先進化工材料關鍵技術叢書--高純天然產物綠色生物制造關鍵技術

在過去幾十年中，提取法被大范圍應用于天然活性因子的制備。隨著研究的深入，研究人員們發現一大批性質優異的化合物，如黃酮，糖苷類化合物的苷元等。但是，這些天然功能因子在植物中含量極低，大多以前體形式存在，這極大限制了使用提取法制備此類化合物在工業上的大規模應用。盡管通過化學法水解，如高溫酸水解/堿水解等，可以獲得這一類活性因子的活性成分，但反應條件苛刻，水解周期長，產物結構容易破壞，造成產量和純度偏低等問題。此外，化學水解法帶來大量含酸堿或高鹽廢水也對環境造成了巨大的傷害。 因此，隨著生物技術的蓬勃發展，綠色溫和的生物酶法逐漸成為了天然活性因子綠色生物制造技術的首選。與此同時，隨著 20 年代初期合成生物學技術的出現，以葡萄糖、甘油等為原料從頭合成一系列天然活性因子的手段也為高效生產具有生物活性和高價值的化學品提供了替代方法。

健康產業是國家重要發展方向之一，植物天然活性成分對保障人類健康發揮了重要作用，其規模生產面臨著效率低、高純產品生產困難等問題。
高純天然功能因子為具有某種明確生理活性或功能天然產物的統稱，在醫藥、食品、日化等重要領域有著廣泛的應用。目前，國內外對天然功能因子，尤其是高純天然功能因子的需求迅速增長。高純天然產物的規?；咝е苽湟彩撬幬?、食品、日化等相關產品開發、活性機理研究的重要基礎。然而，我國大多數生產企業技術落后、工藝粗放、環境污染嚴重，且無法大規模制備高純度天然活性成分。少數企業雖然可以借助色譜技術進行少量高純產品的制備，但是難以規?；a。因而，高效、綠色、規?；苽涓呒兌忍烊还δ芤蜃邮侵萍s行業高質量發展的關鍵技術瓶頸。植物源天然產物因化學結構多樣、雜質成分復雜，傳統的化工分離技術缺少對這些天然產物的應用實例，單一的化工單元操作很難實現高純產品制備。因此，開展生物、化學及工程學的多學科交叉研究，發展過程強化及系統集成技術，是實現高純天然活性成分綠色、規?；苽涞闹匾l展方向。
筆者團隊二十年來在生物化工、現代分離技術、合成生物學等領域重點開展了以下研究工作：基于過程強化及耦合策略，建立了高純度鞣花酸、安石榴苷、大豆異黃酮、大豆皂苷、光甘草定、硫代葡萄糖苷、萊菔硫烷、萊菔素等高質天然產物高效純化工藝；基于基因組分析和結構相似性構建高性能糖苷水解酶庫，建立了酶法制備環黃芪醇、阿克拉定、薯蕷皂素、甘草次酸的新工藝；基于合成元件理性挖掘和碳流重新分配構建了系列典型芳香環功能因子的生物合成平臺，首次實現了熊果苷、紅景天苷和5-羥基色氨酸的異源生物合成；依托上述理論和應用研究工作，在國內外率先建成了大豆異黃酮、低聚木糖、鞣花酸、硫代葡萄糖苷、萊菔硫烷、熊果苷、5-羥基色氨酸工業生產線，創造了良好的經濟效益，相關研究工作為高純天然產物綠色高效工業規?；苽涮峁┝擞幸饬x的范例。
本書結合筆者團隊在高純天然產物綠色生物制造理論和應用研究領域的成果和技術資料，涵蓋了筆者團隊近20年來承擔的“863計劃”項目全酶法清潔生產木糖醇關鍵技術研究（2009AA02Z202）、啤酒酵母與果酒廢渣資源化利用關鍵技術（2012AA021403），國家重點研發計劃植物天然產物合成途徑在微生物中的高效組裝與適配性原理（2018YFA0901800）、可規?；瘧玫男滦凸I酶固定化技術（2021YFC2102800）、天然活性產物生物制造技術（2021YFC2101500）、工業菌種基因組人工重排技術（2021YFC2100800），國家重點研發計劃政府間專項光果甘草關鍵組分的綠色生物制造和高值化開發（2021YFE0103500），教育部長江學者創新團隊（IRT13045），山東省重大科技創新工程項目重要抗衰老關鍵中藥組分生物制造關鍵技術與產品開發（2019JAAY121）。部分成果獲得國家科學技術進步二等獎1項、教育部高等學?？茖W研究優秀成果獎（技術發明獎）二等獎1項、第十一屆中國青年科技獎、中國商業聯合會科學技術獎特等獎1項、中國分析測試協會科學技術獎（CAIA獎）一等獎1項、中國商業聯合會科學技術獎一等獎1項、北京市科技進步二等獎等。在此基礎上，參閱了大量國內外科技文獻，重點針對天然產物綠色生物制造的理論基礎和應用研究完成本書編撰，以幫助科研和工程技術人員對該領域有一個系統的認知，為天然產物的綠色生物制造提供理論和應用指導。
本書共十一章，由袁其朋、梁浩負責全書的統稿、修改和定稿。第一章由袁其朋、梁浩、魏斌撰寫；第二章由李庚、袁其朋撰寫；第三章由田敏彤、梁浩、袁其朋撰寫；第四章由李岳、袁其朋撰寫；第五章由王琳，孫新曉撰寫；第六章由鄭安妮，程磊雨撰寫；第七章由趙雨軒，劉芳撰寫；第八章由魏斌，梁浩撰寫；第九章由徐海暢，梁浩撰寫；第十章由魏斌、齊昊樂、梁浩撰寫；第十一章由陸亮宇、申曉林、孫新曉、王佳撰寫。
在筆者團隊學習的研究生們為本書的部分研究成果付出了辛勤的勞動，他們包括況鵬群、王田心、程立、田桂芳、寒思翀、陸晶晶、王樂、范曉光、李向來、王曉蕾，宋丹、肖倩、胡曄、趙麗、賈乃堃、孟雷、肖正發、宋航彬、徐巧蓮、劉宇文、宋漢臣、朱靜、吳興付、程艷、徐巖、呂姣、韋永琴、王立媛、張琪琪、劉賽星、吳建鵬等。本書還參考了大量國內外同行撰寫的書籍和發表的論文資料，在此一并表示衷心感謝。
由于編寫此書時間較為倉促，更由于筆者水平有限，疏漏之處在所難免，請讀者不吝指正。

