天然活性成分的生物合成及高效分离

技术简介

癌症、冠心病、糖尿病等疾病严重威胁人类健康。世界卫生组织的 2008最致命疾病分析报告，到 2010年，癌症将取代心脏病成为最大杀手。到 2030年，每年的癌症新发病患者将达到 2700万，死亡达 1700万。与激素代谢相关的癌症乳腺癌、前列腺癌发病率逐年增加。世界卫生组织 1990年公布的资料：美国总死亡人数中，有 24.7%死于冠心病。1995年，全球 1.35亿糖尿病患者；而到 2025年，这个数字将会达到 3亿；中国目前有 4000万。

而日常生活中，某些常见食品中有效成分疾病的预防及治疗有显著的作用。例如：西洋芜荽、甘草和甘橘类水果中所含的香豆素是天然的“血液稀薄剂”，可预防血栓；十字花科蔬菜：吲哚(莱菔硫烷)可阻碍雌激素引发肿瘤生长的效用，预防乳腺癌；樱桃、葡萄及草莓内的鞣花酸可以使致癌物失去作用；五谷中的植酸可以使促进肿瘤生长的类固醇化合物失去作用；苹果和葡萄柚中的可溶性纤维――果胶有助于降低于胆固醇并预防糖尿病；黄豆类食物中所含有的大豆异黄酮，能够阻止肿瘤附近长出新的微血管。2010 年美国保健品及健康食品市场总销售额达 800 亿美元。其中，植物来源的天然保健品约占 80％的市场份额。我国植物提取物行业年出口近百亿元，健康产业产品可达万亿元（中粮数据）。针对天然活性成分原料含量低，产品质量要求高的问题，该课题组采取生物合成、高效分离、工程化研究的策略，高效提取或合成天然活性成分。

　　产品简介

1）鞣花酸

鞣花酸具有抗癌、抗突变、抗 HIV、抗氧化性能，在美国抗癌物质排行榜上名列第二。鞣花酸的传统制备方法是先从动物的虫瘿中提取五倍子单宁，然后再用氧化法制得鞣花酸。得到的产品纯度低，外观为灰色。

石榴是国内重点发展的水果之一，目前尚未见有以石榴皮为原料制备高纯度鞣花酸的报道。石榴皮中所含有的安石榴甙具有强抗氧化性和抗癌等作用，在医疗、保健、功能性食品和化妆品领域都有很大的发展空间。

该课题组采用酶转化法，优化发酵条件及酶诱导条件，将从石榴皮中提取的安石榴甙利用单宁酶发酵，得到鞣花酸，市场潜力巨大。

　　2）莱菔硫烷

莱菔硫烷（Glucoraphanin）就是众多异硫氰酸酯中的一种，而且是目前公认的防癌和抗癌效果最好的天然产物之一。莱菔硫烷主要存在青花菜种子中，含量很低，且青花菜种子产量低，价格昂贵。

该课题组技术了一种以芸苔属蔬菜为原料制备莱菔硫烷的方法。原料经粉碎后，在特定 pH值下水解，水解后除去蛋白质，采用大孔吸附树脂吸附，乙醇水溶液洗脱，从而有效地提高莱菔硫烷的含量。莱菔硫烷工业生产线纯度 95%, 已出口美国。

　　3）4-羟基香豆素

4-羟基香豆素(4-Hydroxycoumarin, 4-HC) 是合成华法林(Warfarin)等抗凝血药的前体。目前，4-羟基香豆素通过化学合成方法生产，具有不可持续及污染环境等缺点。

该课题组采用“上游原核生物水杨酸合成途径，下游水杨酸到 4-HC的人工途径”的方法，首次实现了植物次级代谢产物 4-羟基香豆素的生物合成。并通过平衡基因表达进一步提高了4-羟基香豆素的产量，具有工业应用潜力。

4）5-羟基色氨酸

5-羟基色氨酸是神经递质 5-羟色胺生物的合成前体，是天然抗抑郁剂，对于治疗失眠、纤维肌痛、肥胖、小脑运动失调以及慢性头痛也有很好的效果。其 2012年产量 136.4吨，销售额 3200万美元；预计 2019年销售额将达到 5100万美元。其减肥功效潜在市场巨大，然而，因原料供应问题限制了其应用。化学合成 5-羟基色氨酸过程中，存在羟化反应位置选择性的问题，产物为混合物。目前的方法是从加纳籽中提取，原料问题难以解决。生物法合成 5-羟基色氨酸过程中，动物来源的色氨酸羟化酶不稳定，需要特殊辅因子。

该课题组设计了一条新的 5-羟基色氨酸生物合成途径，避免使用动物来源的色氨酸羟化酶，是基于底物相似性的酶的挖掘的又一成功例子。

　　5）大豆异黄酮

大豆异黄酮可被肠中细菌转化为类似于激素的化合物，具有微弱雌性激素和抗氧化活性，可阻滞血管增生，断绝养料来源，从而延缓或阻止肿瘤病变成癌症，可有效抑制白血病、结肠癌、肺癌、胃癌、乳腺癌、前列腺癌的发生。大豆异黄酮有着重要的经济价值和社会价值。由于大豆中异黄酮的平均含量仅为 0.2%，因此分离提取存在很大困难。目前，大豆异黄酮的生产工艺得到的大豆异黄酮产率较低、成本较高。

该课题组技术了以 PGMA 为基本骨架及环糊精为活性基团的专用分离介质，一步纯化异黄酮纯度可达 90%以上，收率大于 95%，性能优于现有的介质。从而实现了黄酮及皂甙、水溶性成分等的高效分离。