2021年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了Benjamin List和David W.C.MacMillan，以表彰他們?cè)凇安粚?duì)稱有機(jī)催化”的發(fā)展的貢獻(xiàn)。

什么是“不對(duì)稱有機(jī)催化”？為什么這個(gè)發(fā)現(xiàn)如此重要？那我們不得不提歷史上一個(gè)非常有名的事件——“反應(yīng)停事件”。

“反應(yīng)停事件”也稱“沙利度胺事件”，有一個(gè)藥劑師在合成抗生素藥物時(shí)分離到一個(gè)副產(chǎn)物沙利度胺，意外發(fā)現(xiàn)沙利度胺不但有鎮(zhèn)靜催眠作用，還能顯著抑制孕婦的妊娠嘔吐反應(yīng)。后來，沙利度胺以商品名“反應(yīng)?！闭酵葡蚴袌?chǎng)，一時(shí)間風(fēng)靡歐、非、拉美、澳洲和亞洲(主要在日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū))。藥品生產(chǎn)廠家宣稱沙利度胺是“沒有任何副作用的抗妊娠反應(yīng)藥物”，反應(yīng)停事件成為“孕婦的理想之選” (當(dāng)時(shí)的廣告語)。

后來統(tǒng)計(jì)，在“反應(yīng)停事件”大行其道的短短4年里，造成近2萬名海豹肢畸形兒出生，其中4000名左右的嬰兒都是不到1歲就夭折了。

圖1. 反應(yīng)停事件受害者（下圖為著名的勵(lì)志演說家尼克·胡哲）

后來的研究發(fā)現(xiàn)沙利度胺實(shí)際上是由兩種非常相似的化學(xué)物組成，相似的就像我們的左右手一樣，難以區(qū)別，俗稱手性化合物。其右手化合物（R-構(gòu)型）具有抑制妊娠反應(yīng)活性，而左手化合物（S-構(gòu)型）有致畸性，罪魁禍?zhǔn)拙褪撬?！而在?dāng)時(shí)，一方面，科學(xué)界尚不知道長(zhǎng)得非常相似的兩個(gè)化合物在生物體內(nèi)有這么大的差異；另一方面，即使知道它們的差異，由于檢測(cè)手段的落后，也無法分辨哪個(gè)是左手化合物，哪個(gè)是右手化合物。

圖2. 沙利度胺有兩種構(gòu)型，呈鏡像結(jié)構(gòu)，但不能重疊

我們現(xiàn)在知道很多天然活性物質(zhì)都是帶有旋光性的，天然的Vc是左旋的，天然麥角硫因是左旋的，天然的組成蛋白質(zhì)的氨基酸基本都是左旋的，生物體內(nèi)的葡萄糖是右旋的等等，所以生命對(duì)于物質(zhì)的構(gòu)型是有嚴(yán)格的選擇的。

說一個(gè)我們都知道的，反式脂肪酸，只是雙鍵兩邊結(jié)構(gòu)有稍微的區(qū)別，反式脂肪酸就會(huì)對(duì)人體造成肥胖、心血管疾病、影響發(fā)育等各種壞處，但順式的十八碳烯酸（油酸）卻是人體必須脂肪酸。反式脂肪酸更穩(wěn)定，一般在高溫下，順式會(huì)轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定的反式結(jié)構(gòu)，所以經(jīng)過反復(fù)煎炸的油反式脂肪酸含量會(huì)提高。另外反式脂肪酸最大的來源是氫化植物油，主要是因?yàn)榧託湓诟邷馗邏合逻M(jìn)行，以前的技術(shù)又很難加氫完全（消除所有的雙鍵），殘留的雙鍵順式結(jié)構(gòu)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉词浇Y(jié)構(gòu)。但現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以做到完全加氫，所以氫化植物油也可以做到0反式脂肪酸。（國(guó)家法律規(guī)定，當(dāng)反式脂肪酸含量低于0.3%時(shí)可以標(biāo)注0反式脂肪酸，因?yàn)檎５膭?dòng)植物油脂也含有一定量的反式脂肪酸）

圖3. 反式十八碳烯酸（上）和順式十八碳烯酸（下）

科學(xué)家要做的就是找到對(duì)我們有利的構(gòu)型并且定向合成它，因此這是一個(gè)偉大的工作。

回到我們的主題，α-GG（具有活性的甘油葡糖苷）又是如何合成的呢？

甘油有3個(gè)羥基（-OH），葡萄糖有五個(gè)羥基（-OH），天然構(gòu)型的葡萄糖是右旋的，標(biāo)記為D型，它有兩種構(gòu)型，分別稱為α-D-（+）-吡喃葡萄糖和β-D-（+）-吡喃葡萄糖（見圖4）。理論上的甘油和葡萄糖的連接有30種構(gòu)型，自然存在的構(gòu)型有六種（見圖5），研究最多的是α構(gòu)型，那如何獲取這種構(gòu)型呢？目前一共有三種方法：化學(xué)法、發(fā)酵法和生物酶法。

