摘 要：以L-Lys、L-Met、L-Trp、L-Phe、L-Leu为人体必需氨基酸 的代表，试验了反应时间为1h时不同pH值及温度条件下的消旋化程度。结果表明，不同L-α-氨基酸在一定条件影响下的消旋化程度不同。文章还对消旋化作用的产生及不同氨基酸消旋化百分率不同的原因进行了探讨。指出，R-基团的不同电子效应及空间位阻的影响是不同氨基酸在一定反应条件下消旋
关键词：氨基酸；消旋化；结构解释
蛋白质进入人体必需分解为L-α-氨基酸才能被吸收，故人体对蛋白质的需要实际上是对氨基酸的需要。在生物体内作为合成蛋白质的氨基酸 只有20种，可分为必需氨基酸和非必需氨基酸2大类。前类通常为8种，即L-赖氨酸（L-Lys）、L-蛋氨酸（L-Met）、L-色氨酸（L-Trp）、L-苏氨酸（L-Thr）、L-苯丙氨酸（L-Phe）、L-亮氨酸（L-Leu）、L-异亮氨酸（L-Ile）、L-缬氨酸（L-Val）。这几种氨基酸人体自身不能合成，必需经食物蛋白质补充才能维持人体的氮平衡而满足营养需求。对于某些蛋白质而言，可能某种氨基酸含量与标准蛋白质相比（国际标准值）相对不足，这种氨基酸 称为限制氨基酸［1］。不同蛋白质中的限制氨基酸是该类蛋白质营养价值高低的决定因素，其与全价蛋白质中国际标准值的比值称蛋白价。蛋白价可通过食品的互补作用得到提高。
天然蛋白质水解所得氨基酸中，除甘氨酸外，其他所有α-碳原子均具有手性而有旋光性，且多为L型结构［2］。食品在加工过程中若条件不当如强碱性或高温等条件，则L-α-氨基酸会发生构型异构而转变为无营养价值的D-氨基酸，致使旋光度下降（外消旋），即为L-α-氨基酸 的消旋化作用［3-5］。另外，在食品制备、加工和贮存过程中（如烤面包、烤肉及奶粉制备）会发生非酶催化的褐变反应，它是糖的羰基和氨基酸的氨基之间发生缩合而造成食品外观颜色加深的一类反应。该类反应称Maillard（美拉德）反应及Strecker降解反应，虽在提高食品风味方面和产物对机体突变方面有益，但亦会造成蛋白质消化性和营养价值的降低，尤其是L-Lys、L-Met及L-Trp损失更大。当热加工、碱处理食物蛋白质时，还能在蛋白质分子间或分子内形成交联网［1］，生成某些新氨基酸（如赖丙酸等），其形成也妨碍蛋白质的消化作用，降低赖氨酸的利用率，亦降低食品蛋白质的营养价值。L-α-氨基酸消旋化作用与pH、温度、反应时间等诸因素有关。本文分别对L-Lys、L-Met、L-Trp、L-Phe、L-Leu5种人体必需氨基酸在不同pH及温度条件下固定反应时间（1h）的消旋化程度进行了实验比较，以探索其结构变化的规律性，从而为食品的合理加工提供依据。
1 实验
1.1 仪器试剂
PHS-2C型数字式酸度计，WXG-4型圆盘旋光仪，76-1型恒温玻璃水浴，L-Lys、L-Met、L-Trp、l-Phe、L-Leu均购自中国医药集团上海化学试剂公司（BR级）。
1.2 实验操作
1.2.1 精确称量L-Lys5.000g和L-Met、L-Trp、L-Phe、L-Leu各1.000g，分别溶解于4mol·L-1浓度的HC1溶液中，定容到50ml，放置至室温，测旋光度［α］，并以此为各L-氨基酸 的旋光度起始值。
1.2.2 按1.2.1量值重新称量以上各L-氨基酸各2份，分别以定量NaOH（s）调节pH达8～9及10～11两个档次。溶液体积定容为50ml。将2档不同pH值的L-α-氨基酸溶液置于50～60℃恒温水浴槽及沸腾回流2种条件下各保持1h，反应结束后将各种反应液晾至室温，并分别用12mol·L-1浓HC1中和至中性，再通过计算用浓HC1调整溶液酸浓度仍为4mo1·L-1，并定容至100ml，冷却到室温测旋光度［α］，与起始旋光度［α］值对比，计算出消旋化百分率。
2 结果与讨论
表1和表2分别为5种L-α-氨基酸 在不同反应条件下的旋光度及消旋化百分率数值。
由表可见，不同L-α-氨基酸在一定条件下影响下消旋化程度有差异。
①L-Lys极易消旋化，且与pH值呈明显正相关性。
②L-Met和L-Leu虽较易消旋化，但与pH值无明显相关性，而却对温度较敏感。
③L-Trp和L-Phe不易消旋化，但与pH值、温度均呈正相关性。
笔者对5种必需氨基酸在一定条件下会产生消旋化作用的原因以及消旋化百分率的差异作以下探讨。
2.1 L-α－氨基酸 消旋化的结构理论解释——“碳
负离子”形成学说［1］
2.1.1 α-CF的形成过程解释 α-C上的活泼氢在碱性溶液中易被离去而形成α-C负离子（其α-H的pK值一般均低于20，其活泼性大于丙酮的α-H），且pH值越高，温度越高，反应时间越长，α-C形成量越多，消旋化程度越高。
