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谈赖氨酸的应用及食品赖氨酸的发展

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摘要:赖氨酸作为蛋白质的基本组成单位,是人体必需氨基酸之一,具有重要的生理功能,且应用广泛。我国赖氨酸年产量达193万t,产品90%用于饲料养殖业。近年来,随着人们生活水平的日益提高,新兴食品工业发展迅速,赖氨酸的应用也越来越受到人们的关注,各种含赖氨酸食品、饮料、医药用品应运而生,为食品级赖氨酸提供了更加广阔的市场支撑,发展趋势令人瞩目,是推动我国赖氨酸产业市场转型最佳时期,综述了赖氨酸的应用现状,并在此基础上对食品级赖氨酸发展前景进行了分析。

关键词:赖氨酸;蛋白质;人体发育;营养物质

赖氨酸是人体必需八种氨基酸之一,能促进人体发育、提高免疫、增强胃液分泌和骨髓造血机能。缺少赖氨酸,其他氨基酸就会受到限制或得不到利用,机体会发生蛋白质代谢障碍。蛋白质是构成人体细胞的主要成份,食物中的蛋白质进入人体后经过消化先分解成氨基酸,然后人体利用这些氨基酸再合成新的人体蛋白质,如免疫抗体、消化酶、血浆蛋白和生长激素等都是后合成的人体蛋白质。在合成蛋白质的各种氨基酸中,赖氨酸是最重要的一种氨基酸,是一种人体不可缺少的营养物质,决定着其他氨基酸的利用程度,但是,人体自身不能合成赖氨酸,必须从食物中吸取。谷物食品含有赖氨酸,但是含量甚低,且在加工过程中易被破坏,故赖氨酸又称为第一限制性氨基酸。另外,科学家还发现赖氨酸是控制人体生长的重要物质———抑长素中最重要的也是最必需的成份,对人的中枢神经和周围神经系统都起着重要作用[1]。国内外在赖氨酸研究、开发和应用方面已取得了重大进展,赖氨酸的应用也越来越广泛。

1赖氨酸的应用

1.1在畜牧养殖行业中的应用

我国是饲料大国,在畜牧养殖业中赖氨酸需求量相当大。大多数植物蛋白质中赖氨酸含量偏低,导致人和动物对植物蛋白质的利用率偏低,在食物中添加适量的赖氨酸,可以提高蛋白质的利用率。在饲料中添加赖氨酸,能增进动物食欲,改善肉质,提高畜禽生产能力。尤其在动物的成长阶段添加赖氨酸,使其他蛋白质含量比较低的饲料,得以有效的利用,降低原料成本,增加养殖业经济效益。从近二十年赖氨酸的发展历史看,畜牧养殖业是推动赖氨酸消费增长的主要动力[2]。

1.2在食品行业中的应用

随着生活水平的提高和科学技术的发展,人们对赖氨酸的认识也逐渐加深。人体缺乏赖氨酸时会出现疲劳、虚弱、恶心、呕吐、头晕、没有食欲和营养性贫血等症状,还会导致中枢神经受阻、发育不良。往食物中添加少量的赖氨酸可以刺激胃蛋白酶和胃酸的分泌,提高胃液分泌功能,增进食欲,促进幼儿生长与发育。同时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。赖氨酸是帮助其他营养物质被人体充分吸收和利用的关键物质,人体只有补充了足够的赖氨酸才能提高对食物蛋白质的吸收和利用。而且,赖氨酸还可以调节人体代谢平衡,为合成肉碱提供结构组分,促进细胞中脂肪酸的合成。近年来,赖氨酸作为食品及饮料添加剂,应用越来越广泛[3]。我国已把赖氨酸列入食品营养强化剂使用卫生标准,并开发出多种赖氨酸食品、饮料等。业内人员建议每日摄入赖氨酸,儿童为每磅体重10mg,成年人每天3000~9000mg[4]。

