裴承强，陈建华

（中国药科大学生命科学与技术学院分子生物学教研室，江苏 南京210009）

1，3－二羟基丙酮（1，3－dihydroxyacetone，DHA）是一种最简单的酮糖，具有3个活性基团，可参与多种反应，广泛应用于化工、医药、化妆品和食品领域［1］。DHA的合成方法主要包括化学合成法和微生物合成法。由于化学合成法存在转化效率低、选择性氧化效率低、污染环境等问题，因此，研究者更倾向于环境友好、转化效率高的微生物合成法，但微生物合成法也存在底物与产物抑制的问题。作者在此就DHA的两种主要合成方法的研究进展进行了综述，并对其在化工与医药领域的最新应用进展进行了简单介绍。

1 DHA的合成

1.1 化学合成法

化学合成法包括甲醛缩合法和甘油氧化法，目前研究较多的是甘油氧化法。甘油氧化法采用重金属作催化剂，存在转化效率低、选择性氧化效率低、污染环境等问题。

Hirasawa等［2］介绍了一种Pd－Ag／C作催化剂的路径，其反应机制（图1）为：（1）底物的末端羟基被吸附在Ag表面；（2）被吸附在Pd表面的活性氧攻击破坏第二位上的C－H键，伴随着第二位上O－H键的断裂，羰基产物形成；（3）金属表面的羟基被质子化并以水的形式离开，催化剂恢复初始金属状态。Pd单独催化表现出的是低选择性，Ag单独催化表现出的是低活性，而Pd－Ag催化表现了高选择性和高活性。Pd－Ag／C系统虽能在很长的反应时间内保证高选择性（85%）氧化生成DHA，但存在酸中毒的问题，即反应会在生成大量酸性副产物甘油酸时，被Pd强烈吸附而封锁活性氧的结合位点，致使反应终止。

图1 Pd－Ag／C作催化剂的甘油氧化法机制Fig.1 Mechanism of glycerol oxidation method using Pd－Ag／C as catalyst

Rodrigues等［3－4］设计了一种方法使得DHA的生产速率达到5.4g·L－1·h－1，是微生物氧化甘油（约1.8g·L－1·h－1）的3倍。该法以Au为催化剂、以多壁碳纳米管（MWCNTs）为载体，DHA收率达到60%，而以活性炭为载体时的DHA收率仅为18%。

Wang等［5］通过甘油间接氧化法合成DHA，主要是通过磁性的聚苯乙烯纳米球固定催化剂2，2，6，6－四甲基哌啶氧化物（TEMPO）完成，该法适用于多种醇的氧化，其机制如图2所示。

图2 HPD经过氧化合成DHAFig.2 Synthesis of DHA by HPD oxidation

HPD（1，3－acetalized glycerol）由甘油和苯甲醛通过缩醛反应制得。由于甘油的三羟基结构，如何控制氧化羟基的位置成为难题；同时重金属的直接氧化法还存在产物的过氧化问题，导致DHA收率不高，也给分离纯化带来困难。该法将末端羟基保护，成功克服了选择性氧化的难题；同时将昂贵的TEMPO固定化，不仅可以重复使用，而且解决了TEMPO在分离纯化和结晶时带来的难题，DHA转化效率达到95.3%，结晶纯度＞99%，收率为78.1%。

Zhang等［6］通过一种以纳米粒子为支撑的多酶原位辅因子再生系统，构建出一条以NAD（H）为辅因子、甘油脱氢酶（GDH）和木糖还原酶（XR）参与的新途径，其机制如图3所示。

图3 GDH／XR多酶系统模型Fig.3 The model of GDH／XR multi－enzyme system

相较于原生系统，由纳米粒子作为支撑的多酶系统提高了酶的稳定性和可重复利用性，甘油脱氢酶可被重复利用多次，DHA总收率达到160g·（gGDH）－1。该途径提出了一种不同于天然生物代谢途径的可高效获得高附加值化合物和材料的新策略。

1.2 微生物合成法

相较于化学合成法，微生物合成法有其独特的优势，如对环境无污染、对二位羟基选择性氧化能力高、转化效率高、易操作、反应条件温和等，但也存在一些问题，如菌体对底物浓度的耐受能力有限、产物浓度对代谢酶的抑制以及对细胞的损伤、发酵周期长等。菌株改造可以弥补底物与产物对菌株的抑制、酶活不高、发酵周期长等不足。常用的菌株改造手段包括诱变和基因工程改造。