袁其朋　梁浩
2023年于北京化工大學

袁其朋，北京化工大學教授，博士生導師。教育部長江學者特聘教授。1992年在清華大學獲化學工程學士學位，1997年在天津大學獲生物化工博士學位。1999年至2000年在澳大利亞新南威爾士大學作訪問學者，2001年至2003年赴香港理工大學從事中藥方面的研究工作。1997年至今在北京化工大學工作。主要研究領域為：合成生物學及代謝工程，高純天然產物規模制備及應用基礎研究。以第一或通訊作者在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Metabolic Engineering、AIChE Journal、Chemical Engineering Science等期刊發表SCI論文240余篇，授權PCT、中國發明專利60余項。在國內外率先實現了大豆異黃酮、鞣花酸、安石榴苷、萊菔硫烷、萊菔素、熊果苷、5-羥基色氨酸等的工業生產，創造了良好的經濟效益。以第一獲獎人獲國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步特等獎1項、一等獎2項、二等獎2項。第十一屆中國青年科技獎獲得者，科技北京百名領軍人才。兼任化工資源有效利用國家重點實驗室副主任、科技部合成生物學專項項目組專家、中國化工學會生物化工專業委員會副主任委員、中國生物化學與分子生物學會工業專業分會副理事長、中國紡織工程學會化纖專業委員會副主任委員，享受國務院特殊津貼。

梁浩，北京化工大學教授，博士生導師。2002年獲北京化工大學生物化工學士學位，2007年獲北京化工大學生物化工博士學位。2014年至2016年在加拿大滑鐵盧大學作訪問學者。2007年至今在北京化工大學生命科學與技術學院工作，主要從事天然活性成分的生物合成與納米增效研究。先后開發了萊菔硫烷、甘草次酸、阿克拉定、環黃芪醇和甘油葡萄糖苷等的酶法生產技術和蝦青素、光甘草定、植物精油等納米制劑，作為主要技術負責人參與建成了國內外高純度萊菔硫烷的生產線。發表論文80余篇，授權中國發明專利6項。作為第二完成人獲得教育部高等學?？茖W研究優秀成果獎（技術發明獎）二等獎1項、中國商業聯合會科技進步獎一等獎1項。兼任中國生物發酵產業協會生物發酵美妝原料分會理事、中國藥學會制藥工程專委會青年委員、全國生物資源提取行業專家委員會委員、北京理化分析測試技術學會青年學術委員會常務理事。

