仇鈺瑩，方芳，堵國成，陳堅(jiān),4

?

葡萄糖二酸研究進(jìn)展

仇鈺瑩1,2，方芳1,2，堵國成2,3,4，陳堅(jiān)1,2,4

1 江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122 2 食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇無錫 214122 3 江南大學(xué)糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122 4 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122

仇鈺瑩, 方芳, 堵國成, 等. 葡萄糖二酸研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2015, 31(4): 481–490.Qiu YY, Fang F, Du GC, et al. Progress in glucaric acid. Chin J Biotech, 2015, 31(4): 481–490.

葡萄糖二酸是一種葡萄糖衍生物，可作為原料制備多種聚合物和生物質(zhì)新能源，在化工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是“最具價(jià)值的生物煉制產(chǎn)品”之一。葡萄糖二酸也具有調(diào)控體內(nèi)激素、提高機(jī)體免疫功能、減少癌癥病發(fā)的作用，它在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的關(guān)注度和市場需求逐年增加。目前葡萄糖二酸的制備主要依靠化學(xué)氧化法生產(chǎn)，用微生物法合成的研究還處于初級探索階段。本文綜述了葡萄糖二酸的在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，闡述了其生產(chǎn)方法及測定手段，并對微生物法生產(chǎn)葡萄糖二酸進(jìn)行了展望。

葡萄糖二酸，生物合成，測定，大腸桿菌，糖醛酸

葡萄糖二酸 (Glucaric acid，簡稱GA) 是一種無毒的葡萄糖衍生物，天然存在于葡萄柚、蘋果、橘子等水果和十字花科蔬菜中，在少量哺乳動物及人體內(nèi)也有分泌[1]。早在1964年，就有學(xué)者提出補(bǔ)充糖醛酸類物質(zhì)，可能有利于提高人體的自然防御機(jī)制，有助于消除致癌物質(zhì)，減少癌癥病發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[2]。隨著研究的深入，葡萄糖二酸及其衍生物——葡萄糖二酸1,4-內(nèi)酯(DSL) 因其在降低膽固醇、調(diào)控人體內(nèi)激素水平等方面發(fā)揮的作用逐漸受到醫(yī)學(xué)界的重視。補(bǔ)充葡萄糖二酸及其衍生物將有可能成為預(yù)防和輔助治療癌癥的新對策。葡萄糖二酸在化工領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。如可作為聚合物合成的基本單元合成聚酰胺類、羥基化的尼龍 (PHPAs) 及聚二甲基硅氧烷 (BDMS) 聚酰胺[3-5]，合成生物可降解聚合物、緩釋肥料、各種薄膜等[6-7]，也可作為原料生產(chǎn)無毒、可生物降解的磷酸鹽替代物[8]，用于家用洗滌劑、防腐劑和混凝土外加劑等。葡萄糖二酸還可在電鍍中作為金屬防腐的螯合劑[9]。2004年，葡萄糖二酸被美國能源部 (DOE) 確定為12種“最具有價(jià)值的生物煉制產(chǎn)品” (Top value added chemicals from biomass) 之一，它作為合成多種高效環(huán)保的新興生物質(zhì)能源的原料，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值[10]。

1 葡萄糖二酸簡介

葡萄糖二酸是含有4個(gè)手性碳原子的化合物，通常以手性化合物D-葡萄糖二酸的形式存在，在水溶液中會自發(fā)氧化，形成單內(nèi)酯D-葡萄糖二酸-1,4內(nèi)酯和D-葡萄糖二酸-3,6內(nèi)酯以及少量的雙內(nèi)酯D-葡萄糖二酸-1,4;3,6-內(nèi)酯。在水溶液中，葡萄糖二酸以上述4種化合物形式共同存在[11]。20世紀(jì)六七十年代，就有研究者從櫻桃、柑橘等水果和豆類等蔬菜及落葉松等裸子植物的針葉中檢測到葡萄糖二酸的存在[12-13]，在葡萄和柑橘類水果中含量相對較高(3–4 g/kg)，但在果蔬中的總體含量很低(約1 g/kg)[14]。

