手性是自然界的基本属性之一,构成生命有机体的分子绝大多数都是不对称的手性分子,这些大分子在生命体内具有重要的生理功能。氨基酸作为一种常见的手性化合物,广泛应用于医疗、食品、保健品及饲料等与人类生活和健康密切相关的几大行业。其中,D-氨基酸作为医药及食品领域的重要原材料,被广泛用于半合成抗生素、多肽激素、杀虫剂和甜味剂等生产。一般而言,氨基酸的生产方法有发酵法、化学合成法和酶法合成。酶法合成与普通化学合成相比,具有高效、环保、安全和适合大规模生产等优点。随着人们环境意识的增强,资源综合利用,清洁生产,低碳节能已成为全球发展的大趋势。以最小的环境影响,最少的资源消耗,最优的管理模式实现最合理的经济增长,走可持续发展之路已成为各国经济社会发展的共识。本文利用自主构建的大肠杆菌工程菌,进行了一系列D-p-羟基-氨基酸、D-氨基酸和非天然L-氨基酸酶法合成研究；利用高活性、高选择性和盐耐受性的基因工程菌,以角蛋白水解母液为原料,酶法合成高附加值L-色氨酸；同时对大肠杆菌基因工程菌发酵培养基组成及发酵条件进行了优化。具体工作如下：1.重组表达了丝氨酸羟甲基转移酶,该酶具有广泛的底物特异性,可以DL苏式-羟基氨基酸为底物光学拆分获得D-p-羟基氨基酸。在论文第二章,以苯甲醛及其衍生物为原料化学合成了DL-苏式-羟基氨基酸,研究了该酶对不同DL-苏式-羟基氨基酸的Km值和Vmax等动力学常数,优化了酶促反应条件,最适条件为：pH 7.5,反应温度45℃,底物浓度200mmol/L。经酶法拆分后,产物光学纯度达97%以上。经固定化处理,酶的操作稳定性显著提高,固定化细胞可以连续使用10次,前5次的平均转化率为84.1%。2.重组表达了色氨酸合成酶和色氨酸酶,前者能以丝氨酸为底物合成色氨酸,后者能以丝氨酸或半胱氨酸为底物合成色氨酸。在以角蛋白水解母液为底物时,色氨酸合成酶表现出明显优势,物料中丝氨酸转化率达95.1%,转化液色氨酸浓度可达33.2 g/L。最适条件为：pH 8.0,反应温度40℃,0.04%的吐温-80 (10%v/v)。在75 g/L氯化铵浓度条件下,色氨酸合成酶的催化活性无明显降低,预示该酶在工业化应用中具有极大地潜力。建立了转化体系中半胱氨酸、色氨酸浓度的跟踪检测方法,以二价铜离子和二甲酚橙为显色剂,在pH 6.0醋酸钠缓冲液中,可定量测定酶转化液中半胱氨酸含量。以1:3(v/v)甲酸和盐酸为显色剂,可定量测定酶转化液中色氨酸含量。3.重组表达了芳香族氨基酸转氨酸,该酶能将氨基供体上的氨基转移到酮酸上生成相应的氨基酸。本论文第四章合成了4-甲砜基苯丙酮酸系列衍生物,并以之为氨基受体,三种芳香族氨基酸、三种支链氨基酸、二种酸性氨基酸等为氨基供体,研究了芳香族氨基酸转氨酸的催化活性。发现以L-色氨酸为氨基供体、4-甲砜基苯丙酮酸为氨基受体时,酶的催化效率最高,反应平衡时氨基受体的转化率达84.4%。最适条件为：转化温度40℃,pH 8.5。该方法同样适用于L-4-硝基苯丙氨酸和L-4-甲氧基苯丙氨酸的合成,为酶法合成其它非天然氨基酸衍生物提供了新思路。4.以重组天冬氨酸酶为例,运用Plackett-Burman和Box-Behnken设计,从11个发酵相关的影响因素中筛选出4个重要因素,并研究了因素间的交互作用。对分析结果的放大验证实验发现,1.05%(m/v)的蛋白胨、8.23%(m/v)的玉米浆、1.12%(m/v)的乳糖、培养20.78 h的理论酶活为3985 U,实际酶活为4100.5 U。优化后,天冬氨酸酶的初始反应速率、底物浓度及转化率均有不同程度的提高。本论文着眼于国家氨基酸产业发展趋势,立足于企业发展实际需求,以生物酶法开发利用工农业生产副产物,为环境友好、资源节约、低碳高效的可持续发展道路做出了积极地探索。同时以化学生物耦合法合成多种重要手性药物前体,制备多种手性非天然氨基酸化合物,具有重要的理论意义和应用潜力。