《高純天然產物綠色生物制造關鍵技術》是“先進化工材料關鍵技術叢書”（第二批）的一個分冊。
本書基于筆者二十余年的工作積累，是圍繞高純天然產物綠色生物制造關鍵技術開展科學研究和技術開發的系統總結。全書共十一章，包括緒論，石榴皮制備高純度安石榴苷和鞣花酸，十字花科植物制備高純度硫代葡萄糖苷和異硫氰酸酯，大豆皂苷和大豆異黃酮的制備工藝，玉米芯綠色制備低聚木糖、木糖和木糖醇，酶法制備黃芪甲苷和環黃芪醇，酶法制備阿可拉定，酶法制備薯蕷皂素，酶法制備甘油葡萄糖苷，高純度光甘草定和甘草次酸制備工藝，典型芳香環植物功能因子的異源生物合成。本書所涉及的研究內容為相關領域國際學術前沿的熱點，部分成果為原創。
《高純天然產物綠色生物制造關鍵技術》是多項國家和省部級科技成果的系統總結，適合生物、化學、化工、材料領域，特別是對高純天然產物綠色生物制造關鍵技術感興趣的科學技術人員閱讀，也可作為高等院校生物、化學、化工、材料及相關專業高年級本科生和研究生的教材使用。

第一章 緒論	001
第一節　天然產物簡介	002
第二節　天然產物的綠色生物制造技術發展歷程	008
一、天然產物分離純化技術	008
二、天然活性因子綠色生物制造技術	010
第三節　天然產物綠色生物制造未來發展的技術展望	015
一、新型綠色溶劑的研究	015
二、糖苷酶的理性改造與設計	016
三、天然產物生物合成中的共培養和動態調控	016
參考文獻	017

第二章 石榴皮制備高純度安石榴苷和鞣花酸	023
第一節　安石榴苷和鞣花酸簡介	024
一、安石榴苷	024
二、鞣花酸	027
第二節　高純度安石榴苷制備關鍵技術	029
一、石榴皮總單寧提取	030
二、高純度安石榴苷的制備	035
第三節　高純度鞣花酸制備關鍵技術	041
一、以石榴皮為原料制備鞣花酸	041
二、高純度鞣花酸的制備	043
第四節　鞣花酸和安石榴苷活性研究	046
一、鞣花酸和安石榴苷的抗氧化活性研究	046
二、安石榴苷的抗糖尿病活性研究	048
第五節　小結與展望	053
參考文獻	054
 
第三章 十字花科種子制備高純度硫代葡萄糖苷和異硫氰酸酯	057
第一節　硫代葡萄糖苷和異硫氰酸酯簡介	058
一、十字花科植物	058
二、硫代葡萄糖苷	059
三、異硫氰酸酯	060
第二節　硫代葡萄糖苷制備工藝	062
一、化學合成法和生物合成法	063
二、天然產物提取法	064
第三節　高純異硫氰酸酯制備工藝	069
一、異硫氰酸酯的制備	069
二、異硫氰酸酯的純化	074
第四節　異硫氰酸酯的穩態化和活性研究	077
一、異硫氰酸酯的穩定性	077
二、異硫氰酸酯的穩態化	080
三、異硫氰酸酯的活性研究	082
第五節　小結與展望	085
參考文獻	086

第四章 大豆皂苷和大豆異黃酮的制備工藝	091
第一節　大豆皂苷和大豆異黃酮簡介	092
一、大豆皂苷概述	092
二、大豆異黃酮概述	096
第二節　高純度大豆皂苷制備關鍵技術	100
一、樹脂法純化大豆皂苷B	100
二、結晶法純化大豆皂苷B	102
三、中試放大 	103
第三節　利用大孔樹脂從大豆糖蜜中回收大豆異黃酮	104
一、大豆糖蜜簡介	104
二、大豆糖蜜預處理	105
三、樹脂法精制大豆異黃酮	106
四、稀糖蜜生產大豆異黃酮	107
第四節　連續萃取法制備大豆異黃酮	109
一、間歇萃取	109
二、連續逆流萃取	110
三、組合溶劑回流萃取制備大豆黃苷及大豆黃素	111
四、甲醇重結晶制備黃豆黃苷及黃豆黃素	111
第五節　利用擴張床吸附技術從大豆糖蜜中分離純化大豆異黃酮	112
一、擴張床吸附技術及環糊精介紹	112
二、PGMA-TiO2復合擴張床介質的制備及表征	114
三、PGMA-TiO2-β-CD復合擴張床吸附劑的制備及表征	116
四、應用PGMA-TiO2-β-CD復合擴張床吸附劑純化大豆異黃酮	118
第六節　小結與展望	121
參考文獻	121

第五章 玉米芯綠色制備低聚木糖、木糖和木糖醇	125
第一節　低聚木糖、木糖和木糖醇簡介	126
一、低聚木糖簡介	126
二、木糖簡介	127
三、木糖醇簡介	128
第二節　低聚木糖綠色制備關鍵技術	128
一、木聚糖酶的選擇和應用	129
二、低聚木糖生產工藝	130
三、絮凝脫色在低聚木糖分離純化中的應用	130
第三節　木糖綠色制備關鍵技術	132
一、半纖維素水解液的組成	132
二、玉米芯半纖維素清潔糖化制備木糖	133
三、木糖的純化與精制	141
第四節　木糖醇綠色制備關鍵技術	142
一、木糖醇發酵條件的優化	143
二、半纖維素水解液抑制物對于木糖醇發酵的影響 	147
三、利用蒸汽爆破水提液發酵生產木糖醇 	151
四、利用亞硫酸水解液發酵生產木糖醇 	153
第五節　小結與展望	154
參考文獻	155