1.1 葡萄糖二酸的應(yīng)用

近20年來，人們對葡萄糖二酸在人體內(nèi)的代謝功能做了較為細(xì)致的研究。在哺乳動物體內(nèi)，葡萄糖二酸和葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯是糖醛酸途徑的終產(chǎn)物，它們能夠有效抑制β-葡萄糖醛酸酶 (β-glucuronidase，簡稱βG) 的活性。腸道中的β-葡萄糖醛酸酶可催化葡萄糖醛酸與內(nèi)外源毒素、膽紅素等物質(zhì)結(jié)合，將致癌物前體轉(zhuǎn)化為致癌物，并在膽結(jié)石形成過程中起重要作用[15]。D-葡萄糖二酸及其衍生物可通過參與人體代謝活動調(diào)節(jié)體內(nèi)激素環(huán)境 (降低類固醇和部分非類固醇如泌乳刺激素含量) 發(fā)揮化學(xué)防癌作用，預(yù)防和有效抑制如食道癌、結(jié)腸癌、激素依賴性癌癥乳腺癌、肝癌、皮膚癌和膀胱癌等病癥[16-21]，并具有降低膽固醇、治療糖尿病等作用[1,22]。最近有研究表明葡萄糖二酸可以降低β-葡萄糖醛酸酶活性，輔助降低雌激素 (葡萄糖醛酸化雌二酮Glucuronidated estradiol) 負(fù)擔(dān)[23-24]，從而降低患乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)。雖然動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這一可能性，但目前還沒有評估D-葡萄糖二酸營養(yǎng)補(bǔ)充劑是否對乳腺癌有治療或預(yù)防效果的臨床試驗(yàn)結(jié)果。另外，與葡萄糖二酸可相互轉(zhuǎn)化的葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯有很強(qiáng)的解毒和抗氧化性能[25-27]，它可以抑制胰島β細(xì)胞凋亡減輕四氧嘧啶 (ALX) 誘導(dǎo)的糖尿病[28]，緩解鹽酸伊立替康 (CPT-11) 引起的腸道黏膜損傷[29]。研究表明，每千克體重?cái)z入4.5 mmol葡萄糖二酸鈣對β-葡糖苷酸酶能發(fā)揮較明顯的抑制作用。由于果蔬中葡萄糖二酸含量微少，通過飲食攝入的葡萄糖二酸含量遠(yuǎn)低于可對β-葡糖苷酸酶起抑制作用的水平，因此機(jī)體需要額外攝入D-葡萄糖二酸及相關(guān)的衍生物來達(dá)到預(yù)防和治療疾病的效果[14]。

1.2 葡萄糖二酸的市場需求

葡萄糖二酸有較廣泛的應(yīng)用，隨著醫(yī)藥領(lǐng)域的深入研究，添加D-葡萄糖二酸鈣的強(qiáng)化奶粉和乳制品已用于商業(yè)化生產(chǎn)，醫(yī)藥制劑也正在開發(fā)階段[30]。1998年，世界范圍內(nèi)的葡萄糖二酸消耗量已達(dá)到4.1萬t[31]。美國Rivertop Renewables公司經(jīng)過多年研究率先于2012年將從葡萄糖轉(zhuǎn)化葡萄糖二酸的生產(chǎn)由實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，達(dá)到了單批次生產(chǎn)385.5 kg的規(guī)模。近期，英國Johnson Matthey Davy技術(shù)公司與美國Rennovia公司也在聯(lián)合開發(fā)生產(chǎn)葡萄糖二酸和己二酸[32]。

2 葡萄糖二酸的測定

2.1 高效液相色譜法

高效液相色譜法 (HPLC法) 是目前檢測葡萄糖二酸較常見的方法，具有樣品處理簡便、定量精確的特點(diǎn)。測定采用有機(jī)酸的檢測方法，使用極性反相色譜柱分離樣品，用酸性流動相以防止有機(jī)酸解離 (表1)。通常情況下葡萄糖二酸在色譜柱上有較好的保留，并呈現(xiàn)出對稱的峰形。但本課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，葡萄糖酸和葡萄糖二酸在HPLC法分離條件下的出峰時(shí)間相近，在色譜圖上呈現(xiàn)出一個(gè)峰。因此，用HPLC法不能將二者完全分離，進(jìn)而無法進(jìn)行準(zhǔn)確定量和分析。如果被檢測樣品中同時(shí)含有葡萄糖二酸和葡萄糖酸，通常需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理。如利用H+型樹脂先吸附雜質(zhì)鹽類[33]，再利用硼酸凝膠 (Bio-Rad公司) 去除雜酸和其他雜質(zhì)。硼酸凝膠中的硼酸酯基團(tuán)因具有可親和吸附共平面順式二羥基的特性[34]，能夠有效區(qū)分是否存在順式二羥基的物質(zhì)，因而它可與葡萄糖二酸特異性緊密結(jié)合。用磷酸鹽緩沖液可洗去未結(jié)合的雜酸 (葡萄糖酸、抗壞血酸等)，最后用鹽酸洗脫獲得葡萄糖二酸，達(dá)到去除干擾測定雜質(zhì)的目的。

