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精氨酸脱亚胺酶(ADI)为精氨酸脱亚胺酶系(ADS)的组成酶之一。ADS包括ADI、OTC(鸟氨酸氨甲酰转移酶)、CK(氨甲酰磷酸激酶)及其他相关酶或蛋白质，能催化L—精氨酸转化为L—鸟氨酸、二氧化碳、氨，并产生ATP。ADS常见于众多细菌和少数低等真核生物，在不同个体中其生理功能不尽相同。对ADS中ADI的研究最为引人关注。本文以ADI的高酶活发酵与应用为研究目标，对高酶活菌株筛选、ADI发酵过程的培养条件、发酵机理、酶学性质及其中在L—瓜氨酸、L—鸟氨酸、D—精氨酸的酶法制备中的应用进行了较为系统的研究，主要内容包括以下几个方面：
1)利用特定的鉴别培养基，并经过大量筛选比较试验，获得1株具有较高ADI活力的菌株(编号为NJ402)。经形态学与培养特性研究，NJ402符合链球菌特点；微量生化鉴定，NJ402过氧化氢酶和氧化酶均为阴性，能发酵七叶苷，符合肠球菌基本特点； API-20 STREPT系统检测结果表明NJ402为粪肠球菌。VITEK compact 2自动鉴定仪分析结果进一步确证，NJ402为Enterococcus．faecalis，其可信度为99％(高度可信)。考察了斜面低温保藏法、深层液体保藏法、液体石蜡保藏法、甘油低温保藏法以及冻干保藏法等不同保藏方法对NJ402菌体生长与产ADI能力的影响，发现前四种保藏方法均不适合于NJ402产ADI的长期保藏，保藏时间对菌体产ADI的影响比较大。而冻干法保藏的NJ402菌体在测定的时间内，经适当活化后产ADI酶活力及菌体生长能力均无显著差异。粪肠球菌为安全菌株，符合国家相关规定，能应用于此后的相关研究工作与产品制备。
2)通过考察发酵条件对ADI比酶活大小的影响，确定了产ADI最佳发酵培养基组成为(g/L)：牛肉膏2.5，蛋白胨10，酵母浸膏5，蔗糖15，NaCl3，KH2PO42，MgSO40.01，MnSO40.0025，L—精氨酸15；最佳发酵条件为：接种量4-5％，培养温度37℃，起始pH 7.5，在500 mL摇瓶中装液量50 mL的条件下培养8-10h可获得最高比酶活2.53 U/mL。通过在不同通风量(Q)条件下搅拌转速(N)与体积溶氧系数(KLa)的回归分析，得到了N、KLa与Q的相关关系的数学模型：KLa=[0.20831n(Q)+0.0084]N，即KLa是通风搅拌强度的函数。经100 L发酵罐放大试验，NJ402菌体生长与产ADI能力比较稳定，进一步确保了此前所得发酵参数的可靠性。初步讨论了高浓度玉米浆对ADI发酵阻碍作用的机理，发现当L—亮氨酸(Leu)浓度为0.4 g/L时，ADI的比酶活只有0.85 U/mL，仅为对照酶活的35％，当Leu的浓度进一步升高的后，ADI比酶活仍有下降。另外，高浓度的L—天冬氨酸(Asp)对ADI发酵也有一定程度的阻碍作用。因此确定了Leu和Asp为ADI表达的两个阻碍物。
3)在ADI产生机理研究过程中发现，当发酵培养基中有一定量的L—精氨酸时，NJ402菌体生长与ADI发酵是偶联型的。同时也能看出发酵前期菌体生长与发酵环境pH变化的关系，即随着菌体的生长，环境pH下降。菌体生长导致发酵环境pH下降的原因就在于发酵培养基中碳源物质蔗糖的分解代谢产生乳酸所致。而发酵后期，环境pH的上升又与ADI比活力的提高有同步性，说明L—精氨酸代谢能调节发酵环境的pH。当利用外源碱液来维持相对稳定的环境pH时，菌体生长与ADI比活力都受到了一定程度的影响，但发现较低pH环境有利于ADI的产生，而较高的环境pH时产ADI受阻，进一步说明，NJ402产生ADI代谢L—精氨酸的目的是为了调节菌体生长环境的pH变化。
4)NJ402细胞超声破碎液经过硫酸铵分级沉淀分离，ADI纯度提高了2.7倍，活力回收率为90％，得到以ADI为主的蛋白收集。经电泳检测，推测其分子量大约为46 kDa。以粗酶液为基础的酶学性质研究为此后ADI利用提供了较为可靠的数据。NJ402 ADI的最适催化pH环境为6.5。酶在pH 5—8的环境条件下较为稳定。温度变化对ADI的影响较为显著，45℃时酶活力最高，NJ402 ADI热稳定性较好，对高温有一定的耐受性。NJ402 ADI是L—型脱亚胺酶，具有严格的光学选择性。酶促反应符合简单的米氏方程，ADI在最佳催化条件下对L—精氨酸的米氏常数为1.1 mM，最大反应速度为116 μM/min。NJ402 ADI与大多数文献报道过的ADI-样，是金属依赖性酶，金属螯合剂EDTA对ADI有明显抑制作用。二价金属离子对酶有较大的影响，适当浓度的Mn2+、Mg2+、Co2+对ADI催化活力的促进作用较大。高浓度的Zn2+和Co2+对ADI有一定程度的抑制作用。L—瓜氨酸对ADI无抑制作用而L—鸟氨酸却表现出较强的抑制作用，当转化体系中L—鸟氨酸浓度为0.05 M时ADI对L—精氨酸的Ki为12.73 mM，最大反应速度Vmax也只有原来的90％。
5)NJ402菌体用于L—瓜氨酸酶法制备时，需要经过适当的表面活性剂处理，本文确立了以浓度为0.035％的CTAB为最优处理条件，此时的NJ402菌体催化效率最高，且无L—鸟氨酸的形成。NJ402的催化效率受金属离子的影响，其中0.1 mM的Co2+能提高催化效率约50％；而高浓度的Cu2+和Zn2+对催化效率有强烈的抑制作用。经考察，几种常见细胞固定化处理中，以海藻酸钠包埋和半透膜固定较为适用于NJ402催化L—瓜氨酸的制备工艺过程。其中半透膜固定处理能极大的延长菌体的使用寿命。在NJ402催化L—瓜氨酸产生过程中，以45℃、pH6.5时催化效率最高。海藻酸钠包埋有利于提高NJ402的热稳定性。在NJ402制备L—瓜氨酸的中试规模条件下，L—精氨酸转化率为100％，L—瓜氨酸收率大于93％，产品质量符合日本味之素公司AJI药用级标准。
6)通过对酶法制备D—精氨酸及L—鸟氨酸过程中催化条件的研究，确定了NJ402催化L—精氨酸转化所需要的适宜条件为：转化温度37℃，转化液起始pH以7.0为最佳。NJ402菌体经0.015％的CTAB处理后催化效率能有显著提高，且0.1 mMCo2+对催化过程的促进作用明显。研究过程中发现转化体系中高浓度的精氨酸(D—，L—均可)有利于催化效率的提高，由此开发出利用NJ402折分外消旋精氨酸的新工艺，即能在转化体系中获得D—精氨酸，又能提高L—鸟氨酸的产生效率。100 g DL—精氨酸经NJ402固定化柱催化，转化液经阳离子交换树脂分离，最后得D—精氨酸30.3 g，L—鸟氨酸33.1 g，分别为理论收率的60.6％和68.2％，产品质量符合相关企业标准。