甘油酸的生產(chǎn)方法及其應用研究進展

范文利　包歡新　張焱

摘要以甘油酸的生產(chǎn)和應用為例，總結(jié)了近年來國內(nèi)外的研究進展，針對我國生物柴油及其副產(chǎn)物——甘油的發(fā)展趨勢，分析了不同構(gòu)型的甘油酸的生產(chǎn)方法和應用前景，為社會完善甘油酸生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，提高甘油的生物利用率提供了參考。

關鍵詞甘油酸；生產(chǎn)工藝；生物活性

中圖分類號S-3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）36-0116-03

AbstractWe took the production and applications of glyceric acid as an example，introduced the related research progresses at home and abroad，and summarized the production methods and applications prospects of glyceric acid with different configurations in allusion to the development tendency of biodiesel and its byproduct （glycerinum），hoping to improve the production industry chain of glyceric acid and the bioavailability of glycerin.

Key wordsGlyceric acid；Production process；Biological activity

生物柴油是指利用生物油脂生產(chǎn)的生物燃料，可以替代化石柴油，主要成分為長鏈脂肪酸的單烷基酯。生物柴油與傳統(tǒng)的化石柴油相比有很多的優(yōu)越性，不僅具有較高的安全性能和良好的燃燒性能，還可延長催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命。最重要的是，作為生物可降解的可再生能源，生物柴油的使用將大幅度減少 CO2的排放，減緩溫室效應，生物柴油的硫和芳香烷烴含量較少，可大大減小燃燒尾氣毒性，其對環(huán)境的影響遠小于化石燃料。

近十幾年來，生物柴油產(chǎn)業(yè)在世界各國發(fā)展很快，主要應用國家包括美國和歐盟各國。在制備生物柴油的過程中，每生產(chǎn)10 t生物柴油會副產(chǎn)約1 t的甘油。隨著生物柴油的規(guī)?；a(chǎn)，副產(chǎn)甘油的有效利用已成為影響生物柴油企業(yè)發(fā)展的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)甘油可通過現(xiàn)有的科技手段轉(zhuǎn)化成為具有多種生物活性和實際應用價值的甘油酸。

甘油酸（glyceric acid，化學名2，3-dihydroxypropionic acid）分子含有3個官能團，化學性質(zhì)活潑，廣泛參與聚合、縮合等化學反應，是一種重要的化學合成的中間體和多功能試劑，也是一種重要的甘油衍生物，分為D 型和L型，由于體內(nèi)酶種類的不同，這2種異構(gòu)體來源于體內(nèi)不同的代謝過程，而目前只發(fā)現(xiàn)D-甘油酸具有生物學活性[1]，具有利尿、刺激肝組織再生、降膽固醇、加速體

內(nèi)乙醇和乙醛的氧化代謝等功能。當人體血液或者尿液中的其中一種異構(gòu)體濃度異常將會引起不同類型的疾病[2]。D-甘油酸是一種重要的具有多種生物功能的甘油衍生物，在化工合成及醫(yī)藥保健等行業(yè)中具有廣泛的應用[3]。而目前對D-甘油酸的生產(chǎn)方法主要有化學合成法、生物發(fā)酵法及生物轉(zhuǎn)化法等[4]，不同的生產(chǎn)方法對應的產(chǎn)品應用領域也各不相同，利用該物質(zhì)為原料合成手型化合物和藥物以及類脂物質(zhì)是目前研究的熱點領域。雖然D-甘油酸及其衍生物有重要的生物學功能，但是現(xiàn)有的來源比較單一，D-甘油酸主要來源于豆科植物蠶豆（Vicia faba L.）的葉、花、豆莢，葡萄科植物葡萄（Vitis vinifera L.）的葉等，產(chǎn)量很低，價格昂貴，市場售價高達80萬元/t，市場潛力巨大。

隨著現(xiàn)代細胞工程、微生物工程及酶工程等生物科技的發(fā)展以及各種生物活性檢測方法的完善，關于D-甘油酸的生產(chǎn)應用及其相關活性的研究引起了人們的廣泛關注。筆者綜述了近幾年國內(nèi)外關于D-甘油酸的生產(chǎn)工藝及其相關的生物活性檢測手段的研究進展，以期為D-甘油酸的進一步研究與利用提供參考。

1D-甘油酸的生產(chǎn)方法

1.1化學合成法

化學合成法是指通過一系列化學反應得到1種或多種產(chǎn)物的方法。合成通常表現(xiàn)為通過物理或化學方法操縱的1步或多步反應，其實質(zhì)是為了得到不同類型、不同性質(zhì)的有機物，而通過化學反應使有機物的碳鏈增長、縮短或在碳鏈上引入甚至調(diào)換各種官能團。近年來，很多種類的已知明確結(jié)構(gòu)的化合物均可通過化學合成的方法進行生產(chǎn)，如番茄紅素、香蘭素、兒茶素以及一些類靶向抗腫瘤藥物等，可達到很高的純度，且生產(chǎn)量非?？捎^。