1.2.1 诱变

诱变包括辐射诱变、化学诱变等。Ma等［7］采用He－Ne辐射对氧化葡萄糖酸杆菌进行诱变，确定21 mW、21min为最优诱变条件，获得的突变株GM51的甘油脱氢酶活性比原始菌株提高了75%，转化效率达到91.5%，生产速率提高77.6%，发酵周期缩短了16h。Hu等［8］采用离子注入法诱变氧化葡萄糖酸杆菌之后通过响应面优化培养条件，选取最优条件60×（2.6×1013）ions·cm－2、能量为10keV进行诱变，获得突变株G.oxydans ZJB09113，响应面优化后，DHA产量提高196.3%。Hu等［9］还采用紫外诱变获得一株DHA高产突变株G.oxydans ZJB11001，在此基础上控制溶氧浓度获得产量为（209.6±6.8）g·L－1的DHA。

1.2.2 基因工程改造

主要从三个方面进行基因工程改造：（1）敲除adhA基 因：Habe等［10－11］研 究 了 敲 除adhA基 因（ΔadhA）对转化甘油生成甘油酸的必要性，ΔadhA菌株能提高DHA产量，并能耐受高浓度甘油，对照菌株在220g·L－1甘油浓度下基本不生长，而ΔadhA菌株则可产生125g·L－1的DHA。（2）过表达甘油脱氢酶基因sldAB：Gatgens等［12］通过过表达sldAB基因提高了DHA产量，对照菌株在550mmol·L－1甘油浓度下产生200～280mmol·L－1DHA，而突变株则可产生350mmol·L－1DHA。（3）对同一菌株同时敲除adhA基因和过表达sldAB基因：Li等［13］通过敲除adhA基因和过表达sldAB基因提高了DHA产量并缩短了发酵周期，突变株转化100g·L－1甘油生成96g·L－1DHA，生产速率从对照菌株的1.0g·（gCDW）－1·h－1提高到2.4g·（gCDW）－1·h－1，并且当耐受140g·L－1甘油时，突变株能产生134g·L－1DHA。

Nguyen等［14］在酿酒酵母菌中利用糖类代谢以甘油为中间代谢物生产DHA，将2个磷酸化DHA的DAK1／DAK2酶基因敲除，阻断了DHA的去路，有利于产物的累积，但转化效率不是很高。

1.3 其它方法

优化发酵工艺也可获得高产量的DHA。Hekmat等［15］用一种涂有多孔硅基质的Ralu－rings载体对细胞进行固定化，进行半连续重复分批补料发酵，显著提高了空间－时间产率。Hu等［16］用气升式发酵罐补料生产DHA，在保证转化效率达到（89.8±2.4）%的基础上，生产速率可达到2.17g·L－1·h－1。Hu等［17］在分批补料发酵生产DHA的过程中，通过设定溶氧参数调节甘油的流加，同时根据菌体生长和发酵时对pH值的不同需求，对发酵液pH值进行调节，有效地解决了底物抑制、高浓度氧损伤细胞、低浓度氧不利于甘油转化的问题。Liu等［18］分离筛选出一株新菌株，以生物柴油副产品粗制的甘油为底物可以获得转化效率为90.5%、生产速率为2.6g·L－1·h－1的DHA。

2 DHA的应用

2.1 化工领域

DHA除可参与曼尼西反应、美拉德反应外，还可参与高碳糖化合物的合成以及乳酸衍生物合成。庚糖类、辛糖类、壬糖类等高碳糖化合物在生物细胞中扮演着重要角色，Cieplak等［19］通过封闭羟基的DHA与D－阿拉伯糖合成了高碳糖。

乳酸衍生物是一种新型的绿色溶剂，可以溶解醋酸纤维素、硝酸纤维素、油类、染料类、涂剂等。乳酸乙酯可替代工业上传统有毒的卤代有机介质［20］，乳酸丙酯可作为药物和农药合成的手性中间体。DHA经脱水生成丙酮醛（methylglyoxal，MGO），而后与相应醇可生成该类衍生物［21］。Mylin等［22］将DHA在乙醇溶液中经过两性氧化剂ZrO2－TiO2催化，获得了90%的乳酸乙酯。

2.2 医药领域

在Manuka蜂蜜贮藏过程中，其富含的DHA会转化为MGO，而富含DHA和MGO的Manuka蜂蜜可作为广谱药物抑制微生物（包含多重耐药菌），同时可作为伤口敷剂治愈创伤［23］。

