1,5-二氨基戊烷，又稱(chēng)尸胺、1,5-戊二胺、五亞甲基二胺或尸毒素，是生物胺類(lèi)(包括腐胺﹑精胺﹑亞精胺和尸胺等)中的一種。1885年，德國(guó)柏林的醫(yī)師Ludwig Brieger在腐敗的尸體中首次發(fā)現(xiàn)該胺類(lèi)，該胺類(lèi)以此得名尸胺。1,5-二氨基戊烷是一種重要的平臺(tái)化合物。已有技術(shù)可以將1,5-二氨基戊烷精煉后與己二酸共聚合成具有實(shí)用性的尼龍56，尼龍56是一種耐高溫的生物塑料。^[1]

性質(zhì)^[2]

1,5-二氨基戊烷，是一種廣泛分布于真核和原核生物中具有多種活性的天然二元胺。1,5-二氨基戊烷的沸點(diǎn)為178-180℃，折光率為1.463，易燃，高毒，具有強(qiáng)刺激性氣味。可溶于水、乙醇，微溶于乙醚。

1,5-二氨基戊烷的生理學(xué)功能^[2]

1,5-二基戊烷作為一種天然多胺在生物體代謝中起著重要的作用，在植物體中，它參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞信號(hào)傳遞、脅迫反應(yīng)和昆蟲(chóng)防御等過(guò)程；在微生物體內(nèi)，1,5-二氨基戊烷能夠調(diào)控孔蛋白，引起膜孔通道關(guān)閉，使得菌體能夠?qū)λ嵝原h(huán)境或者是缺乏磷酸鹽和氧氣的環(huán)境具有一定的抗逆作用，其次，1,5-二氨基戊烷是調(diào)節(jié)鐵離子濃度的“鐵親和系統(tǒng)”的重要組成成份；在動(dòng)物體中，1,5-二氨基戊烷能激活神經(jīng)元，表達(dá)特定的嗅覺(jué)受體(TAAR13c)；此外，1,5-二氨基戊烷還與細(xì)胞生長(zhǎng)、衰老和許多疾病如癌癥等有關(guān)。

應(yīng)用^[2]

1,5-二氨基戊烷在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品和工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)方面，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)1,5-二氨基戊烷調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，在植物抵抗外部不利環(huán)境過(guò)程中起著類(lèi)似于cAMP化學(xué)信號(hào)的“信息傳導(dǎo)”作用，能夠參與植物的脅迫反應(yīng)和昆蟲(chóng)防御。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上適量1,5-二氨基戊烷的施加能夠促進(jìn)果實(shí)發(fā)育，提高果實(shí)產(chǎn)量。1,5-二氨基戊烷作為一種生物胺，是發(fā)酵食品（例如奶酪、葡萄酒、啤酒、泡菜等)所含有的成分之一，目前為止，許多研究都致力于1,5-二氨基戊烷濃度的檢測(cè)，基本方法包括LC-UV、LC-FLD、LC-MS/MS、CE、ELISA、GC-MS、TLC、HPLC等，雖然1,5-二氨基戊烷是人體中內(nèi)源性合成的并且具有重要的生物學(xué)功能，但攝入含有高濃度1,5-二氨基戊烷的食物會(huì)引起嚴(yán)重的中毒反應(yīng)。因此，1,5-二氨基戊烷濃度的檢測(cè)有望成為評(píng)估食品質(zhì)量及安全的重要指標(biāo)之一。在醫(yī)藥領(lǐng)域，1,5-二氨基戊烷可用于治療鐵過(guò)量引發(fā)的癥狀、癌癥、神經(jīng)變性病等。