表1 HPLC法定量分析葡萄糖二酸

*N.A.: not available

2.2 離子色譜法

離子色譜檢測法是一種新型的檢測葡萄糖二酸的手段。其分離原理是被檢測物質(zhì)經(jīng)過攜帶相反電荷的色譜柱分離，再由電化學(xué)檢測器或電導(dǎo)檢測儀通過電信號的強(qiáng)度進(jìn)行檢測。該方法具有簡單快速、靈敏度高、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在有機(jī)酸的檢測方面有較大優(yōu)勢[38]。用離子色譜法分析葡萄糖硝酸氧化的副產(chǎn)物，一些用HPLC法難以分離的葡萄糖酸、葡萄糖二酸與葡萄糖醛酸等葡萄糖酸衍生物分離度大大提高。

本研究室在前期的研究中，對HPLC法與離子色譜法的檢測效果進(jìn)行了比較。運(yùn)用離子色譜檢測葡萄糖二酸，以NaOH作為淋洗液梯度洗脫，可將葡萄糖酸和葡萄糖二酸完全分離并精確定量。

此外，也可運(yùn)用反相離子對液相色譜測定法測定糖類物質(zhì)[39]。通過加入離子對試劑四丁基硫酸氫銨與被測離子形成中性的離子對化合物，被檢測物質(zhì)在非極性固定相中溶解度增大，分離效果得到顯著提高。

2.3 其他檢測方法

咔唑比色法和葡萄糖酸脫氫酶反應(yīng)法是早期使用的測定尿液中葡萄糖二酸的方法[40-41]。但由于吸光度的檢測易受到抗壞血酸等內(nèi)源性物質(zhì)的干擾，酶反應(yīng)過程易受到酶純度的影響，無法精準(zhǔn)對葡萄糖二酸進(jìn)行定量分析[42]。

液相和質(zhì)譜聯(lián)用能夠鑒定含葡萄糖二酸的物質(zhì)組分，為檢測微生物代謝產(chǎn)葡萄糖二酸產(chǎn)物提供了參考依據(jù)[43]。氣相色譜-質(zhì)譜 (GC-MS) 可以精確定量D-葡萄糖二酸的衍生物以及葡萄糖醛酸途徑的其他代謝產(chǎn)物，但樣品衍生化處理步驟復(fù)雜且未被臨床和毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣泛使用[44-45]。

高效毛細(xì)管電泳測定(HPCE) 檢測有機(jī)酸和葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯的方法也已成功建立[46-47]，但同樣因設(shè)備局限性未能廣泛使用。

3 葡萄糖二酸的合成方法

3.1 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是目前化工領(lǐng)域制備葡萄糖二酸較為通用的方法。通過氧化D-葡萄糖生產(chǎn)D-葡萄糖二酸。D-葡萄糖氧化過程伴隨著D-葡萄糖酸、D-葡萄糖醛酸以及醛糖酸等多種物質(zhì)的生成 (圖1)，控制氧化反應(yīng)的作用位點(diǎn)和反應(yīng)條件是獲得較純葡萄糖二酸的關(guān)鍵因素。對葡萄糖二酸的原料和氧化劑的篩選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用蒽醌類和金屬做催化劑生成產(chǎn)物的選擇性差，成本高；用硝酸、二氧化氮、過氧化氫等強(qiáng)氧化劑合成葡萄糖二酸則有產(chǎn)率低，副產(chǎn)物多，需要后續(xù)處理等問題。因此，投入高、得率低 (絕大部分小于55%) 是目前化學(xué)氧化法生產(chǎn)葡萄糖二酸的主要問題。結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)物得率，當(dāng)前D-葡萄糖二酸的化學(xué)氧化法主要以硝酸氧化法和TEMPO氧化法為主。