圖4. 天然葡萄糖的構(gòu)型

圖5. 天然構(gòu)型的甘油葡糖苷

l 化學(xué)法

Tatsuuma-Honke 釀酒公司報(bào)道了通過化學(xué)法合成αGG、2S-1-αGG 和2R-1-αGG 的技術(shù)，它們都是米酒中甘油葡萄糖苷的活性成分。利用高碘酸鈉和硼氫化鈉催化麥芽糖醇為αGG，產(chǎn)率18％ 。之后又利用乙酸、四乙酸鉛和硼氫化鈉催化異麥芽糖得到的2S-1-αGG，產(chǎn)率為12％ 。然后以海藻糖為原料，用四醋酸鉛經(jīng)乙二醇裂解合成了2S-1-αGG 和2R-1-αGG 混合物（含量比為73 ：27），但它們的產(chǎn)率僅為5％ 。

所以，化學(xué)法合成得到的α-GG 轉(zhuǎn)化率太低、副產(chǎn)物多，因此后續(xù)純化步驟將是非常復(fù)雜且不經(jīng)濟(jì)的。但市場(chǎng)上可能依然存在一些化學(xué)合成的甘油葡糖苷，不經(jīng)過后續(xù)的分離提純，所以雜質(zhì)比較多，活性成分比較少，但價(jià)格便宜。

l 發(fā)酵法

發(fā)酵法目前是研究比較多的，在上一篇文章中我們提過，甘油葡糖苷是一些藍(lán)藻在高鹽壓力下合成的一種保護(hù)自己滲透壓和酶活性的相容性溶質(zhì)。那我們從這些菌里把甘油葡糖苷提取出來不就好了，而且可以保證100%的生物活性，但這個(gè)想法太簡(jiǎn)單了。首先甘油葡糖苷雖然是細(xì)菌或者藍(lán)藻分泌的保護(hù)自己的成分，但并不會(huì)分泌到胞外，我們知道現(xiàn)在非常火的二裂酵母溶胞產(chǎn)物，里面的成分十分復(fù)雜，也沒有定量的標(biāo)準(zhǔn)。如果需要打碎細(xì)胞，然后從中提取甘油葡糖苷將是一個(gè)非常困難的過程。另外從1980年以來，大約有幾十種藍(lán)藻被篩選出來，是可以合成甘油葡糖苷的（見圖6一般中等耐鹽藍(lán)藻更喜歡積累甘油葡糖苷，低耐鹽菌更喜歡積累蔗糖或者海藻糖），所以篩選菌株才是首要的工作。

圖6 已知基因組序列的 67 株藍(lán)藻菌株的系統(tǒng)發(fā)育樹（neighbour joining algorithm NJ算法）。這棵樹被分成了一大群α-藍(lán)藻和β-藍(lán)藻。顏色條表示是否在基因組序列中發(fā)現(xiàn)了兼容溶質(zhì)生物合成的基因（Suc –蔗糖；Tre–海藻糖；GG –甘油葡糖苷；GGA –葡萄糖基甘油酸酯；GB –甘氨酸甜菜堿）。虛線條表示該途徑只是不完整的。

目前通過基因工程手段改造藍(lán)藻集胞藻Synechocystissp. PCC6803，提高了藍(lán)藻細(xì)胞中αGG 的合成效率并實(shí)現(xiàn)了αGG 產(chǎn)物向胞外的部分分泌。PCC6803也是文獻(xiàn)中研究最多的菌種。

發(fā)酵法制取活性物最優(yōu)勢(shì)的地方在于獲得的成分都是具有生物活性的，一般不用考慮構(gòu)型的問題。例如Vc、谷胱甘肽、麥角硫因等大多都是通過發(fā)酵法制取的。另外對(duì)于合成復(fù)雜的活性物或者高分子成分，發(fā)酵也是常用的方法，比如依克多因、壬二酸、β-葡聚糖等。但發(fā)酵法最大的壁壘在于菌株的篩選，以及后續(xù)的分離提純。所以發(fā)酵法獲得的產(chǎn)品價(jià)格是最高的。