在工業(yè)方面，1,5-二氨基戊烷是一種極具應(yīng)用價(jià)值的平臺(tái)化合物，能夠與二元酸聚合生產(chǎn)生物基聚酰胺PA5X。近年來(lái)，隨著石油資源的不斷枯竭和人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的提升，生物基聚酰胺產(chǎn)品受到了越來(lái)越多的關(guān)注，由于其突出的機(jī)械性能，可被廣泛應(yīng)用于航空技術(shù)、汽車(chē)零部件、機(jī)械零件、電子設(shè)備、包裝材料和化妝品等領(lǐng)域。目前，全球每年生產(chǎn)660萬(wàn)噸石油基聚酰胺，需求量呈逐年上漲趨勢(shì)，這鼓勵(lì)人們開(kāi)發(fā)生物技術(shù)產(chǎn)品以替代傳統(tǒng)的化學(xué)材料。根據(jù)最新的發(fā)展報(bào)告，2021年生物聚合物的市場(chǎng)規(guī)模繼續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)將達(dá)到50.8億美元。因此，開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保并具有優(yōu)異性能的生物基產(chǎn)品具有極廣泛的應(yīng)用前景。

PA 5X系列尼龍是由生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的1,5-二氨基戊烷與二元酸聚合而成的。例如，PA 510是由1,5-二氨基戊烷和癸二酸聚合生成的，其機(jī)械性能（如拉伸應(yīng)力值、高熔融溫度、低密度等）可與石油基PA610相媲美，有望應(yīng)用于耐熱材料、電子和汽車(chē)行業(yè)。由1,5-二氨基戊烷和己二酸生產(chǎn)的另一種生物基PA56具有強(qiáng)度高、突出的耐磨性、回彈性、染色性以及較高的飽和吸水率等優(yōu)異特性，是應(yīng)用于紡織品的理想材料。由1,5-二氨基戊烷和丁二酸合成的生物基聚酰胺PA 54在耐油溶脹性、抗沖擊性、抗?jié)B性和耐溫性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，使其在包裝、存儲(chǔ)和運(yùn)輸領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。此外，1,5-二氨基戊烷還用于生產(chǎn)聚氨酯、鰲合劑和添加劑。

合成方法^[2]

1,5-二氨基戊烷的制備方法主要分為兩大類(lèi)，化學(xué)法和生物法，化學(xué)法主要以戊二腈為原料；生物法包括生物轉(zhuǎn)化法和發(fā)酵法，生物轉(zhuǎn)化法是以賴(lài)氨酸為底物溶液，加入賴(lài)氨酸脫羧酶或全細(xì)胞進(jìn)行催化，微生物發(fā)酵是指宿主利用葡萄糖等碳源從頭合成1,5-二氨基戊烷。

化學(xué)法

化學(xué)法合成1,5-二氨基戊烷一般以戊二腈為原料。李崇等研究了在高壓反應(yīng)釜中，以無(wú)水乙醇為溶劑，非晶態(tài)鎳為催化劑，戊二腈催化加氫制得1,5-二氨基戊烷。通過(guò)優(yōu)化催化劑和助催化劑用量、溫度、壓力等參數(shù)，最后戊二腈的轉(zhuǎn)化率達(dá)到100.0%，但戊二胺的選擇性只有66.8%。此外，通過(guò)氨基酸的脫羧反應(yīng)可以獲得許多重要的氨基化合物。以2-環(huán)己烯-1-酮為催化劑，賴(lài)氨酸為原料脫羧制備1,5-二氨基戊烷，轉(zhuǎn)化率達(dá)到87.8%?；瘜W(xué)法合成1,5-二氨基戊烷的過(guò)程復(fù)雜，目前還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

酶催化合成1,5-二氨基戊烷

生物法合成1,5-二氨基戊烷是一種具有潛在競(jìng)爭(zhēng)力的環(huán)保、資源可持續(xù)利用的方法，其中酶的生物催化已成為獲得目標(biāo)產(chǎn)物的重要途徑之一。酶催化具有選擇性、特異性、反應(yīng)條件溫和和過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是，酶的穩(wěn)定性和活性往往受到環(huán)境條件的影響，亦可被產(chǎn)物或底物所抑制。此外，大多數(shù)蛋白質(zhì)都是水溶性的，反應(yīng)之后無(wú)法回收這種昂貴的催化劑。因此，研究學(xué)者開(kāi)發(fā)多種有效的方法，如固定化、定點(diǎn)突變和DNA改組定向進(jìn)化來(lái)提升酶的性能，增加其應(yīng)用范圍。賴(lài)氨酸脫羧酶（Lysine decarboxylase，LDC）是1,5-二氨基戊烷胺生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵酶，廣泛存在于大腸桿菌(Escherichia coli)、蜂房哈夫尼菌(Hafnia alvei)、產(chǎn)酸克雷伯氏菌（Klebsiella oxytoca)等多種微生物體內(nèi)。

