光化學合成維生素D
維生素D是一種脂溶性類固醇激素,在平衡新陳代謝、維持機體健康等方面具有不可忽視的作用。
維生素D(Vitamin D, VD),被稱為“陽光維生素”,是維持機體健康所必需的一種脂溶性維生素。麥角鈣化醇(ergocalciferol, VD2)和膽鈣化醇(Cholecalciferol, VD3)是VD系列化合物中主要的兩種存在形式。人體皮膚組織內含有大量的7-脫氫膽固醇(7-dehydrocholesterol, 7-DHC),經紫外光照射后會轉變為VD3,該合成途徑也是人體獲得VD最主要的來源。與VD3可在體內自主代謝合成不同,VD2在人體內無法代謝合成,必須依靠外界的飲食攝取。
VD本身沒有生理活性,只有經過羥基化修飾后轉變為活性形式才能在人體內發揮生理作用。如圖1所示,飲食攝取或人體自身合成的VD3由結合蛋白(vitamin D-binding protein, DBP)從血液轉運至肝臟,在肝臟中經細胞色素P450酶羥基化修飾形成25-羥基維生素D3(25-hydroxyvitamin D3, 25(OH)D3),25(OH)D3是VD在人體內的主要循環方式,其濃度是衡量體內VD狀況的標準之一。之后25(OH)D3將由DBP再次運輸至腎臟并修飾轉變為1,25-二羥基維生素D3(calcitriol,1,25(OH)2D3)、24,25-二羥基維生素D3(24,25-hydroxyvitamin D3,24,25(OH)2D3)等活性形式。
VD是骨骼正常生長發育所需的重要營養物質,人體缺乏VD時會導致佝僂病、骨質軟化等疾病。VD不僅能夠促進鈣磷吸收,還能作用于大腦神經,預防精神分裂癥、自閉、認知障礙和神經退化等疾病,同時適當補充VD可有效治療和預防糖尿病。此外越來越多的實驗證明,VD在治療免疫性系統疾病、癌癥以及心血管疾病等方面也具有良好的生理作用。
圖1 VD活性形式轉變示意圖
隨著VD的各種生理活性不斷被發現,VD的全球市場年需求量也在日益增長。目前工業化生產VD的主要方法為半化學合成法,即以膽固醇、麥角固醇、豆甾醇、巖藻甾醇以及孕烯醇酮等為底物,經過簡單的化學反應生成。反應底物是半化學合成的重要因素之一,如何大量廉價地獲取天然甾醇也是目前工業化生產VD過程中面臨的挑戰之一。麥角固醇、7-DHC分別是半化學合成VD2及VD3的理想前體,但這些天然甾醇在宿主中的單體含量較少,已漸漸無法滿足當下工業化合成VD的生產需求。
甾醇代謝合成途徑
光化學合成VD
VD是由關鍵前體甾醇經過光化學開環反應產生的。VD的光合作用是一個由多條異構化反應組成的復雜分支網絡。
麥角固醇轉化為VD2的過程中,影響VD2的轉化率關鍵在于光源的選擇和光轉化器構造。目前國內光源的選擇一般選用低壓和高壓汞燈兩種。在VD2的光化學反應中波長的選擇很重要。275~300 nm波長范圍內,280~284 nm的紫外光有利于生成VD2,短于280 nm的光易于生成速甾醇,而長于284 nm的光容易生成光甾醇,VD2過度照射,過度輻射還會生成毒甾醇等物質,因此VD2的光轉化中熒光燈的波長范圍要求極其嚴格。圖2展示了VD在光照條件下的像話轉化。研究發現,波長為283 nm的低壓汞蒸氣紫外熒光燈照射麥角固醇,轉化效果最佳,麥角固醇轉化率50%以上,VD2收率在70%以上。
圖2 VD的光化學反應
7-DHC則會被290~315 nm波長的光子異構化為VD3,這與紫外線B (UVB)的電磁波譜范圍相對應。FUSEO等提出利用連續微流系統合成VD3,與傳統的兩步法合成VD3不同,該方法在微反應器中可以同時進行光反應和熱反應。7-DHC在反應器中光異構化后轉化為維生素原D3,維生素原D3繼續熱異構化轉化為VD3。相比于傳統光合成法,該方法收率高(HPLC-UV:60%,分離率:32%),操作簡便且無需純化中間產物維生素原D3,具有良好的工業應用價值。
文章節選自:
曲麗莎,于文文,呂雪芹,等.生物-化學法合成維生素D的研究進展[J].食品與發酵工業,2021,47(1):276-284.QU Lisha,YU Wenwen,LYU Xueqin,et al.Advances on synthesis of vitamin D by bio-chemical method[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(1):276-284.
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