1.3在医药领域中的应用

赖氨酸衍生药物在临床上应用相当多,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铝中毒;可以与酸性药物(如水杨酸等)生成盐来减轻不良反应;与蛋氨酸合用抑制重症高血压病;赖氨酸也是优良的血栓预防剂[5]。单纯性疱疹病毒是引起唇疱疹、热病性疱疹与生殖器疱疹的病原,其近属带状疱疹病毒是水痘、带状疱疹和传染性单核细胞增生症的致病者,补充赖氨酸能加速疱疹感染者的康复,也可以抑制其复发,赖氨酸阿司匹林既保持了阿司匹林的镇痛作用,又降低了副作用。据国外报道:将赖氨酸加入四环素中,可以消除四环素在治疗中的副作用。新近开发出来的赖氨酸磷酸氢钙颗粒,用于促进幼儿生长发育,以及儿童及孕妇补充钙质产品[6]。

1.4在化妆品行业中及其他方面上的应用

胶原蛋白的氨基酸是由大部分甘氨酸残基和少部分羧基脯氨酸和羧基赖氨酸组成,羟基赖氨酸是由赖氨酸经赖氨酸羟化酶羟基化而来。胶原蛋白作为美容、抗衰老产品,近年来在化妆品行业中异军突起。由氨基酸和高级脂肪酸制成的表面活性剂和抗菌剂,已成为高级化妆品中最高效的添加剂。近年来在护发剂、染发剂中添加赖氨酸盐酸盐、精氨酸碳酸盐和缬氨酸碳酸盐已是大势所趋,形成了化妆品市场的新格局。上世纪七十年代末,人们发现了ε-聚赖氨酸(ε-PL),它对大肠杆菌、沙门氏菌以及酵母菌的生长有明显的抑制作用,ε-PL与醋酸复合试剂对枯草芽胞杆菌有明显的抑制作用[7]。赖氨酸的ε-氨基能与羰基化合物的羰基反应,可以消除异臭,改善食品的色、香、味及质地。赖氨酸在特异的赖氨酸脱羧酶作用下,可以脱羧生成1,5-戊二胺。戊二胺可替代己二胺与己二酸聚合生产聚酰胺树脂,如尼龙56。尼龙56与尼龙66性质相似,是一种环保型耐高温生物塑料,德国、日本和韩国都对赖氨酸脱羧生产戊二胺进行了大量的研究。武内宽等以L-赖氨酸盐酸盐为底物,采用表达赖氨酸脱氢酶的大肠杆菌进行催化,反应72h,戊二胺收率为90%、生产速度为0.017mol/(L•h)[8]。Qian等在大肠杆菌中过表达赖氨酸脱羧酶,重构戊二胺合成途径,构建戊二胺工程菌。工程菌通过流加发酵,戊二胺产量达到9.61g/L,生产速度为0.32g/(L•h)。赖氨酸脱羧工艺的开发应用将拓宽赖氨酸的工业化应用前景[9]。

