范文利　包歡新　張焱

摘要以甘油酸的生產(chǎn)和應(yīng)用為例，總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，針對(duì)我國(guó)生物柴油及其副產(chǎn)物——甘油的發(fā)展趨勢(shì)，分析了不同構(gòu)型的甘油酸的生產(chǎn)方法和應(yīng)用前景，為社會(huì)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(guān)鍵詞甘油酸；生產(chǎn)工藝；生物活性

中圖分類(lèi)號(hào)S-3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(yīng)，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(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于化石燃料。

近十幾年來(lái)，生物柴油產(chǎn)業(yè)在世界各國(guó)發(fā)展很快，主要應(yīng)用國(guó)家包括美國(guó)和歐盟各國(guó)。在制備生物柴油的過(guò)程中，每生產(chǎn)10 t生物柴油會(huì)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(guò)現(xiàn)有的科技手段轉(zhuǎn)化成為具有多種生物活性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的甘油酸。

甘油酸（glyceric acid，化學(xué)名2，3-dihydroxypropionic acid）分子含有3個(gè)官能團(tuán)，化學(xué)性質(zhì)活潑，廣泛參與聚合、縮合等化學(xué)反應(yīng)，是一種重要的化學(xué)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(lèi)的不同，這2種異構(gòu)體來(lái)源于體內(nèi)不同的代謝過(guò)程，而目前只發(fā)現(xiàn)D-甘油酸具有生物學(xué)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(dāng)人體血液或者尿液中的其中一種異構(gòu)體濃度異常將會(huì)引起不同類(lèi)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(yīng)用[3]。而目前對(duì)D-甘油酸的生產(chǎn)方法主要有化學(xué)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(duì)應(yīng)的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)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(lèi)脂物質(zhì)是目前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。雖然D-甘油酸及其衍生物有重要的生物學(xué)功能，但是現(xiàn)有的來(lái)源比較單一，D-甘油酸主要來(lái)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(jià)格昂貴，市場(chǎng)售價(jià)高達(dá)80萬(wàn)元/t，市場(chǎng)潛力巨大。

隨著現(xiàn)代細(xì)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(cè)方法的完善，關(guān)于D-甘油酸的生產(chǎn)應(yīng)用及其相關(guān)活性的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。筆者綜述了近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)于D-甘油酸的生產(chǎn)工藝及其相關(guān)的生物活性檢測(cè)手段的研究進(jìn)展，以期為D-甘油酸的進(jìn)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(xué)合成法

化學(xué)合成法是指通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)得到1種或多種產(chǎn)物的方法。合成通常表現(xiàn)為通過(guò)物理或化學(xué)方法操縱的1步或多步反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是為了得到不同類(lèi)型、不同性質(zhì)的有機(jī)物，而通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使有機(jī)物的碳鏈增長(zhǎng)、縮短或在碳鏈上引入甚至調(diào)換各種官能團(tuán)。近年來(lái)，很多種類(lèi)的已知明確結(jié)構(gòu)的化合物均可通過(guò)化學(xué)合成的方法進(jìn)行生產(chǎn)，如番茄紅素、香蘭素、兒茶素以及一些類(lèi)靶向抗腫瘤藥物等，可達(dá)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(xué)、制藥工程和有機(jī)合成，但由于其工業(yè)化生產(chǎn)方法的不健全以及化學(xué)合成的產(chǎn)物中將有50%的無(wú)活性的L-甘油酸，分離難度很大，且生產(chǎn)過(guò)程容易造成環(huán)境污染，從而導(dǎo)致其市場(chǎng)價(jià)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(gè)重要組成部分，通過(guò)微生物對(duì)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(guò)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(guò)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(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)丁醇等，之后又將微生物發(fā)酵應(yīng)用于中藥的炮制。

現(xiàn)代發(fā)酵過(guò)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(jī)體組織細(xì)胞迅速吸收，從而更好地發(fā)揮天然中草藥的藥效，達(dá)到祛病、健體、增強(qiáng)免疫調(diào)節(jié)的功能。近年來(lái)微生物發(fā)酵也被證實(shí)可利用于生產(chǎn)甘油酸，但也僅限于D-甘油酸。

和化學(xué)合成法相比，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)D-甘油酸，可以通過(guò)大規(guī)模發(fā)酵實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)，從而降低D-甘油酸生產(chǎn)成本，滿(mǎn)足市場(chǎng)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(guó)等有微生物發(fā)酵生產(chǎn)D-甘油酸的報(bào)道，且為實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，產(chǎn)率較低，不能實(shí)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(guò)程中發(fā)酵液中的細(xì)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(shí)際應(yīng)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(duì)外源化學(xué)物進(jìn)行特異性結(jié)構(gòu)修飾，以獲得有所需目的產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[8-9]。生物轉(zhuǎn)化具有優(yōu)良的化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性的優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)條件溫和，轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少，能夠進(jìn)行傳統(tǒng)有機(jī)合成難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)[10]，且生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)物被認(rèn)為是環(huán)保、天然的[11]。