通过抑制α糖苷酶活性治疗Ⅱ型糖尿病已成为医药领域的研究热点。多羟基哌啶化合物（含氮多羟基糖）具有显著的糖苷酶抑制活性，糖苷酶抑制剂Fagomine是一种亚氨基糖，通过DHA与N－Cbz－3－aminopropanal的羟醛缩合反应可以合成其前体，6－磷酸果糖醛缩酶（FSA）的2种突变体A129S和A129S／165G可以催化该反应（图4）［24－25］。

图4 DHA与N－Cbz－3－aminopropanal的羟醛缩合反应Fig.4 Aldol reaction of DHA and N－Cbz－3－aminopropanal

DHA能够抑制敲除DHA激酶基因酵母菌的生长，能够自由通过疟原虫属非水特异性通道，而疟原虫属本身不含DHA激酶基因，因而同样可以产生上述效应。DHA可被人红细胞作为能源利用，由于疟原虫缺乏DHA激酶，因而不能利用，同时DHA又能抑制疟原虫磷酸甘油醛脱氢酶（PfGAPDH），阻断其能量来源，妨碍其增殖，可以被设计成一种以GAPDH为靶点的抗疟疾药物［26］。DHA还能够使锥形虫的细胞周期在G2／M期停滞，影响其增殖。

磷化氢能够抑制大脑、心脏、肝脏的细胞色素C氧化酶的活性，而DHA可以解除该抑制作用［27－28］，不仅如此，DHA还可解氰化物毒性。此外，DHA可用作食品添加剂、防腐剂等，还可用来治疗白癜风，提高瘦肉率，达到减肥效果。

3 展望

DHA作为一种重要的化工医药中间体，应用广泛，潜力巨大。化学合成法在甘油羟基的选择性氧化、转化效率、生产速率等方面取得了突破性进展，菌株改造也获得很大突破。为提高甘油利用率和DHA转化效率，今后应针对DHA合成中所存在的问题，优化合成方法和发酵工艺。

［1］MISHRA R，JAIN S R，KUMAR A.Microbial production of dihydroxyacetone［J］.Biotechnol Adv，2008，26（4）：293－303.

［2］HIRASAWA S，WATANABE H，KIZUKA T，et al.Performance，structure and mechanism of Pd－Ag alloy catalyst for selective oxidation of glycerol to dihydroxyacetone［J］.Journal of Catalysis，2013，300：205－216.

［3］RODRIGUES E G，CARABINEIRO S A C，DELGADO J J，et al.Gold supported on carbon nanotubes for the selective oxidation of glycerol［J］.Journal of Catalysis，2012，285（1）：83－91.

［4］RODRIGUES E G，PEREIRA M F R，DELGADO J J，et al.Enhancement of the selectivity to dihydroxyacetone in glycerol oxidation using gold nanoparticles supported on carbon nanotubes［J］.Catalysis Communications，2011，16（1）：64－69.

［5］WANG J L，ZHANG M，ZHENG Z，et al.The indirect conversion of glycerol into 1，3－dihydroxyacetone over magnetic polystyrene nanosphere immobilized TEMPO catalyst［J］.Chemical Engineering Journal，2013，229（1）：234－238.

［6］ZHANG Y，GAO F，ZHANG S P，et al.Simultaneous production of 1，3－dihydroxyacetone and xylitol from glycerol and xylose using a nanoparticle－supported multi－enzyme system with in situ cofactor regeneration［J］.Bioresource Technology，2011，102（2）：1837－1843.

［7］MA L J，LU W Y，XIA Z D，et al.Enhancement of dihydroxyacetone production by a mutant of Gluconobacter oxydans［J］.Biochemical Engineering Journal，2010，49（1）：61－67.

［8］HU Z C，LIU Z Q，XU J M，et al.Improvement of 1，3－dihydroxyacetone production from Gluconobacter oxydans by ion beam implantation［J］.Preparative Biochemistry ＆ Biotechnology，2012，42（1）：15－28.

［9］HU Z C，ZHENG Y G.Enhancement of 1，3－dihydroxyacetone production by a UV－induced mutant of Gluconobacter oxydans with DO control strategy［J］.Appl Biochem Biotechnol，2011，165（5－6）：1152－1160.

［10］HABE H，FUKUOKA T，MORITA T，et al.Disruption of the membrane－bound alcohol dehydrogenase－encoding gene improved glycerol use and dihydroxyacetone productivity in Gluconobacter oxydans［J］.Biosci Biotechnol Biochem，2010，74（7）：1391－1395.

［11］HABE H，SATO S，FUKUOKA T，et al.Membrane－bound alcohol dehydrogenase is essential for glyceric acid production in Acetobacter tropicalis［J］.Journal of Oleo Science，2011，60（9）：489－494.