2食品级赖氨酸产业发展前景

2.1赖氨酸产业现状

目前,国内赖氨酸生产菌种已趋于多样化,产酸率已经达到220~240g/L,转化率为69%以上,提取率在92%以上,生产技术已经达到国际领先水平,赖氨酸产量居世界第一。从2003年到2005年,含赖氨酸98.5%的饲料级赖氨酸价格飙升至50000元/t,巨大的利润导致大批企业进入赖氨酸生产行列,我国赖氨酸产能迅速膨胀,改变了全球赖氨酸供求格局,严重供大于求,截至2013年赖氨酸产能达到顶峰,生产厂家达到23家。2015年以来,由于赖氨酸生产企业受到环保、高耗能、生产原料下跌以及饲料市场萎缩的影响,在国家政策性调整和被市场淘汰可能性的双重压力下,企业面临较大的生存困难;中国对美国和亚洲地区出口下降,出口量遭遇瓶颈;我国赖氨酸装置开工率仅约为50%,部分企业退出、停产,被领先企业兼并重组,厂家数量和顶峰期相比减少了10家,产能下降近50万t/年[10]。2017年,我国赖氨酸行业回暖,饲料级赖氨酸产量又一次达到峰值,总产能达230万t,产量193万t,约有一半产品进入国际市场,在这种情况下,今后一两年内还会有一些企业加入赖氨酸生产行列,产能增幅较大,产量也会随之增长,市场竞争会更加激烈[11]。赖氨酸生产企业主要分布在新疆、内蒙古、山东、吉林和黑龙江等省份,受国家调控政策的影响,内蒙古和黑龙江两省的企业正不断扩大产能,已经形成了一批具有较强竞争能力的生产企业,其产品绝大多数是附加值较低的饲料用赖氨酸。由于饲料用赖氨酸需求量已经稳定,市场也趋于饱和,市场竞争日趋激烈,产品销售价格不断下降,到2018年5月,饲料级赖氨酸价格降至8200元/t,已经接近生产成本,利润空间极小,部分企业甚至亏损。食品级赖氨酸的价格是120000元/t,产能却没有大的发展。我国氨基酸领域,都面临新产品及新应用领域开发不足,产业链的延伸和生物转化的进一步应用开拓力度不够等问题,这些问题已成为制约氨基酸工业发展的瓶颈。受分离纯化技术的影响,国内缺乏纯度较高的食品级和医药级赖氨酸的生产能力,一些高端产品仍需国外进口。所以,赖氨酸产品多样化,开发出新型的赖氨酸产品,扩大赖氨酸的应用领域,是提高我国赖氨酸产业国际竞争力的有效手段。因此,要提高分离纯化工艺、升级设备,获得具有自主知识产权的共性关键技术,延长氨基酸发酵产品产业链,拓宽氨基酸发酵产品应用领域[12],提高产品层次,扩大内需,建立自主知识产权体系,寻求新的赖氨酸市场是当务之急,也是今后赖氨酸企业发展的重点。

2.2食品产业的发展带动赖氨酸产业精深加工及新产品开发

随着我国经济的飞速发展,人民群众的生活方式和饮食习惯发生了巨大变化,与膳食相关的慢性非传染病造成的危害增加,高血脂、高血压、动脉硬化和肥胖症等疾病的发生增多。随着人们对身体亚健康的了解增多,营养保健知识的普及,人们的食品消费观念在逐渐改变,饮食和健康的关系也受到国家重视和社会关注。具有营养功能的强化食品越来越受到人们的欢迎,人们对动物蛋白的摄取量日渐减少,而赖氨酸由于其特殊的理化性质,主要存在于各种动物蛋白中,这就为赖氨酸怎样被人体利用提出了新的课题。我国功能性食品的创始人郑建仙先生在《功能性食品》中指出,人体存在20种氨基酸,不同种氨基酸排列顺序不同形成的多肽,其种类是十分庞大的。多肽是分子结构介于氨基酸和蛋白质之间的一类化合物,具有增强机体免疫能力、调节机体生理节律、预防疾病、促进康复和阻抗衰老等功能。赖氨酸正是构成多肽的重要氨基酸,同时也是帮助这些营养物质被人体充分吸收和利用的关键物质,人体只有补充了足够的赖氨酸才能提高食物蛋白质的吸收和利用,达到营养均衡。现在,世界范围内掀起了一股研究和生产以多肽为营养基质的食品热潮,这些食品正受到人们的广泛欢迎,为食品行业提供了新的发展空间,涌现出大量功能性食品、保健食品和休闲食品等,成为食品消费的新热点。在我国不同食品的消费群体正在逐渐形成,据资料统计:北京、上海、广州和天津几大城市有93%的少年儿童、98%老年人和56%的中青年都在食用各类功能性食品、保健食品和休闲食品[13]。全球功能性食品、保健食品和休闲食品占整个食品销售的50%,达到2000亿美元。欧美国家的消费者平均用于这些食品方面的花费占其总支出的25%,美国目前的功能性食品、保健食品、休闲食品销售额达750亿美元,占食品消费额的1/3,欧洲的功能性食品、保健食品、休闲食品也有2000多种,销售额以每年17%的速度增长[14]。我国功能性食品行业正处在高速发展阶段,2010年5月,我国功能性食品进出口额达到2888万美元,到目前为止产业年产值5600亿元左右[15]。据《中国食品报》报道:2016年功能食品、休闲食品零售市场规模约为8224亿元,到2020年规模预计将达到12984亿元。很多发达国家早在十几年前就把赖氨酸作为食品强化剂,如在面粉中添加0.2%的赖氨酸,将使面粉的蛋白质利用率从47%提高到71%[16]。我国也已把赖氨酸列入食品营养强化剂使用卫生标准,但食品级赖氨酸产能严重不足,一旦开发强化赖氨酸食品,必将形成一个巨大的新的赖氨酸市场空间。据食品商务网报道:美国食品工业协会预测,2018年中国将成为全球最大的进口食品消费国,届时中国进口食品市场规模将高达4800亿元人民币。此外,近年来多种氨基酸的饮料正在欧美、日韩等发达国家流行,今后将向中国等发展中国家扩展。进口食品行业正处在加速起步阶段,因此,研究及开发赖氨酸及其他氨基酸等在功能性食品、保健品、休闲食品和医药产业中的应用是目前赖氨酸产业生存和发展又一空间领域。未来十年,是中国食品工业高速发展的“黄金十年”,中国食品工业平均年增长速度将在10%左右,食品企业是未来最具发展潜力的黄金产业,如何快速把握人们消费心理、提升企业竞争力,在市场中取胜,关键就是满足人们的消费观念。人们对食品消费的需求越来越高,作为人体必需的第一限制性氨基酸的赖氨酸,必将更多地应用于食品工业中,据专家预测,赖氨酸将在食品工业中的消费量将呈大幅增长的趋势。中国作为世界第一人口大国,人口老龄化发展进程迅速,对食品级、医药级氨基酸及富含氨基酸的功能性食品需求量都十分巨大,氨基酸产品在保健、医药、化妆品和生物农业等领域的市场需求将在未来处于爆发式的增长期。目前,欧美日等发达地区和国家均在往氨基酸产业价值链的下游领域开发延伸,中国处于全球氨基酸产业价值链低端,高端消费产品的开发力度薄弱,并且受到国内标准的限制和国外相应资质及许可的制约,整个氨基酸行业面临遭严峻的挑战。因此,必须加大政策支持,出台引导政策,使氨基酸企业在市场中找到符合自身发展的依据[17]。

