阿魏酸糖酯合成的研究進展

周 靜，王 靜，孫寶國

（北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京100048）

阿魏酸糖酯合成的研究進展

周 靜，王 靜*，孫寶國

（北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京100048）

阿魏酸糖酯類由于具有特殊的兩親結構以及在人體內起到的生理活性而廣泛應用于醫藥、食品、化妝品等行業。綜述了阿魏酸糖酯的化學和生物法合成，并比較了兩者的優缺點，指出優化合成方法成為阿魏酸糖酯合成的研究熱點。

阿魏酸糖酯，直接酯化法，酰氯法，DCC法，生物法

Abstract：Feruloylated glycosides are widely used in many commercial applications such as health care products and non-ionic surfactants in pharmaceuticals，cosmetics and food industries for their special amphipathic structures and physiological activity.The chemical and biological syntheses of feruloylated glycosides were described in this review，and the advantages and disadvantages of the two methods were compared.At present，the focus on the research that was how to improve the synthesis method，which was also pointed out in this review.

Key words：feruloylated glycosides；direct esterification method；carbonyl chlorides method；DCC method；biological syntheses

阿魏酸（Ferulic Acid，FA）是植物界天然存在的一種酚酸，1866年其活性化合物首次從傘形科植物阿魏中分離獲得。在植物中阿魏酸主要通過酯鍵與細胞壁多糖和木質素交聯或自身酯化，或醚化形成雙阿魏酸，從而構成細胞壁的一部分[1]。阿魏酸糖酯（feruloylated glycosides）是阿魏酸羧基與糖中不同位置上的糖羥基酯化而形成的一類化合物。研究發現，阿魏酸具有活血化瘀、調節血脂、抗血栓、抗氧化、抗血小板聚集等功能[2]，同時由于其中的酚羥基是優良的氫原子或電子的給予體，對能引起生物組織膜因產生過氧化作用而導致結構和功能損傷的過氧自由基、羥自由基具有明顯的清除作用[3]。阿魏酸能被人體吸收并易于從尿中排出，不會在體內累積[4]，因此在醫學上有很高的應用價值。但是阿魏酸分子中的烷烴較短，含有雙鍵，導致其親水性較強，脂溶性較差，影響到其在體內的轉運和利用，所以增大脂溶性一直是阿魏酸結構改造的重點[5]，對阿魏酸進行修飾引起了研究人員的極大關注[6]。研究證實阿魏酸的一些衍生物表現出比阿魏酸更強的活性，因此合成生物活性更高的阿魏酸衍生物成為研究的重點，報道表明阿魏酸衍生物比阿魏酸具有更強的活性和較低的毒性[5，7-8]。Ou等[9]發現，阿魏酸糖酯的體外抗氧化能力顯著高于阿魏酸和維生素C。阿魏酸，化學名稱為4-羥基-3-甲氧基苯丙烯酸，其結構如圖1所示，有順式和反式兩種[10]，順式為黃色油狀物，反式為白色至微黃色斜方結晶，熔點為174℃；水溶性差，溶于熱水、乙醇、乙酸乙酯和氯仿，微溶于乙醚，難溶于苯和石油醚[11-12]。阿魏酸分子中的活性基團有烯鍵、芳環、酚羥基和羧基，烯鍵能發生親電加成反應生成醇、烷烴和鹵化物等，芳環可以通過親電取代反應引入鹵素、硝基和磺基等，酚羥基可以通過中和、烷基化和酯化反應生成鹽、醚和酯，羧基可以生成鹽、酯、酰胺、酸酐，還能通過酰氯化生成酰氯[13]。阿魏酸糖酯類衍生物是將阿魏酸以酯鍵的形式引到糖的母體上的，通過這種結構修飾可以改善阿魏酸的脂溶性，提高其穩定性，并通過阿魏酸和糖之間可能存在的協同作用來提高修飾物的選擇性和藥效作用。目前阿魏酸糖酯的合成采用化學法和生物法。

圖1 阿魏酸的結構Fig.1 The structure of Ferulic Acid

1 化學合成法

阿魏酸糖酯的化學合成法主要有直接酯化法、酰氯法和二環己基碳二亞胺（DCC）催化法，其中酰氯法和DCC催化法是目前最常用的方法。

1.1 直接酯化法

直接酯化法是指阿魏酸在酸的催化下和糖中過量的羥基加熱回流生成糖酯和水，達到反應的平衡。

雖然直接酯化法簡單易行、反應迅速，但由于該反應為可逆反應，所以產率較低。為提高產物的轉化率，生產中常采用溶劑共沸法，即在反應體系中加入與原料不反應的共沸試劑，如苯、甲苯等與水形成共沸體系，反應生成的水與共沸劑一起蒸出，經油水分離器兩者分離，共沸劑返回反應體系繼續以上循環，從而促使平衡向生成酯的方向移動。在直接酯化的反應體系中，通常采用硫酸、路易斯酸、對甲苯磺酸等質子型催化劑。近年來，陽離子交換樹脂類催化劑因其反應條件溫和、副產物少、產物后處理簡單、不腐蝕設備[14]，逐漸取代了質子型催化劑，促進了直接酯化法的推廣和應用。