3.1.1 硝酸氧化法

D-葡萄糖二酸的合成制備可追溯到19世紀(jì)，采用硝酸氧化葡萄糖的方法[48]，將葡萄糖氧化成為葡萄糖二酸及小分子量有機(jī)酸，通過控制反應(yīng)程度得到相應(yīng)產(chǎn)物。后來研究者在該方法的基礎(chǔ)上做出了一些改進(jìn)。如選用淀粉為原料，用硫酸水解，再加入濃硫酸、硝酸及催化劑MoO3，加熱至有氮氧化物氣體放出，再緩慢加入硝酸，減少了反應(yīng)的劇烈程度但葡萄糖二酸的收率僅為40%[49]?；蛴醚踝鳛榻K端氧化劑，用加氧加壓的方式在計(jì)算機(jī)控制的密閉反應(yīng)器中控制反應(yīng)溫度提高了硝酸的利用率并將產(chǎn)率提高到85%[50]。還有學(xué)者運(yùn)用各種類型的生物質(zhì)作為原料，將氧化反應(yīng)過程的時(shí)間降低到30 min[51]。硝酸氧化法最大的優(yōu)勢在于，硝酸可以既作為溶劑又作為試劑進(jìn)行反應(yīng)。不足之處在于，氧化葡萄糖末端羥基和伯醇羥基可以很容易得到葡萄糖二酸，然而氧化α-羥基碳可能會形成5-酮基-葡萄糖酸，氧化造成的C-C鍵斷裂會使產(chǎn)物分解最終形成草酸或碳酸。20世紀(jì)中期，硝酸氧化法已擴(kuò)大到工廠試驗(yàn)的規(guī)模[52-53]。但由于該方法投入高產(chǎn)出低 (得率<50%)，有劇烈放熱和較多的副反應(yīng)，并有大量NO和NO2等有害氣體排放，對環(huán)境造成污染，未能運(yùn)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

圖1 D-葡萄糖氧化產(chǎn)葡萄糖二酸及有機(jī)酸副產(chǎn)物[35]

3.1.2 TEMPO電化學(xué)氧化法

TEMPO氧化法是指利用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧自由基 (TEMPO) 介導(dǎo)的電化學(xué)氧化葡萄糖合成葡萄糖二酸的方法。TEMPO是20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的一種亞硝酰自由基，它的氮氧自由基能夠在氮氧之間移動形成共振結(jié)構(gòu)。由于它催化的氧化反應(yīng)無金屬參與且反應(yīng)條件溫和，對產(chǎn)物具有選擇性并能夠限制不可回收的副產(chǎn)物的產(chǎn)生，使之成為碳水化合物合成的理想介導(dǎo)物質(zhì)[54]。有研究者考察了不同pH、溫度和助氧化劑條件下該方法對D-葡萄糖氧化產(chǎn)物的影響，證實(shí)了在理想的反應(yīng)條件下，葡萄糖二酸的得率可以超過85%[55]。

3.2 微生物法生產(chǎn)葡萄糖二酸

微生物發(fā)酵法是長期以來實(shí)現(xiàn)有機(jī)酸高效環(huán)保生產(chǎn)的常用方法。同化學(xué)法相比，微生物發(fā)酵法在原料損耗、產(chǎn)品純度等方面有較大改善，成為一種更優(yōu)的合成方法。在哺乳動物體內(nèi)，由葡萄糖正常代謝獲得葡萄糖二酸需要經(jīng)過十步以上反應(yīng)[1]。目前用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)葡萄糖二酸的研究尚處于初級階段，并沒有關(guān)于微生物存在完整的從葡萄糖到葡萄糖二酸天然合成途徑的報(bào)道。而人工構(gòu)建葡萄糖二酸生物合成途徑，則主要是通過克隆和表達(dá)醛酸脫氫酶[56-57]實(shí)現(xiàn)將葡萄糖醛酸脫氫轉(zhuǎn)化為葡萄糖二酸，或者是在大腸桿菌內(nèi)構(gòu)建從葡萄糖到葡萄糖二酸的全合成途徑[36]。此外，研究者對糖醛酸途徑中與合成葡萄糖二酸的前體葡萄糖醛酸，和酸性條件下能與葡萄糖二酸相互轉(zhuǎn)化的葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和特性上的分析[58-59]?，F(xiàn)階段，葡萄糖二酸的微生物生產(chǎn)方法主要以合成生物學(xué)和紅茶菌發(fā)酵為代表。麻省理工學(xué)院Moon等用合成生物學(xué)技術(shù)手段對大腸桿菌進(jìn)行了改造，人工構(gòu)建了葡萄糖二酸的全合成途徑成功地實(shí)現(xiàn)葡萄糖二酸的生物合成。采用天然混合菌發(fā)酵的方法，可以合成少量的葡萄糖二酸和葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯 (表2)。

