文 献 综 述

1,5#8212;戊二胺，即尸胺，一种粘稠状液体,沸点178一180℃,折光率为1.463。易溶于水、乙醇,难溶于乙醚,深度冷冻可凝固结晶,但在常温下又熔为液体。有六氢吡啶的臭味,在空气中发烟,能形成二水化合物。是生物体内广泛存在的具有生物活性的含氮碱，为蛋白质腐败时赖氨酸在脱羧酶作用下发生脱羧反应时生成的产物。在农业上, 1,5戊二胺可用于调控植物衰老过程、促进雌雄蕊的发育,改善植物果实发育,提高果实产量^[1]；医学上，亦可以作为一种有效治疗痢疾的药物成份；工业上是一种极为重要的化工原料，将1,5-戊二胺与己二酸进行聚合反应可以合成优质高分子材料-尼龙56^[2]。众所周知，尼龙作为一种环保型的、可持续发展的、耐高温型的生物塑料以其优异的力学性能,良好的耐磨性和自润滑性,较好的耐腐蚀性等优点被广泛应用于航空航天,汽车部件、机械零部件、电子电器、包装材料、胶粘剂及化妆品等领域，有着广泛的应用前景。

1. 戊二胺的生产方法

当前，生产戊二胺的主要方法有直接提取法、化学合成法和生物转化法。直接提取法是在腐烂的尸体和精液中直接分离获得戊二胺，不过由于含量较低，不适合大批量生产，也未曾有此方面的报道^[3]。

化学合成法主要使用石油作为原料，这种工业化的方法不仅仅极大的依赖石油资源，无法实现可持续发展，还会对人类的生存环境造成严重的污染。此外，2010年李崇^[4]等人采用非晶态镍催化剂，以无水乙醇为溶剂，在高压反应釜中进行了戊二腈催化加氢制备戊二胺。具体的反应过程为首先戊二腈催化加氢生成5一氨基戊腈,然后5一氨基戊腈催化加氢生成目标产物戊二胺和副产物六氢吡啶。利用此方法戊二腈转化率可达到100%,但缺陷是戊二胺选择性略低。

相对于化学合成法，微生物法制备1,5-戊二胺成本更低，也更环保。L-赖氨酸脱羧酶（简称LDC)^[3],是可逆的将赖氨酸脱C0₂生成尸胺(1,5-戊二胺)的酶。大肠杆菌中存在2 种不同的赖氨酸脱羧酶#8212;cadA和ldcC，这2 种酶都需要磷酸吡哆醛作为辅酶。其中cadA 在低pH 时容易被诱导表达，并且在厌氧条件下，表达量可达到最高水平^[1]，且当培养基的诱导PH值为5.8时，酶的活性最高^[5,6]。日本东丽尖端融合研究所用高效表达大肠杆菌来源的赖氨酸脱羧酶的大肠杆菌为菌体，将大肠杆菌中的cadA基因进行PCR扩增,然后连入pUC18,将质粒转入宿主菌大肠JM109菌株中,发酵试验得到69g/L浓度的尸胺，转化率达到98%^[3]。但是该法反应步骤多，产物分离过程复杂，成本高，产率低。

此外，Qian等^[7]对1，5－戊二胺在细菌中的代谢途径进行了比较深入系统的研究，如图1所示。在E.coli 中，戊二胺代谢系统不仅包括其生物合成系统，还包括其转运系统、降解等代谢系统。戊二胺是通过赖氨酸代谢通路合成的，其合成途径是从三羧酸循环( TCA) 的分支循环中的草酰乙酸开始，在3 个同工酶#8212;天冬氨酸激酶Ⅰ( thrA) 、天冬氨酸激酶Ⅱ( metL) 、天冬氨酸激酶Ⅲ( lysC) 的催化作用下，天门冬磷酸经天冬氨酸半醛转化为二氢吡啶二羧酸，进而生成D，L －二氨基庚二酸盐。在二氨基庚二酸盐脱羧酶lysA 催化作用下，D，L －二氨基庚二酸盐经赖氨酸脱羧酶cadA 和ldcC 作用下，最终生成戊二胺，再经戊二胺－赖氨酸反向转运蛋白cadB，依赖于质子动力，将戊二胺转运至细胞外。在E.coli中，赖氨酸的生物合成受到由lysC、asd、dapB、dapD 和lysA 等基因编码的多步骤调控，这些基因通过二氨基庚二酸盐脱羧酶lysA 和二氢吡啶二羧酸合酶dapA 的催化作用进行转录抑制和反馈抑制。

图1 细菌中1,5-戊二胺的代谢途径

除E.coli外，蜂房哈夫尼菌（Hafnia alvei）也是常有的戊二胺生产菌。蒋丽丽^[8]等利用固定化的蜂房哈夫尼菌发酵生产戊二胺，固定化细胞可重复利用四批，相对于利用游离菌生产戊二胺，具有成本相对低廉，不需要酶的分离纯化，操作简单，产量高等优势，但缺点是蜂房哈夫尼菌不能积累赖氨酸, 需要外加赖氨酸作为酶的反应底物, 故仍无法解决原料成本过高的问题。

因而，利用赖氨酸的生产菌株发酵生产戊二胺成为解决原料成本问题的方法之一。牛涛^[9]等通过构建谷氨酸棒杆菌基因工程菌，一步法生产1,5-戊二胺。方法是以蜂房哈夫尼菌AS1.1009基因组为模板，通过PCR扩增，得到大小约为22kb的赖氨酸脱羧酶基因ldc。以大肠杆菌谷氨酸棒杆菌穿梭质粒pXM Jl9为载体，将扩增得到的目的基因片段克隆至谷氨酸棒杆菌TK260512 ,获得重组菌株TK260512/pXM Jl9-ldc在摇瓶发酵水平上, 通过IPTG诱导ldc基因的表达,并采用反相高效液相色谱方法测定了发酵液中1,5-戊二胺的含量,结果显示,经36h发酵,工程菌TK260512/pXM J19-ldc的1,5-戊二胺产0.96g/L。此种方法不需要外加赖氨酸，降低了成本，但是由于该实验所采用的菌株并非生产用的赖氨酸高产菌，所以戊二胺整体产量偏低，不能大规模生产。