日本九州大學利用再生能源電力與水成功合成7種氨基酸

新聞來源:

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20191101/

https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=43514

 

図1 フロー型アミノ酸合成電気化学セルの構成

 

使用電能,可從水和生物質中獲得的α-酮酸實現高效氨基酸合成。
建造了世界上第一個利用電連續合成氨基酸的流式反應器。
作為新的低環境影響型精細化學製造方法,該方法引起了關注。

日本九州大學的研究團隊利用可再生能源電力與水,成功地高效率合成出氨基酸(Amino Acid)。胺基酸是構成生物體蛋白質並與生命活動有關的重要物質,且做為機能性材料,普遍應用於飼料添加物、風味增強劑、醫療品等領域。目前多以發酵法、科學合成製作胺基酸,然而發酵法為培養微生物需要大量的能量,且分離或精製等的製程複雜,而科學合成在過程中因使用對生物有害之物質,故不適用於食品或醫療品的製造。

研究團隊則是利用再生能源電力做為能量來源,以水做為氫氣來源,讓木質生物質抽取出來的有機酸「α-酮酸(α-Keto Acids)」與含氮化合物以高選擇性地使其產生反應,進而高效率地合成出、丙胺酸(Alanine)、甘胺酸(Glycine)、天門冬胺酸(Aspartic Acid)、麩胺酸(Glutamic Acid)、白胺酸(Leucine)、苯丙胺酸(Phenylalanine)、酪胺酸(Tyrosine)等7種氨基酸,其中天門冬胺酸、白胺酸、苯丙胺酸、酪胺酸等4種氨基酸是首次利用電力進行合成。此外,以流動式反應(Flow-type Reactor)進行胺基酸連續合成亦是世界首例。

図2 バイオマスと水を原料とするアミノ酸合成のフロー

  • 電気エネルギーを使って、水とバイオマスから入手可能なα-ケト酸からの高効率アミノ酸合成を達成した。
  • 世界で初めて電力を使ってアミノ酸を連続的に合成するフロー型リアクターを構築した。
  • 本プロセスは新しい低環境負荷型のファインケミカル製造法として注目される。

九州大学 カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所の福嶋 貴 学術研究員と山内 美穂 教授の研究グループは、再生可能エネルギーから調達できる電気エネルギーと水を使って効率よくアミノ酸を合成することに世界で初めて成功しました。

アミノ酸は、生物の重要な構成要素であるだけでなく、飼料添加物、風味増強剤、医薬品などのさまざまな機能性材料に関与する基本的な物質です。

現在、発酵法によりアミノ酸が生産されていますが、微生物培養に大量のエネルギーが必要であることや分離・精製工程が煩雑であるなどの問題があります。一方、化学的に合成する既存の方法では、有毒な物質が用いられるため、食品・医薬品用途には、使用が敬遠されています。

本研究では、電力をエネルギー源、水を水素源として、木質バイオマスから抽出可能なα-ケト酸と呼ばれる有機酸と含窒素化合物を高選択的に反応させることにより、アラニン、グリシン、アスパラギン酸、グルタミン酸、ロイシン、フェニルアラニンおよびチロシンの7種類のアミノ酸を高効率で合成することができました。アスパラギン酸、ロイシン、フェニルアラニンおよびチロシンの4種類のアミノ酸は、本研究で電気エネルギーを使って初めて合成されました。さらに、アミノ酸を連続的に合成するフロー型リアクターの構築にも世界で初めて成功しました。

これまで、有毒な鉛や水銀、あるいは高価な白金の電極上でアミノ酸合成が行われた例はありましたが、合成効率は非常に低いものでした。一方、本研究では、電極触媒として、より安全で安価な酸化チタン(TiO)を用いることで高選択的にアミノ酸を合成することに成功しました。この新しい合成法は、経済的で環境に優しい持続可能なアミノ酸の製造を実現できるという点で他のどの方法よりも優れているため、将来の画期的な合成法となる可能性を秘めています。

本研究成果は、2019年10月31日(英国時間)にイギリスの王立化学会の速報誌である「Chemical Communications」でオンライン公開されます。

図3 電力からアミノ酸への変換効率を表すファラデー効率

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