l 生物酶法

生物酶法合成即將生物體內(nèi)的酶提取出來，在體外催化化學(xué)合成。由于酶大多數(shù)是蛋白質(zhì)，催化效率極高，而催化溫度很低，具有特定的構(gòu)象選擇性，是非常具有潛力的一種合成法。比如我們現(xiàn)在看到市場(chǎng)上有大量的代可可脂巧克力，一般會(huì)用到氫化植物油，然后通過酯交換得到和可可脂比較相似的脂肪酸組成，但傳統(tǒng)化學(xué)法比如酯交換反應(yīng)一般通過堿催化，180-220℃反應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)容易生成反式脂肪酸，如果采用酶法合成，在較低的溫度（50-60℃）下就能獲得不含反式脂肪酸的產(chǎn)品。市場(chǎng)上還有很多0反式脂肪酸的植物奶油、植脂末，嬰幼兒奶粉中的代母乳脂，都可以通過酶法來合成。

甘油葡糖苷的酶法合成首先會(huì)選擇和生物體內(nèi)一致的過程（見圖7），但實(shí)際中使用較多的是蔗糖磷酸化酶（LmSPase），這是一種特異性的轉(zhuǎn)糖苷酶，有比較廣泛的應(yīng)用。蔗糖磷酸酶在沒有磷酸鹽存在的條件下，可以催化甘油和蔗糖反應(yīng)直接生成α-GG，所以路徑短了許多，產(chǎn)率也更高。表1是甘油葡糖苷的幾種合成方法，采用蔗糖磷酸化酶的產(chǎn)率大約為90%，速率達(dá)到12.7mg?L-1?h-1，雖然采用 甘油葡萄糖苷磷酸化酶（BsGGP）的速率更快，但它的底物是1-磷酸-葡萄糖（G-1-P），這個(gè)原料也需要蔗糖磷酸酶來催化，另外最后的產(chǎn)物引入了磷酸鹽，在除雜上又會(huì)多一個(gè)步驟。

圖7：甘油葡糖苷的模擬生物體內(nèi)的酶法合成過程

• 表1. α-GG的合成方法比較

綜上，可看出酶法才是α-GG最經(jīng)濟(jì)的合成方法，原料便宜，催化效率高，副產(chǎn)物少，后期分離提純更容易。

當(dāng)然酶的催化向來是雙向的，既能合成也會(huì)水解，最終達(dá)到一個(gè)平衡。在反應(yīng)中，溶劑的選擇非常重要，也是具有很大難度的技術(shù)。

我司代理萱嘉的高純度甘油葡糖苷，采用離子液體作為酶催化反應(yīng)的溶劑，提高了反應(yīng)的選擇性，更好的維持酶的活性。并且采用固定化酶，可以反復(fù)使用（酶的成本占反應(yīng)的主要部分），得以降低成本。最終蔗糖的轉(zhuǎn)化率＞92%，反應(yīng)液中2-α-GG濃度＞10%，該工藝極具優(yōu)勢(shì)，見圖8.圖9.

圖8. 離子液體作為酶催化反應(yīng)溶劑的優(yōu)勢(shì)

圖9. 萱嘉甘油葡糖苷的合成示意圖

現(xiàn)在九九八十一難之間還差著一難，那就是——純化。純化是最終產(chǎn)品品質(zhì)的決定性因素，即使合成的產(chǎn)率不高，雜質(zhì)也很多，但純化做得好，依然可以得到高含量的目標(biāo)產(chǎn)物，只是成本上的區(qū)別而已。不過前面的產(chǎn)物越復(fù)雜，后期的純化步驟也會(huì)越復(fù)雜。一般分離的步驟會(huì)先通過活性炭吸附色素和氣味成分，然后通過膜過濾和各種色譜柱層層分離，最后再蒸除水分以得到目標(biāo)濃度的產(chǎn)品。由于萱嘉合成產(chǎn)率高，副產(chǎn)物少，經(jīng)過純化，是市場(chǎng)上少有的可以完全脫除甘油的產(chǎn)品，也是同品質(zhì)產(chǎn)品中，最具技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)。

至此，甘油葡糖苷的已經(jīng)連載完，可能后面還會(huì)有更多新的發(fā)現(xiàn)，愿與大家分享，如果有不對(duì)的地方，是個(gè)人能力所限，愿與大家多多交流，共同進(jìn)步。

注：甘油葡糖苷的INCI名也可以叫密羅木提取物，但密羅木長(zhǎng)于非洲沙漠，生長(zhǎng)緩慢，數(shù)量也不多，大多數(shù)甘油葡糖苷為人工合成而非植物提取，另植物中存在βGG構(gòu)型，是藍(lán)藻和酵母中不存在的。

參考文獻(xiàn)

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