據(jù)報(bào)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(dá)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(dá)99%[12]。此外，還可以在生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中補(bǔ)加底物以及可能起著關(guān)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(guò)程中產(chǎn)物的反饋抑制會(huì)極大降低轉(zhuǎn)化效率，因此，還需要利用特定的離子交換樹(shù)脂作為吸附劑，用于轉(zhuǎn)化過(guò)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(gè)非常廣闊的極具知識(shí)創(chuàng)新價(jià)值的研究領(lǐng)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(shù)上和工業(yè)上具有巨大應(yīng)用開(kāi)發(fā)潛力。自動(dòng)發(fā)酵設(shè)備和現(xiàn)代檢測(cè)分析的快速發(fā)展已經(jīng)使人們對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)和產(chǎn)物分析分離過(guò)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(wèn)題，酒精中毒可嚴(yán)重?fù)p害人類(lèi)身心健康，影響全身多組織器官，尤其是肝臟。人體長(zhǎng)期飲酒或短期大量飲酒會(huì)造成乙醇在肝臟的過(guò)度累積，導(dǎo)致肝細(xì)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(xì)胞損傷，導(dǎo)致肝臟病變，影響正常的生理功能，其發(fā)病機(jī)制與酒精代謝引發(fā)的氧化應(yīng)激、線粒體損傷、肝細(xì)胞凋亡等密切相關(guān)[14]。西方國(guó)家已開(kāi)發(fā)出多種可以治療酒精中毒的化學(xué)合成藥物，但大多存在各種毒副作用；亞洲國(guó)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(diǎn)，通過(guò)多向調(diào)節(jié)達(dá)到解酒保肝的目的。近年來(lái)，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(duì)機(jī)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(guò)的人胃癌細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，2種甘油酸的混合物比任何1種表現(xiàn)出更強(qiáng)的體外抵抗酒精損傷的能力。

2.2降低膽固醇

膽固醇又稱(chēng)膽甾醇，是一種環(huán)戊烷多氫菲的衍生物，有來(lái)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(shí)在腎、脾、皮膚、肝和膽汁中含量也高。膽固醇在動(dòng)物體內(nèi)不能被完全氧化分解為機(jī)體提供能量，而是主要參與細(xì)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(yīng)方面發(fā)揮重要作用，同時(shí)可在血液中參與運(yùn)輸膽固醇酯和甘油三酯。但低密度膽固醇的偏高會(huì)增加冠心病的危險(xiǎn)性，而高密度膽固醇能把周?chē)M織（如巨噬細(xì)胞），包括動(dòng)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(xué)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(zhǎng)期服用成本高，易反復(fù)。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(wú)明顯的副作用。

2.3利尿

腎臟和膀胱方面的疾病會(huì)引起排尿困難、全日總尿量減少等的癥狀。目前對(duì)該類(lèi)癥狀進(jìn)行治療時(shí)以通利小便為主，輔以滋補(bǔ)脾腎，并在保持食物營(yíng)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(fù)擔(dān)，同時(shí)還補(bǔ)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(zhǎng)期的臨床應(yīng)用中，車(chē)前子和車(chē)前草等藥材常被用于治療水腫脹滿(mǎn)、熱淋澀痛等癥，可有效促進(jìn)Na+、K+、Cl-排泄。

D-甘油酸具有利尿的功能。

3L-甘油酸的研究進(jìn)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(guò)微生物從原料（如甘油）中生產(chǎn)[19]，但可通過(guò)化學(xué)合成的方式獲得。近年來(lái)，L-甘油酸已經(jīng)成為磷脂酰膽堿類(lèi)似物基團(tuán)和光學(xué)純L-己糖等附加化學(xué)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(lèi)固醇糖苷及多種臨床藥物的關(guān)鍵成分[22]。大多數(shù)的糖類(lèi)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(fù)雜的天然產(chǎn)物，相比之下，相應(yīng)的左旋化合物（L-）在自然界十分罕見(jiàn)，價(jià)格昂貴。因此，左旋化合物在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)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(duì)映體純化學(xué)物質(zhì)可能在許多化學(xué)、藥理學(xué)和生物學(xué)應(yīng)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(xué)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(jìn)行分離。

4展望

生物柴油已經(jīng)成為我國(guó)對(duì)可再生資源的研究熱點(diǎn)，因而目前對(duì)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(jì)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(jìn)的技術(shù)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(guò)高、產(chǎn)量較低的問(wèn)題，而且可以帶動(dòng)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(xué)、藥理學(xué)和生物學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

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