2.3新型食品防腐剂为赖氨酸产品的开发和发展带来机遇

ε-PL是微生物利用L-赖氨酸的α-羧基和ε-氨基通过酰胺健连接而成的线性聚合物,含25~30个赖氨酸残基的同型单体聚合物多肽,是一种天然的生物代谢产品,在人体内分解为赖氨酸,是一种新型营养抑菌剂[18],具有很好的广谱抑菌防腐能力、热稳定性和巨大商业潜力。1989年已被日本批准为食品防腐剂,2003年被FDA批准为安全食品保鲜剂,目前已被日本、韩国和欧美等国家和地区广泛使用,用于方便米饭、湿熟面条、蔬菜、海产品、酱类、鱼片和饼干的保鲜防腐[19]。用ε-赖氨酸溶液喷洒到新鲜蔬菜和水果上可延长保存期,故可作为果蔬保鲜剂使用,在制药和医疗方面也有广阔的应用。2014年我国批准ε-聚赖氨酸(ε-PL)及其盐酸盐作为新型食品添加剂。现在日本窒素公司已经形成了千吨级ε-聚赖氨酸(ε-PL)工业化生产规模,产品供不应求;我国浙江、河南和江西等省有企业生产,ε-聚赖氨酸(ε-PL)的现代化工业生产已经达到成熟阶段,且应用广泛。

3结论

当前,我国赖氨酸产业机遇与挑战并存,行业发展面临着新的契机。伴随着我国食品工业的快速发展,食品级赖氨酸发展潜力巨大,将成为食品添加剂的主流。因此,研究如何采用先进的高新工程技术建立中间规模实验装置,为扩大成规模的工厂设计取得经济上可行、工艺上高效可靠的工程数据,具有重要意义。运用先进的检测、鉴定和分离技术,生产高品质食用级和医药级赖氨酸产品,利用现代技术手段把赖氨酸科学的配制到功能食品、保健食品和休闲食品中,将给赖氨酸及其他氨基酸带来极为广阔的发展前景。

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作者:王洪 赵亚军 单位:长春大成实业集团有限公司

食品科学杂志责任编辑:张雨    阅读:人次