色氨酸合成酶、丝氨酸消旋酶等。根据提供所需酶的微生物种类数，酶法主要分为单菌酶法和双菌酶法。现在工业生产L-色氨酸的工程菌包括大肠杆菌、透明无色杆菌、谷氨酸棒状杆菌、恶臭假单胞菌等。该方法是在发酵过程中直接加入细胞壁溶解酶，破坏其细胞壁，然后直接使用菌体裂解出来的酶，同样也可以将所需的酶固定提纯化后再使用。而且酶法生产色氨酸过程中需要的前体物不是必须是自然原始材料，即使是化工合成的前体物也可以作为生产原料，这就大大降低了生产成本；与此同时，酶法合成还具有产物纯度高、副产物少、收率高、易操作等优点。目前日本三井化学公司是世界色氨酸生产市场最大的公司之一。三井公司利用酶法来生产色氨酸所需要的原料主要是吲哚和丝氨酸，但因为L-色氨酸合成酶和丝氨酸消旋酶活性较低，所以此法生产L-色氨酸的效率不高。以丙酮酸、吲哚和氨作为原料的酶法途径生产L-色氨酸，由于丙氨酸的价格低廉，而且底物之一的吲哚对酶活性影响较小，所以此法有具有一定的应用前景和发展潜力。
2. 直接发酵法：直接发酵法的碳源供体是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉价原料为主，采用高效的色氨酸生产菌株，控制发酵条件，直接积累L-色氨酸，因此直接发酵法也是微生物法的一种。但是因为在微生物体内，葡萄糖逐步代谢直至合成L-色氨酸的调控机制也比较复杂，一直以来都难以直接从自然界中获得高产的色氨酸生产菌株。所以，选育优良的菌种是直接发酵法能否成功的关键。另外，在微生物体内，色氨酸的生物合成途径代谢流很弱，合成过程需要持续添加多种前体物L-丝氨酸、谷氨酰胺等，若要获得可观的L-色氨酸产量只有将前体物维持在较高的比例才能达到目的。在色氨酸的生物合成过程中存在多种调节机制，不仅有反馈阻遏和反馈抑制等粗调节系统，还有一种细调系统———弱化子系统。近年来，随着DNA 重组技术在微生物育种方面的应用越来越广泛，为构建高效的基因工程菌和产酸水平的提高提供了良好的技术支持，使直接发酵法逐渐成为了一种低成本的工业化生产方法。利用直接发酵法来生产色氨酸也有其自身不足之处，主要表现在产物复杂，造成后期目的产物分离提纯困难、工艺复杂等。不过随着代谢工程理论的发展，并且不断改善发酵工艺水平，直接发酵法生产色氨酸的效能越来越高，现在逐步进入产业化阶段。
3. 微生物转化法：微生物转化法也可以称为前体转化法，主要是指利用葡萄糖作为碳源供体，然后培养微生物，在培养过程中会不断产生色氨酸合成所需要的各种前体物，例如邻氨基苯甲酸、L-丝氨酸、吲哚等等，然后微生物会利用这些前体物在自身色氨酸合成酶的作用下合成色氨酸。工业化生产色氨酸企业最早就是利用这种方法来大规模获得L-色氨酸。日本昭和电工公司利用芽袍杆菌和汉逊氏酵母菌种，在其培养环境中添加邻氨基苯甲酸，来获得色氨酸。为了使色氨酸过量积累，需要解除芳香族氨基酸代谢过程中多种底物的反馈抑制。此法生产L-色氨酸的过程中不宜添加过多的前体物，容易产生反馈抑制，因此厂家大多采用分批补料的方法来持续不断地添加前体物。微生物前体转化法也存在不足之处，前体物的价格昂贵，不利于控制成本。而且当前体物浓度过高时，会反馈抑制合成过程中酶的活性，影响色氨酸的积累效率。
【主要参考资料】
[1] 陈荣庆, 刘伟, 皮雄娥, 等. L-色氨酸的研究进展[J]. 安徽农业科学, 2014, 42(14): 4438-4440.
[2] 徐飞, 邓子新, 林双君. 色氨酸, 天然产物生物合成中的重要结构单元[J]. 微生物学通报, 2013, 40(10): 1796-1809.
[3] 李华伟, 祝倩, 吴灵英, 等. 色氨酸的生理功能及其在畜禽饲粮中的应用[J]. 动物营养学报, 2016, 28(3): 659-664.
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