甘油是以天然油脂為原料生產(chǎn)柴油的副產(chǎn)物（10%），隨著世界范圍內(nèi)柴油產(chǎn)量的提高，甘油的高效利用成為了生物柴油產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的難題[5]。甘油的選擇性氧化產(chǎn)物D-甘油酸是生化研究中的一種重要活性物質(zhì)，可用于肌肉生理學、制藥工程和有機合成，但由于其工業(yè)化生產(chǎn)方法的不健全以及化學合成的產(chǎn)物中將有50%的無活性的L-甘油酸，分離難度很大，且生產(chǎn)過程容易造成環(huán)境污染，從而導致其市場價格一直較高[6-7]。

1.2微生物發(fā)酵法微生物發(fā)酵法是生物工程的一個重要組成部分，通過微生物對碳水化合物的發(fā)酵從而生產(chǎn)出各種工業(yè)溶劑和化工原料，如酒精發(fā)酵過程中釀酒酵母利用葡萄糖、蔗糖或麥芽糖發(fā)酵生產(chǎn)出乙醇，丙酮-丁醇發(fā)酵過程中糖丙酮-丁醇梭菌以糖蜜、纖維素水解液或亞硫酸紙漿廢液等糖質(zhì)為原料發(fā)酵進行生物化學反應生產(chǎn)丁醇等，之后又將微生物發(fā)酵應用于中藥的炮制。

現(xiàn)代發(fā)酵過程研究表明，微生物菌群具有多種生物轉(zhuǎn)化能力，如氧化、酯化、甲基化、羥基化、還原化等。中草藥經(jīng)發(fā)酵的產(chǎn)品不僅降低了用藥成本，而且更具生物活性，服用后可被機體組織細胞迅速吸收，從而更好地發(fā)揮天然中草藥的藥效，達到祛病、健體、增強免疫調(diào)節(jié)的功能。近年來微生物發(fā)酵也被證實可利用于生產(chǎn)甘油酸，但也僅限于D-甘油酸。

和化學合成法相比，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)D-甘油酸，可以通過大規(guī)模發(fā)酵實現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)，從而降低D-甘油酸生產(chǎn)成本，滿足市場需要。微生物發(fā)酵法有著廣闊的前景，但目前只有日本、德國等有微生物發(fā)酵生產(chǎn)D-甘油酸的報道，且為實驗室規(guī)模，產(chǎn)率較低，不能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。目前該法后期需要從發(fā)酵液中分離得到純度較高的D-甘油酸，但其生產(chǎn)效率有限，且使用過程中發(fā)酵液中的細胞常黏附于膜上，從而大大縮短了膜的使用壽命，限制了其實際應用。

1.3生物轉(zhuǎn)化法

生物轉(zhuǎn)化是指利用生物體系多種酶催化作用對外源化學物進行特異性結(jié)構(gòu)修飾，以獲得有所需目的產(chǎn)物的化學反應過程[8-9]。生物轉(zhuǎn)化具有優(yōu)良的化學、區(qū)域和立體選擇性的優(yōu)點，反應條件溫和，轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少，能夠進行傳統(tǒng)有機合成難以進行的化學反應[10]，且生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物被認為是環(huán)保、天然的[11]。

據(jù)報道，一株弗托氏葡糖桿菌屬的乙酸菌NBRC103465可將甘油轉(zhuǎn)化成為甘油酸，其中D-甘油酸含量可達72%，另一株熱帶醋酸桿菌NBRC16470也可從含甘油的培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)化成為甘油酸，D-甘油酸含量達99%[12]。此外，還可以在生物轉(zhuǎn)化過程中補加底物以及可能起著關鍵作用的各種中間產(chǎn)物，提高D-甘油酸的產(chǎn)量并縮短發(fā)酵周期。生物合成過程中產(chǎn)物的反饋抑制會極大降低轉(zhuǎn)化效率，因此，還需要利用特定的離子交換樹脂作為吸附劑，用于轉(zhuǎn)化過程中D-甘油酸的富集并解除產(chǎn)物的反饋抑制作用。

利用生物轉(zhuǎn)化方式生產(chǎn)自然界中缺少的物質(zhì)是一個非常廣闊的極具知識創(chuàng)新價值的研究領域，D-甘油酸的生物轉(zhuǎn)化方法不僅具有豐富新穎的研究結(jié)果，而且在技術上和工業(yè)上具有巨大應用開發(fā)潛力。自動發(fā)酵設備和現(xiàn)代檢測分析的快速發(fā)展已經(jīng)使人們對發(fā)酵生產(chǎn)和產(chǎn)物分析分離過程的監(jiān)控成為可能。