［12］GATGENS C，DEGNER U，BRINGER－MEYER S，et al.Biotransformation of glycerol to dihydroxyacetone by recombinant Gluconobacter oxydans DSM2343［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2007，76（3）：553－559.

［13］LI M H，WU J，LIU X，et al.Enhanced production of dihydroxyacetone from glycerol by overexpression of glycerol dehydrogenase in an alcohol dehydrogenase－deficient mutant of Gluconobacter oxydans［J］.Bioresource Technology，2010，101（21）：8294－8299.

［14］NGUYEN H T，NEVOIGT E.Engineering of Saccharomyces cerevisiae for the production of dihydroxyacetone（DHA）from sugars：A proof of concept［J］.Metabolic Engineering，2009，11（6）：335－346.

［15］HEKMAT D，BAUER R，NEFF V.Optimization of the microbial synthesis of dihydroxyacetone in a semi－continuous repeatedfed－batch process by in situ immobilization of Gluconobacter oxydans［J］.Process Biochemistry，2007，42（1）：71－76.

［16］HU Z C，ZHENG Y G，SHEN Y C.Use of glycerol for producing 1，3－dihydroxyacetone by Gluconobacter oxydans in an airlift bioreactor［J］.Bioresource Technology，2011，102（14）：7177－7182.

［17］HU Z C，ZHENG Y G，SHEN Y C.Dissolved－oxygen－stat fedbatch fermentation of 1，3－dihydroxyacetone from glycerol by Gluconobacter oxydans ZJB09112［J］.Biotechnology and Bioprocess Engineering，2010，15（4）：651－656.

［18］LIU Y P，SUN Y，TAN C，et al.Efficient production of dihydroxyacetone from biodiesel－derived crude glycerol by newly isolated Gluconobacter frateurii［J］.Bioresource Technology，2013，142：384－389.

［19］CIEPLAK M，CEBORSKA M，CMOCH P，et al.Synthesis of higher carbon sugars from dihydroxyacetone and D－arabinose：An organocatalytic approach［J］.Tetrahedron：Asymmetry，2012，23（15－16）：1213－1217.

［20］PEREIRA C S M，SILVA V M T M，RODRIGUESA A E.Ethyl lactate as a solvent：Properties，applications and production processes—A review［J］.Green Chemistry，2011，13：2658－2671.

［21］DAPSENS P Y，KUSEMA B T，MONDELLI C，et al.Galliummodified zeolites for the selective conversion of bio－based dihydroxyacetone into C1－C4alkyl lactates［J／OL］.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，http：／／dx.doi.org／10.1016／j.molcata.2013.09.032.

［22］MYLIN A M，LEVYTSKA S I，SHARANDA M E，et al.Selective conversion of dihydroxyacetone－ethanol mixture into ethyl lactate over amphoteric ZrO2－TiO2catalyst［J］.Catalysis Communications，2014，47：36－39.

［23］ATROTT J，HABERLAU S，HENLE T.Studies on the formation of methylglyoxal from dihydroxyacetone in Manuka（Leptospermum scoparium）honey［J］.Carbohydrate Research，2012，361：7－11.

［24］SUDAR M，FINDRIK Z，VASIC－RACKI D，et al.Aldol addition of dihydroxyacetone to N－Cbz－3－aminopropanal catalyzed by two aldolases variants in microreactors［J］.Enzyme and Microbial Technology，2013，53（1）：38－45.

［25］GUTIERREZ M，PARELLA T，JOGLAR J，et al.Structureguided redesign of D－fructose－6－phosphate aldolase fromE.coli：Remarkable activity and selectivity towards acceptor substrates by two－point mutation［J］.Chemical Communications，2011，47（20）：5762－5764.

［26］PAVLOVIC－DJURANOVIC S，KUN J F，SCHULTZ J E，et al.Dihydroxyacetone and methylglyoxal as permeants of the Plasmodiumaquaglyceroporin inhibit parasite proliferation［J］.Biochimica et Biophysica Acta，2006，1758（8）：1012－1017.

［27］NIKNAHAD H，GHELICHKHANI E.Antagonism of cyanide poisoning by dihydroxyacetone［J］.Toxicology Letters，2002，132（2）：95－100.

［28］NIKNAHAD H，HASHEMI A，JAMSHIDZADEN A.Antidotal effect of dihydroxyacetone against phosphine poisoning in vivoin mice［J］.Toxicology Letters，2012，211：S169－S170.