3.2.1 大腸桿菌工程菌合成葡萄糖二酸

首例微生物合成葡萄糖二酸的菌株是利用合成生物學(xué)的方法構(gòu)建的工程菌[36]。研究者通過引入3個(gè)外源基因——釀酒酵cc母中的肌醇-1-磷酸合成酶基因 ()，小鼠體內(nèi)的肌醇氧化酶基因 (MIOX)及丁香假單胞菌中的醛酸脫氫酶基因 () 進(jìn)行異源表達(dá)，在中構(gòu)建了葡萄糖二酸的生物代謝合成途徑 (圖2)。該途徑中，可使細(xì)胞代謝積累肌醇，MIOX催化肌醇轉(zhuǎn)化為葡萄糖醛酸，是關(guān)鍵步驟的限速酶，UDH催化葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)化生成葡萄糖二酸。該方法使葡萄糖二酸的產(chǎn)量由毫克級提高到了克級(1.13 g/L)。隨后，Eric等對MIOX基因進(jìn)行了強(qiáng)化，將以肌醇為底物的葡萄糖二酸的產(chǎn)量提高到4.85 g/L[60]。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)葡萄糖二酸在以肌醇為底物生產(chǎn)時(shí)存在產(chǎn)物限制，葡萄糖二酸的產(chǎn)量無法突破5 g/L，這是提高葡萄糖二酸產(chǎn)量需要繼續(xù)攻克的問題。在此基礎(chǔ)上，Kazunobu等嘗試使用多種來源的、MIOX和UDH構(gòu)建大腸桿菌葡萄糖二酸全合成途徑，添加并強(qiáng)化了肌醇單磷酸酯酶，采用補(bǔ)料發(fā)酵策略并控制培養(yǎng)基中葡萄糖水平，使以葡萄糖為底物生產(chǎn)葡萄糖二酸的產(chǎn)量達(dá)到了73 g/L[61]。

3.2.2 紅茶菌發(fā)酵產(chǎn)葡萄糖二酸

紅茶菌是以含有葡萄糖的茶水為原料，經(jīng)過醋酸菌、酵母菌和乳酸菌等多種微生物的復(fù)合體 (菌膠膜) 共同發(fā)酵而成的一種酸性飲料。一些學(xué)者對紅茶菌發(fā)酵液中的成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其培養(yǎng)液中含有較高含量的葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯 (8.6 mg/mL)，而在糖醛酸途徑中葡萄糖二酸是葡萄糖二酸-1,4-內(nèi)酯的前體，因而推測紅茶菌發(fā)酵液中含有較高含量的葡萄糖二酸[58]。由于微生物是否存在糖醛酸途徑尚未得到證實(shí)，該推斷還需進(jìn)一步驗(yàn)證才可以確認(rèn)。也有研究者用HPLC/MS/PAD (高效液相色譜/質(zhì)譜/光電掃描) 的方法對來自美國和世界其他地區(qū)的19種紅茶菌樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析，未檢測出葡萄糖二酸和葡萄糖醛酸[62]。由于培養(yǎng)條件、分析方法、菌種來源等差異得到的結(jié)果也存在差異，因此紅茶菌是否可以以葡萄糖為原料發(fā)酵生產(chǎn)葡萄糖二酸還需更多研究加以證實(shí)。

表2 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)葡萄糖二酸

圖2 基因改造大腸桿菌合成葡萄糖二酸途徑[36]

4 葡萄糖二酸研究展望

葡萄糖二酸作為化工、醫(yī)藥及食品等領(lǐng)域產(chǎn)品中的重要中間體，在降低成本、合成可再生能源和可持續(xù)發(fā)展等方面有巨大的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)潛力?，F(xiàn)階段葡萄糖二酸生產(chǎn)的化學(xué)方法日趨成熟，但是國內(nèi)外都未能形成規(guī)?；a(chǎn)。微生物法生產(chǎn)葡萄糖二酸仍處于研究階段，還需要對葡萄糖二酸在微生物體內(nèi)的代謝，對生產(chǎn)菌株的改良等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，對如何在發(fā)酵過程中提高合成產(chǎn)物的能力、提高發(fā)酵生產(chǎn)強(qiáng)度、縮短發(fā)酵時(shí)間等問題進(jìn)行發(fā)酵優(yōu)化。注重葡萄糖二酸的抗癌機(jī)制和可再生利用的特點(diǎn)對其進(jìn)行具體而深入的研究將使其應(yīng)用方面體現(xiàn)出更大的社會價(jià)值。

REFERENCES

[1] Walaszek Z, Szemraj J, Hanausek M, et al. D-glucaric acid content of various fruits and vegetables and cholesterol-lowering effects of dietary D-glucarate in the rat. Nutr Res, 1996, 16(4): 673–681.

[2] Marsh CA. Metabolism of D-glucuronolactone in mammalian systems. 2. Conversion of D-glucuronolactone into D-glucaric acid by tissue preparations. Biochem J, 1963, 87(1): 82–90.