第六章 酶法制備黃芪甲苷和環黃芪醇	161
第一節　黃芪甲苷和環黃芪醇簡介	162
一、黃芪甲苷簡介	162
二、環黃芪醇簡介	164
第二節　生物法制備黃芪甲苷的關鍵技術	166
第三節　生物法制備環黃芪醇的關鍵技術	169
第四節　小結與展望	172
參考文獻	173

第七章 酶法制備阿可拉定	175
第一節　淫羊藿及阿可拉定簡介	176
一、淫羊藿	176
二、阿可拉定	177
第二節　酶法制備阿可拉定關鍵技術	178
一、直接提取法	178
二、化學合成法	178
三、酶解法	179
第三節　固定化雙酶制備阿可拉定關鍵技術	185
一、單一酶交聯酶聚集體	185
二、雙酶交聯酶聚集體	189
第四節　小結與展望	194
參考文獻	195

第八章 酶法制備薯蕷皂素	199
第一節　薯蕷皂素簡介	200
一、薯蕷皂素理化性質	200
二、薯蕷皂素的制備	200
第二節　酶法制備薯蕷皂素工藝	204
一、微生物轉化篩選及水解酶分級純化	204
二、薯蕷皂素水解酶的異源表達及其功能探究	206
三、Rhase-TS和Gluase-TS酶學性質研究及催化殘基預測	209
四、酶催化制備薯蕷皂素	216
第三節　小結與展望	219
參考文獻	220

第九章 酶法制備甘油葡萄糖苷	225
第一節　甘油葡萄糖苷簡介	226
一、甘油葡萄糖苷簡介及來源	226
二、甘油葡萄糖苷的功效及市場前景	227
三、甘油葡萄糖苷的制備方法	228
第二節　酶法制備甘油葡萄糖苷關鍵技術	229
一、蔗糖磷酸化酶的篩選、表達、活性研究	229
二、蔗糖磷酸化酶催化制備2-O-α-甘油葡萄糖苷	230
第三節　固定化酶制備甘油葡萄糖苷關鍵技術	231
一、Ni-NTA功能化瓊脂糖微球特異性吸附固定化蔗糖磷酸化酶	232
二、殼聚糖調控的仿生雜化納米花自組裝固定化蔗糖磷酸化酶	240
第四節　小結與展望	253
參考文獻	254

第十章 高純度光甘草定和甘草次酸制備工藝	259
第一節　光甘草定和甘草次酸簡介	260
一、光甘草定簡介	260
二、甘草次酸簡介	261
第二節　光甘草定綠色制備關鍵技術	263
一、光甘草定的提取工藝	263
二、光甘草定的分離純化工藝　	265
三、光甘草定納米復合物的制備	269
第三節　酶法制備甘草次酸關鍵技術	272
一、甘草次酸的制備方法	272
二、葡萄糖醛酸酶簡介	273
三、固定化酶催化制備甘草次酸	274
四、一鍋法提取水解甘草酸制備甘草次酸	277
五、甘草次酸納米復合物的制備	278
第四節　小結與展望	280
參考文獻	281

第十一章 典型芳香環植物功能因子的異源生物合成	289
第一節　典型芳香環植物功能因子簡介	291
一、芳香環植物功能因子的合成途徑	291
二、莽草酸途徑	291
三、莽草酸途徑中的酶	293
四、莽草酸途徑的代謝調控	296
第二節　熊果苷異源生物合成	297
一、熊果苷的生物活性	298
二、熊果苷生物合成途徑設計及關鍵酶的表征	300
三、熊果苷從頭合成	302
四、通過將碳通量轉入熊果苷生物合成途徑實現熊果苷的高水平生產	303
五、熊果苷生物合成的培養條件優化	304
第三節　紅景天苷異源生物合成	305
一、紅景天苷的用途及生產方式	307
二、共培養工程高效生物合成芳香環植物功能因子	308
三、共培養生物合成紅景天苷路徑設計	310
四、三種共培養生物合成紅景天苷的比較	311
五、紅景天苷的擴大生產	313
第四節　5-羥基色氨酸異源生物合成	314
一、5-HTP的用途及生產方法	314
二、轉化5-羥基鄰氨基苯甲酸生產5-HTP	316
三、利用水楊酸-5-羥基化酶轉化AA生成5-HAA	317
四、5-HAA合成的模塊化優化	318
五、5-HTP的生物合成	319
第五節　小結與展望	319
參考文獻	321

索引	330