2.1.2 L-α-碳负离子构型转变（Csp3→Csp2） α-CF（Csp3）形成后，其碳原子上电子云密度较大，呈不稳定结构，电子云易向羧基碳原子转移，共振重排为非手性的烯胺构型。α-CF随即由sp3杂化态度为sp2杂化态。不同L-α-氨基酸有不同的R-基团，其电子效应不同，对形成α-CF后构型的共振转变数量会有不同影响。①R-基团具斥电子效应，使形成α-CF更趋不稳定，共振异构转变量大，导致L-α-氨基酸消旋化百分率增大。②R-基团具吸电子效应，使形成α-CF上负电荷分散趋相对稳定状态，共振异构转变量小，故L-α-氨基酸消旋化百分率降低。
2.2 5种人体必需氨基酸消旋化率差异的探讨
2.2.1 L-Lys极易消旋化，其分子结构中含较长的烷烃基链，显示较强斥电子效应。当pH=10～11时，-NH2仅显示极弱吸电子效应，故生成α-CF的不稳定，显示出很高的消旋化率。当pH降到8～9时，由于L-Lys的等电点pI=9.74，会使L-Lys显示部分正电性，且-NH2也可获部分正电荷使其吸电子效应有所增强，从而使生成的α-CF稳定性有所增强，消旋化比率也适当降低。
2.2.2 L-Met属易消旋化的限制氨基酸，消旋化率与pH无明显相关性，但对温度较为敏感。其原因是L-Met分子中γ-碳原子上连有-SCH3基，虽然S原子有一定电负性，但其吸电子效应会被甲基斥电子效应所抵消，且分子中较长的碳链也产生电子效应的缓冲作用，故在高pH值条件下，不会增强斥电子效应，造成结果是L-Met的消旋化率与pH改变无明显相关性。但温度升高则会破坏分子结构中d-p反馈键的形成，在相同pH下比低温条件更易消旋化。
2.2.3 L-Leu属易消旋化的必需氨基酸，是因为分子中R基为异丁基，具明显斥电子作用，使α-CF离子稳定性减弱的缘故。但异丁基的电子效应与pH值并无明显相关性，而温度升高却可适当加速α-CF的生成，相应消旋化率也会适当增大。
2.2.4 L-Trp属最不易消旋化的限制氨基酸，其原因是分子中R基为吲哚基团，结构中亚甲基与吡咯环之间会产生σ-π超共轭效应，从而使β-C原子上的电子云向吡咯环转移。同时，吡咯环上氮原子的孤电子对又与苯环产生p-π共轭效应而使电子进一步向苯环分散，2种共轭效应共同作用的结果使生成的α-CF的电子密度大降，稳定性大增，这种共轭生成烯胺构型的量也降到最少，形成了在强碱性溶液中最难消旋化的结果。
2.2.5 L-Phe属不易消旋化的必需氨基酸，R基为苄基，同样因σ-π超共轭效应，β-C上的电子云向苯环转移。造成α-CF上电子密度得到一定程度分散而更趋稳定，结果使烯胺型共振构型中间体形成量减少，消旋化率也较低。
3 实验结果在蛋白质食品加工中的应用
在蛋白质食品加工中应注意必需氨基酸加热及加工条件（碱性环境）引起的消旋化作用。其中L-Lys和L-（Cys）2（胱氨酸）是最易发生热分解的2种L-氨基酸，故在肉类罐头的加热杀菌及面包、饼干的焙烤过程中均会造成大量损失，加之谷类食品中的赖氨酸和豆类食品中的胱氨酸分别是各自的限制氨基酸，这些食品有时需经强化处理或互补作用来保证营养价值。L-Met和L-Trp也易在食品加工过程中发生氧化分解，形成氧化产物L-蛋氨酸砜等而引起营养价值降低。在工艺过程中用碱处理或热加工蛋白质类食品时还会使众多L-氨基酸发生消旋化作用，其结果不仅抑制蛋白质在体内的消化作用，而且水解过程中发生构型异构生成的游离D-氨基酸也无营养价值。所以，在食品加工中严格控制和掌握加工条件，尽量降低消旋化作用引起的营养损失是十分必要的。但另一方面，人体对必需氨基酸的需求量并非愈多愈好，而是存在合理需求量的问题。如L-Trp和L-Phe就不易发生消旋化，若服用过量，在代谢过程中会形成大量犬尿氨酸及尿黑酸，会严重影响儿童智力发育。目前形成商品的非糖甜味剂Aspartame（阿斯巴甜，尤其在糖尿病人群中服用量大），化学名称L-天门冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯，即会在体内分解生成L-Phe而产生上述作用。再如L-Leu、L-Ile、L-Val 3种氨基酸若服用过量，亦可能在尿中出现相应的α-酮酸，对智力发育起阻碍作用。所以对需要强化的食品氨基酸种类，必需具体分析，以求其营养科学性。例如片面宣传某些品种的口服液、矿泉水、高档饮料及营养食品中含10余种L-氨基酸以抬高其营养价值，应属误导性宣传，是缺乏理论根据和科学性的。
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