[3] Chen L, Kiely DE. D-Glucaric acid esters/lactones used in condensation polymerization to produce hydroxylated nylons-a qualitative equilibrium study in acidic and basic alcohol solutions. J Carbohyd Chem, 1994, 13(4): 585–601.

[4] Smith T, Denton T, Zhang J, et al. Synthesis and characterization of higher molecular weight stereo-random poly (D-glucaramides) from 1: 1 alkylenediammonium D-glucaric acid//234th ACS National Meeting, Boston, MA, United States, 2007.

[5] Henkensmeier D, Abele BC, Candussio A, et al. Synthesis, characterisation and degradability of polyamides derived from aldaric acids and chain end functionalised polydimethylsiloxanes. Polymer, 2004, 45(21): 7053–7059.

[6] Kiely DE. Carbohydrate acid amide plant fertilizers: US, 5478374. 1995-12-26.

[7] Morton DW, Kiely DE. Evaluation of the film and adhesive properties of some block copolymer polyhydroxy polyamides from esterified aldaric acids and diamines. J Appl Polym Sci, 2000, 77(14): 3085–3092.

[8] Anonymous. Rivertop begins scaling up of glucaric acid production. Int Sugar J, 2012, 114(1361): 304.

[9] Dijkgraaf PJ, Verkuylen ME, van der Wiele K.Complexation of calcium ions by complexes of glucaric acid and boric acid. Carbohyd Res, 1987, 163(1): 127–131.

[10] Werpy T, Petersen G, Aden A, et al. Top value added chemicals from biomass[R]. Aug 2004, U.S. Department of Energy Washington DC.

[11] Brown JM, Manley-Harris M, Field RJ, et al. An NMR Study of the equilibration of D-glucaric acid with lactone forms in aqueous acid solutions. J Carbohyd Chem, 2007, 26(8/9): 455–467.

[12] Kessler G, Neufeld EF, Feingold DS, et al. Metabolism of D-glucuronic acid and D-galacturonic acid byseedlings. J Biol Chem, 1961, 236(2): 308–312.

[13] Dittrich P, Kandler O. Biosynthesis of D-glucaric acid in needles of. Z Pflanzen Physiol, 1972, 66(4): 368–371.

[14] Dwivedi C, Heck WJ, Downie AA, et al. Effect of calcium glucarate on β-glucuronidase activity and glucarate content of certain vegetables and fruits. Biochem Med Metab Biol, 1990, 43(2): 83–92.

[15] Marsh C. Metabolism of D-glucuronolactone in mammalian systems. 3. Further studies of D-glucuronolactone dehydrogenase of rat liver. Biochem J, 1963, 89(1): 108–114.

[16] Bespalov VG, Aleksandrov VA. Anticarcinogenic effect of potassium salts of glucaric and glucuronic acid in induced models of cervical and esophageal tumors. Vopr Onkol, 2012, 58(4): 537–540.

[17] Dwivedi C, Oredipe OA, Barth RF, et al. Effect of the experimental chemopreventative agent, glucarate, on intestinal carcinogenesis in rats. Carcinogenesis, 1989, 10(8): 1539–1541.

[18] Minton JP, Walaszek Z, Schooley W, et al. β-glucuronidase levels in patients with fibrocystic breast disease. Breast Cancer Res Treat, 1986, 8(3): 217–222.

[19] Oredipe OA, Barth RF, Dwivedi C, et al. Dietary glucarate-mediated inhibition of initiation of diethylnitrosamine-induced hepatocarcinogenesis. Toxicology, 1992, 74(2): 209–222.

[20] Abou-Issa H, Koolemans-Beynen A, Meredith TA, et al. Antitumour synergism between non-toxic dietary combinations of isotretinoin and glucarate. Eur J Cancer, 1992, 28(4): 784–788.

[21] Walaszek Z. Potential use of D-glucaric acid derivatives in cancer prevention. Cancer Lett, 1990, 54(1): 1–8.

[22] Zoltaszek R, Hanausek M, Kilianska ZM, et al. The biological role of D-glucaric acid and its derivatives: potential use in medicine. Postepy Hig Med Dosw, 2008, 62: 451–462.

[23] Heerdt AS, Young CW, Borgen PI. Calcium glucarate as a chemopreventive agent in breast cancer. Isr J Med Sci, 1994, 31(2/3): 101–105.

[24] Abou-Issa H, Moeschberger M, el-Masry W, et al. Relative efficacy of glucarate on the initiation and promotion phases of rat mammary carcinogenesis. Cancer Res, 1995, 15(3): 805–810.

[25] Nakajima M, Irimura T, Nicolson GL. A solid-phase substrate of heparanase: its application to assay of human melanoma for heparan sulfate degradative activity.Anal Biochem, 1986, 157(1): 162–171.