全細(xì)胞催化合成1,5-二氨基戊烷

利用過(guò)表達(dá)賴(lài)氨酸脫羧酶的全細(xì)胞作為催化劑從賴(lài)氨酸溶液中生產(chǎn)1,5-二氨基戊烷是另一種綠色環(huán)保的方法，與具有復(fù)雜代謝途徑的工程菌株發(fā)酵不同，全細(xì)胞催化過(guò)程簡(jiǎn)單，副產(chǎn)物少。圖1-3概述了與全細(xì)胞催化合成1,5-二氨基戊烷相關(guān)的四個(gè)主要方向，一是使用代謝產(chǎn)物COz或外源酸來(lái)維持發(fā)酵液中pH的穩(wěn)定，二是添加表面活性劑以增加膜滲透性從而有利于底物和產(chǎn)物的輸入和輸出，三是選擇合適的載體固定全細(xì)胞實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生物催化，四是外源添加或內(nèi)源合成輔酶PLP以改善賴(lài)氨酸脫羧酶的催化活性。

微生物從頭合成1,5-二氨基戊烷

生物法合成1,5-二氨基戊烷包括微生物發(fā)酵或生物轉(zhuǎn)化，其中生物發(fā)酵作為最有前途的策略涉及到工程改造微生物如谷氨酸棒狀桿菌(C.glutamicum)和大腸桿菌（E.coli)(圖1-5，表1-2），谷氨酸棒狀桿菌現(xiàn)已被用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)賴(lài)氨酸，而賴(lài)氨酸是合成1,5-二氨基戊烷的直接前體，因此，谷氨酸棒狀桿菌有望成為1,5-二氨基戊烷發(fā)酵生產(chǎn)的宿主菌株。盡管野生型谷氨酸棒狀桿菌不能合成1,5-二氨基戊烷，但是采用不同的基因工程策略所獲得的工程菌株可以利用多種碳源發(fā)酵生產(chǎn)1,5-二氨基戊烷，如圖1-5所示，微生物體攝入不同底物后經(jīng)糖酵解途徑進(jìn)入三羧酸循環(huán)，代謝物草酰乙酸經(jīng)轉(zhuǎn)氨酶作用生成天冬氨酸后再經(jīng)多步酶催化反應(yīng)生成賴(lài)氨酸﹐其中綠色標(biāo)記的基因是谷氨酸棒狀桿菌體內(nèi)所特有的。

此外，具有清晰遺傳背景的大腸桿菌，也具有利用多種底物生產(chǎn)1,5-二氨基戊烷的能力，最重要的是合成1,5-二氨基戊烷的關(guān)鍵酶賴(lài)氨酸脫羧酶能夠在E.coli中天然表達(dá)，如圖1-5所示，紅色標(biāo)記為1,5-二氨基戊烷合成途徑中的關(guān)鍵酶，黃色標(biāo)記為1,5-二氨基戊烷分解途徑的基因和產(chǎn)物，是大腸桿菌體內(nèi)所特有的。

參考文獻(xiàn)

[1] 黎明, 唐奇, 李東霞等. 谷氨酸棒桿菌發(fā)酵生產(chǎn)1,5-戊二胺的代謝流分析[J]. 天津科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 30(01):9-13.

[2] 米佳黎. 生物轉(zhuǎn)化及混菌發(fā)酵合成1,5-戊二胺[D]. 天津大學(xué), 2021, 2-15.