2D-甘油酸的生物活性

2.1解酒保肝

在全世界范圍內(nèi)普遍存在酒精濫用問題，酒精中毒可嚴重損害人類身心健康，影響全身多組織器官，尤其是肝臟。人體長期飲酒或短期大量飲酒會造成乙醇在肝臟的過度累積，導致肝細胞發(fā)生脂肪變性、炎癥和壞死等現(xiàn)象[13]，從而引發(fā)肝細胞損傷，導致肝臟病變，影響正常的生理功能，其發(fā)病機制與酒精代謝引發(fā)的氧化應激、線粒體損傷、肝細胞凋亡等密切相關[14]。西方國家已開發(fā)出多種可以治療酒精中毒的化學合成藥物，但大多存在各種毒副作用；亞洲國家則偏向于天然藥物的利用，從中草藥中提取各種活性成分，作用于多靶點，通過多向調(diào)節(jié)達到解酒保肝的目的。近年來，Eriksson等[15]發(fā)現(xiàn)D-甘油酸可有效加速大鼠體內(nèi)乙醇的氧化，減小乙醇對機體的損傷，Hebe等[16]將不同的甘油酸鈣鹽與一定濃度的乙醇處理過的人胃癌細胞共培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)，2種甘油酸的混合物比任何1種表現(xiàn)出更強的體外抵抗酒精損傷的能力。

2.2降低膽固醇

膽固醇又稱膽甾醇，是一種環(huán)戊烷多氫菲的衍生物，有來自膳食中和自身肝臟合成兩部分組成，廣泛存在于大腦及神經(jīng)組織中，同時在腎、脾、皮膚、肝和膽汁中含量也高。膽固醇在動物體內(nèi)不能被完全氧化分解為機體提供能量，而是主要參與細胞膜、膽汁酸，維生素D以及甾體激素的生成，在物質(zhì)代謝和酶促反應方面發(fā)揮重要作用，同時可在血液中參與運輸膽固醇酯和甘油三酯。但低密度膽固醇的偏高會增加冠心病的危險性，而高密度膽固醇能把周圍組織（如巨噬細胞），包括動脈粥樣硬化斑塊內(nèi)的膽固醇與磷脂轉(zhuǎn)移到肝臟，經(jīng)膽汁排出體外，此外還具有抗氧化、抗炎癥、改善血管內(nèi)皮功能和抑制血栓形成等作用[17]。目前已有一些化學藥物可快速降低體內(nèi)血清膽固醇水平，但通常伴隨著較明顯的副作用，且長期服用成本高，易反復。Handa等[18]研究發(fā)現(xiàn)甘油酸也同樣具有降低低密度膽固醇的作用，且無明顯的副作用。

2.3利尿

腎臟和膀胱方面的疾病會引起排尿困難、全日總尿量減少等的癥狀。目前對該類癥狀進行治療時以通利小便為主，輔以滋補脾腎，并在保持食物營養(yǎng)的原則下，飲食以清淡為主，且需給予充分的熱量以節(jié)約蛋白質(zhì)的利用，從而減輕腎臟的負擔，同時還補充足量維生素，適量增加飲水量，以調(diào)節(jié)體內(nèi)的酸堿平衡，注意休息。

在長期的臨床應用中，車前子和車前草等藥材常被用于治療水腫脹滿、熱淋澀痛等癥，可有效促進Na+、K+、Cl-排泄。

D-甘油酸具有利尿的功能。

3L-甘油酸的研究進展

研究發(fā)現(xiàn)很多菌株可大量生產(chǎn)D-甘油酸，然而目前L-甘油酸并不能通過微生物從原料（如甘油）中生產(chǎn)[19]，但可通過化學合成的方式獲得。近年來，L-甘油酸已經(jīng)成為磷脂酰膽堿類似物基團和光學純L-己糖等附加化學品的主要原料[20-21]，而L-己糖是幾種生物活性低聚糖、抗生素、糖肽、萜烯苷、類固醇糖苷及多種臨床藥物的關鍵成分[22]。大多數(shù)的糖類化合物以右旋（D-）的形式在自然界存在，且經(jīng)常用于合成復雜的天然產(chǎn)物，相比之下，相應的左旋化合物（L-）在自然界十分罕見，價格昂貴。因此，左旋化合物在有機化學中的應用受到了很大限制。

研究表明，以L-甘油酸為原料合成的其他對映體純化學物質(zhì)可能在許多化學、藥理學和生物學應用中發(fā)揮重要作用。盡管L-甘油酸具有潛在的重要性，但其生產(chǎn)成本依然較高，目前可采用的生產(chǎn)方法主要還是化學合成和微生物轉(zhuǎn)化法[19]。但這些方法生產(chǎn)的甘油酸為2種構(gòu)型的混合物，需要根據(jù)特性進行分離。

4展望

生物柴油已經(jīng)成為我國對可再生資源的研究熱點，因而目前對作為生物柴油的副產(chǎn)物——甘油的有效利用也需投入大量的研究，使生物柴油行業(yè)的綜合利用率提高，經(jīng)濟效益得到提升。以生物柴油副產(chǎn)物——粗甘油為原料，利用先進的技術將其轉(zhuǎn)化為高附加值的D-甘油酸，不僅可以解決目前D-甘油酸生產(chǎn)成本過高、產(chǎn)量較低的問題，而且可以帶動以D-甘油酸為中間體的其他生物產(chǎn)品的發(fā)展，形成一條完善的產(chǎn)業(yè)鏈，而轉(zhuǎn)化的L-甘油酸也同樣可在許多化學、藥理學和生物學應用中發(fā)揮重要作用。

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