[26] Saluk-Juszczak J. A comparative study of antioxidative activity of calcium-D-glucarate, sodium-D-gluconate and D-glucono-1,4-lactone in a human blood platelet model. Platelets, 2010, 21(8): 632–640.

[27] Wang RC, Neoh TL, Kobayashi T, et al. Antioxidative capacity of the degradation products of glucuronic and galacturonic acid from subcritical water treatment. Chem Eng Technol, 2011, 34(9): 1514–1520.

[28] Bhattacharya S, Manna P, Gachhui R, et al. D-saccharic acid 1,4-lactone protects diabetic rat kidney by ameliorating hyperglycemia-mediated oxidative stress and renal inflammatory cytokines via NF-κB and PKC signaling. Toxicol Appl Pharmacol, 2013, 267(1): 16–29.

[29] Fittkau M, Voigt W, Holzhausen HJ, et al. Saccharic acid 1,4-lactone protects against CPT-11-induced mucosa damage in rats. J Cancer Res Clin Oncol, 2004, 130(7): 388–394.

[30] Edlund U, Albertsson AC. Polyesters based on diacid monomers. Adv Drug Deliv Rev, 2003, 55(4): 585–609.

[31] Jong E, Higson A, Walsh P, et al. Product developments in the bio-based chemicals arena. Biofuel Bioprod Bior, 2012, 6(6): 606–624.

[32] Anonymous. JM Davy and Rennovia partner to develop production technology for biobased glucaric acid and adipic acid. Int Sugar J, 2014, 116(1385): 330–330.

[33] Perez JL, Jayaprakasha G, Yoo KS, et al. Development of a method for the quantification of D-glucaric acid in different varieties of grapefruits by high-performance liquid chromatography and mass spectra. J Chromatogr A, 2008, 1190(1): 394–397.

[34] Poon R, Villeneuve DC, Chu I, et al. HPLC determination of D-glucaric acid in human urine. J Anal Toxicol, 1993, 17(3): 146–150.

[35] Davey CL. Development of an ion chromatography method for the analysis of nitric acid oxidation reactions of common sugars [D]. Hamilton, New Zealand: The University of Waikato, 2008.

[36] Moon TS, Yoon SH, Lanza AM, et al. Production of glucaric acid from a synthetic pathway in recombinant. Appl Environ Microbiol, 2009, 75(3): 589–595.

[37] Zhang H, Ji BP, Wu W. Analysis of functional factors in Kombucha by reverse phase high performance liquid chromatography. Food Sci Technol, 2012, 37(7): 250–255 (in Chinese).張紅, 籍保平, 吳薇. 高效液相色譜法測定紅茶菌中的功能因子. 食品科技, 2012, 37(7): 250–255.

[38] Fischer K, Bipp HP, Bieniek D, et al. Determination of monomeric sugar and carboxylic-acids by ion-exclusion chromatography. J Chromatogr A, 1995, 706(1/2): 361–373.

[39] Zhu X, Yu ZL, Zhou JD, et al. Determination of six organic acids in chemical oxidation process of glucose by ion pair reversed phase HPLC. Chin J Anal Lab, 2013, 32(5): 20–24 (in Chinese).朱璇, 余作龍, 周佳棟, 等. 反相離子對液相色譜測定葡萄糖化學(xué)氧化過程中的6種有機(jī)酸. 分析試驗(yàn)室, 2013, 32(5): 20–24.

[40] Bitter T, Muir HM. A modified uronic acid carbazole reaction. Anal Biochem, 1962, 4: 330–334.

[41] Steinberg K, Needham L. A comparison of two methods for quantifying D-glucaric acid. J Anal Toxicol, 1986, 10(4): 139–141.

[42] Marsh CA. An enzymatic determination of D-glucaric acid by conversion to pyruvate. Anal Biochem, 1985, 145(2): 266–272.

[43] Schwaiger S, Seger C, Wiesbauer B, et al. Development of an HPLC-PAD-MS assay for the identification and quantification of major phenolic edelweiss (cass.) constituents. Phytochem Anal, 2006, 17(5): 291–298.

[44] Gangolli SD, Longland RC, Shilling WH. A gas-liquid chromatographic method for the determination of D-glucaric acid in urine. Clin Chim Acta, 1974, 50(2): 237–243.

[45] Lake B, Longland R, Harris RA, et al. The excretion of metabolites of the D-glucuronic acid pathway in human urine. Effect of phenobarbitone administration. Xenobiotica, 1982, 12(4): 241–247.

