آسپارتام ، L- فنیل آلانین و L- آسپارتیک اسید

کلیات : آسپارتام (L- α- آسپارتیل-L- فنیل آلانین- متیل استر) یک شیرین کننده ی مصنوعی کم کالری می باشد که حدودا دویست مرتبه شیرین تر از سوکروز است. این شیرین کننده در سال 1965 توسط کمپانی G. D. Searle کشف شد و در سال 1981، FDA آن را به عنوان افزودنی غذایی مجاز تائید کرد. سالانه 20000 تن آسپارتام تولید می شود (آمار مربوط به سال 2009) و غالب بازار آسپارتام در اختیار کمپانی Ajinomoto می باشد. آسپارتام از L- آسپارتیک اسید و L- فنیل آلانین تولید می شود. سنتز شیمیایی آن نیازمند استفاده از چندین گروه حفاظتی می باشد به همین دلیل قابل رقابت با سنتز آنزیمی نیست.

L- آسپارتیک اسید :

L- آسپارتیک اسید را می توان از هیدرولیزات های پروتئینی استخراج نمود. اگرچه، از افزودن آمونیاک به فوماریک اسید توسط آنزیم آسپارتاز موجود در سلول های E. coli به عنوان سنتز ترجیحی آن استفاده می شود. در این نوع سنتز باکتری های تثبیت شده در κ-کاراجینان یا پلی آکریل آمید به عنوان راکتور سلولی به کار گرفته می شوند. بازده تولید این سیستم حدود gL-1h-1 40 می باشد و پایداری عملکردی آن (نیمه عمر کاتالیست) نهایتا 2 سال است. با استفاده از سلول های لیوفیلیزه ی القا شده، بازده به gL-1 166 رسیده است. بکارگیری پلاسمید حامل ژن کد کننده ی آسپارتاز، باعث افزایش 30 برابری بیان آنزیم آسپارتاز در سلول های E. coli K12 شده است. پروسه های فرمنتاسیون (تخمیر) قابل رقابت با راکتورهای سلولی نیستند حتی اگر در این پروسه ها از سویه های موتانت با کارایی بالا استفاده شود.

L- فنیل آلانین :

در گذشته معمولا برای تولید صنعتی این اسیدآمینه از راکتورهای آنزیمی و مواد اولیه ی شیمیایی در دسترس استفاده می شد. اخیرا، پروسه های فرمنتاسیون مبتنی بر موتانت های با کارایی بالا ترجیح داده می شوند. در دسترس بودن و هزینه ی تهیه ی پیش سازهای سنتتیک در مقایسه با بازده پروسه ی فرمنتاسیون از جمله عوامل مهم و تعیین کننده ی ارجحیت اقتصادی این پروسه ها است. بهترین نتایج راکتورهای آنزیمی مربوط به افزودن آمونیاک به ترانس- سینامیک اسید با استفاده از آنزیم فنیل آلانین آمونیوم لیاز باکتری Rhodotorula glutinis می باشد. در یک راکتور سلولی حاوی میکروارگانیسم های تثبیت شده، میزان بازده تولید gL-1 50 با درصد بازیابی بیوکاتالیست 83% است.

تجزیه ی D,L- 5- بنزیل هیدانتوئین توسط آنزیم های L- هیدانتوئیناز و L-N- کرباموئیلاز باکتری Flavobacterium ammoniagenes هم نتایج امیدبخشی داشته است. در حال حاضر، از موتانت های با کارایی بالای E. coli برای تولید این اسیدآمینه استفاده می شود. بیوسنتز L- فنیل آلانین از پیش سازهای اریتروز-4-فسفات و فسفو انول پیروات از طریق حد واسط های شیکیمیک اسید، کوریسمیک اسید و پرفنیک اسید انجام می شود. این مسیر بیوسنتزی انشعابات فرعی هم دارد که منجر به تولید L- تیروزین و L- تریپتوفان می شود و بسیاری از آنزیم های مسیر به شدت تنظیم شونده می باشند. به همین دلیل، برای تولید L- فنیل آلانین از موتانت های اکسوتروف استفاده می شود. از آن جایی که تمامی سویه های مولد از نظر L- تیروزین هم اکسوتروف هستند می توان با افزودن L- تیروزین به محیط کشت رشد را هم کنترل نمود و این یک مزیت محسوب می شود. اغلب ژن های این مسیر کلون شده اند و روش های ژنتیکی هم برای ایجاد سویه های با تولید دائمی بکار گرفته شده اند. بازدهی معادل gL-1 50 بعد از h 60 توسط سویه های E. coli گزارش شده است. فرمنتاسیون به روش نیمه خوراک دهی (fed-batch) انجام می شود، سلول ها با فیلتراسیون حذف می شوند و معمولا محصول نهایی با استفاده از تغلیظ توسط اولترافیلتراسیون به همراه کروماتوگرافی جذبی و کریستالیزاسیون بازیافت می گردد.

آسپارتام :

سنتز شیمیایی آسپارتام از دو اسید آمینه ی سازنده اش، مستلزم استفاده از گروه های محافظتی و سپس حذف آن ها می باشد. در حال حاضر استفاده از پروسه ی تولید آنزیمی در مقایسه با این پروسه ی چند مرحله ای، ساده تر می باشد. در پروسه ی آنزیمی، تنها گروه آمینوی L- آسپارتیک اسید است که باید محافظت شود و یک آنزیم هم برای کاتالیز آمیداسیون گروه α- کربوکسی L-Z آسپارتیک اسید (ایزومر تلخ مزه ی L- بتا- آسپارتیل- L- فنیل آلانین- متیل استر) با L- فنیل آلانیل متیل استر به کار گرفته می شود. با استفاده از این آنزیم حتی می توان از فنیل آلانین متیل استرهای راسمیک نیز در این پروسه استفاده نمود. آنزیم ترجیحی برای این واکنش آنزیم ترمولیزین باکتری Bacillus stearothermophilus می باشد و حلال مورد استفاده هم ایزو آمیل الکل است.

ترمولیزین مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارد و امکان انجام پروسه در دمای °C 70 را فراهم می نماید و منجر به بازده بالای g L-1 h-1 30 می شود. محصول نهایی خلوص بالایی دارد و با کروماتوگرافی تعویض یونی خالص سازی می شود. آسپارتام تنها یکی از چندین شیرین کننده ی مصنوعی کم کالری است که اخیرا وارد بازار شده اند. از جمله این شیرین کننده ها می توان به سوکرالین (تری کلرو-گالاکتوسوکروز)، استویوسید (یک دی ترپن گلیکوزیله)، تائوماتین یا مونلین (به ترتیب پروتئین ها و پپتیدهای گلیکوزیله) و ادوانتام (یک دی پپتید تغییر یافته ی آسپارتیل-فنیل-آلانین که توسط کمپانی Ajinomoto توسعه یافته است) اشاره نمود.