[46] Barbas C, Garcia JAL, Manero FJG. Separation and identification of organic acids in root exudates ofby capillary zone electrophoresis. Phytochem Anal, 1999, 10(2): 55–59.

[47] Wang K, Gan XH, Tang XY, et al. Determination of D-saccharic acid-1,4-lactone from brewed Kombucha broth by high-performance capillary electrophoresis. J Chromatogr B, 2010, 878(3/4): 371–374.

[48] Sohst O, Tollens B. Crystallized saccharic acid. Justus Liebigs Annalender Chemie. Berlin: Verlag Chemie, 1888, 245: 1–27.

[49] Diamalt AG. Improvements in the production of saccharic acid and tartaric acid from carbohydrates: UK, 108494. 1920-09-09.

[50] Smith TN, Hash K, Kiely DE, et al. Modifications in the nitric acid oxidation of D-glucose. Carbohydr Res, 2012, 350: 6–13.

[51] Fischer K, Bipp HP. Generation of organic acids and monosaccharides by hydrolytic and oxidative transformation of food processing residues. Bioresour Technol, 2005, 96(7): 831–842.

[52] Mustakas GC, Slotter RL, Zipf RL. Potassium acid saccharate by nitric acid oxidation of dextrose. Ind Eng Chem, 1954, 46(3): 427–434.

[53] Mehltretter CL, Rist CE. Sugar oxidation, saccharic and oxalic acids by the nitric acid oxidation of dextrose. J Agric Food Chem, 1953, 12(1): 779–783.

[54] Kochkar H, Lassalle L, Morawietz M, et al. Regioselective oxidation of hydroxyl groups of sugar and its derivatives using silver catalysts mediated by TEMPO and peroxodisulfate in water. J Catal, 2000, 194(2): 343–351.

[55] Ibert M, Fuertès P, Merbouh N, et al. Improved preparative electrochemical oxidation of D-glucose to D-glucaric acid. Electrochimi Acta, 2010, 55(10): 3589–3594.

[56] Yoon SH, Moon TS, Iranpour P, et al. Cloning and charactecrization of uronate dehydrogenases from twoandstrain C58. J Bacteriol, 2009, 191(5): 1565–1573.

[57] Gangl R, Behmüller R, Tenhaken R. Molecular cloning of a novel glucuronokinase/putative pyrophosphorylase from zebrafish acting in an UDP-glucuronic acid salvage pathway. PLoS ONE, 2014, 9(2): e89690.

[58] Wu W. The isolation and identification of microbes from Kombucha and studies on their sugar metabolism [D]. Beijing: China Agricultural University, 2002 (in Chinese).吳薇. 功能性茶菌飲料的菌種分離鑒定及糖代謝的研究[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2002.

[59] Zheng SX, Wei PL, Huang L, et al. Efficient expression of myo-inositol oxygenase inand application for conversion of myo-inositol to glucuronic acid. Food Sci Biotechnol, 2014, 23(2): 445–450.

[60] Eric S, Prather KL. Improving D-glucaric acid production from myo-inositol inby increasing MIOX stability and myo-inositol transport. Metab Eng, 2014, 22(2): 22–31.

[61] Kazunobu K, Shinichi I. Method of producing glucaric acid: Japan, 2013125509. 2013-10-01.

[62] Michael RR. Analyses of Kombucha ferments. [EB/OL]. [2014-07-23]http://www.happyherbalist. com/analysis_of_kombucha.htm.

(本文責(zé)編陳宏宇)

Progress in glucaric acid

Yuying Qiu1,2, Fang Fang1,2, Guocheng Du2,3,4, and Jian Chen1,2,4

1 Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China 2 Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China 3 Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China 4 National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China

Glucaric acid (GA) is derived from glucose and commonly used in chemical industry. It is also considered as one of the “Top value-added chemicals from biomass” as carbohydrate monomers to produce various synthetic polymers and bioenergy. The demand for GA in food manufacture is increasing. GA has also attracted public attentions due to its therapeutic uses such as regulating hormones, increasing the immune function and reducing the risks of cancers. Currently GA is produced by chemical oxidation. Research on production of GA via microbial synthesis is still at preliminary stage. We reviewed the advances of glucaric acid applications, preparation and quantification methods. The prospects on production of GA by microbial fermentation were also discussed.

glucaric acid, biosynthesis, quantification,, glucarate

July 1, 2014; Accepted: September 2, 2014

Fang Fang. Tel: +86-510-85918307; Fax: +86-510-85918039; E-mail: ffang@jiangnan.edu.cn

Supported by:Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.

江蘇省優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目資助。