藍志東等[15]以溶解在二甲亞砜中的阿魏酸和淀粉為原料，在對甲基苯磺酸的催化作用下合成了阿魏酸淀粉酯。對合成產物進行取代度分析，發現所合成的阿魏酸淀粉酯屬于低取代度的產品，符合工業上生產重要變性淀粉的要求。對合成產物進行酶水解分析，發現阿魏酸淀粉酯具有抗α-淀粉酶水解的能力，減少了在腸胃中被淀粉酶水解的機會，能夠通過胃部進入結腸，降低了結腸癌病變的可能性。張強等[16]以茯苓多糖為酯化劑，甲苯、二甲亞砜為共沸劑合成了阿魏酸茯苓多糖，并對其抗氧化性進行對比研究。結果顯示，一定濃度下合成的阿魏酸糖酯抗氧化能力優于阿魏酸。

直接酯化法是可逆反應，可嘗試通過加快反應速率、促進化學平移來改進合成方法，提高產率。如著重對催化劑進行研究，改進催化劑的專一性，增加其催化效率；開發高吸水性復合材料，提高吸水效率，促進反應平衡右移。同時，共沸體系中的有機溶劑多為含苯環類試劑，易造成嚴重的環境污染，今后的研究方向應嘗試尋找對環境污染較小的有機甚至是無機試劑作為共沸試劑。

1.2 酰氯法

酰氯法是先將阿魏酸轉化為酰氯，再與糖縮合生成酯的方法，其反應機理為親核加成消除過程。酰氯屬于親核試劑，可由羧酸與三氯化磷、五氯化磷或氯化亞砜反應制得，其中氯化磷的沸點較低，適合于制備低沸點酰氯；氯化亞砜制備酰氯的反應其副產物都是氣體，容易分離和提純[17]。

酰氯法具有反應條件溫和、所需的時間相對較短、后期處理簡單、產率較高等優點。雖然酰氯法存在一些問題，比如酰氯需要現制現用，反應中必須保持無水干燥，產物純化麻煩，合成路線偏長等，但是酰氯法的應用仍然較多。

李愛軍等[18]先用三氯化磷將阿魏酸酰氯化，后與淀粉反應，成功地合成了淀粉阿魏酸酯。研究人員對合成的產物進行結腸微生物離體發酵實驗，發現它不易被淀粉酶水解，在結腸微生物作用下，阿魏酸的釋放率和釋放速度大大高于麥麩膳食纖維，阿魏酸釋放后對亞硝酸鹽具有較強的清除能力，進而會減少結腸癌病變可能性。再者，淀粉阿魏酸酯能促進保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的繁殖，并使之在貯藏過程中維持較高的活力。

Richard等[19]采用酰氯法成功地合成甲基-6-氧-阿魏酰基-β-D-吡喃半乳糖苷、甲基-6-氧-阿魏酰基-β-D-吡喃葡萄糖苷、甲基-6-氧-阿魏酰基-β-D-呋喃阿拉伯糖苷，轉化率分別達到95%、90%、73%。Petri等[20]利用酰氯法合成了一系列甲基阿魏酰基糖苷。Pauli等[21]將阿魏酸酰氯與阿拉伯糖基木聚糖和葡糖基木聚糖共價結合后脫保護基合成阿魏酰阿拉伯糖基木聚糖酯和阿魏酰葡糖基木聚糖酯，并從銅調節的人體低密度脂蛋白的抗氧化性能上將阿魏酸和結合態阿魏酸進行比較，結果發現，阿魏酸糖酯優于阿魏酸。

酰氯劑會與體系中存在的水反應失去親和性，因而酰氯法要求反應體系無水，這對反應環境的要求較高，且反應較劇烈，很大程度上限制了酰氯法的應用。為使反應成功進行，除在反應前對試劑進行干燥處理外，還可在反應體系中加入分子篩，以保持體系的干燥狀態。同時反應過程中產生大量二氧化硫，易造成環境污染，在實際生產中應注意尾氣處理。

1.3 DCC催化法

DCC催化法是指阿魏酸羧基先被1，3-二環己基碳二亞胺（DCC）活化，再與糖羥基反應生成酯的反應。其作用機理如圖2所示。

圖2 DCC反應機理Fig.2 The mechanism of DCC

DCC與羧酸反應，兩分子羧酸脫水生成酸酐，DCC得水生成1，3-二環己基脲（DCU），然后4-二甲氨基吡啶（4-DMAP）的吡啶氮原子進攻酸酐中的羰基碳，形成1-乙酰基-4-二甲氨基吡啶鹽，其正離子與第一步產生的乙酸根離子形成一個不緊密的離子對。接著醇羥基的氧原子親核進攻與吡啶相連的乙酰基碳原子，乙酸根離子立即奪取醇羥基的氫，氧把吡啶擠出去產生酯，同時重新生成4-DMAP，進行下一個循環[22]。

DCC是一種脫水劑，常用于催化酯化、酰胺化等反應[23]，能減少體系中產物水的量，有利于反應向生成產物的方向進行。催化劑4-DMAP是超強親核的酰化作用催化劑，其結構上供電子的二甲氨基與母環（吡啶環）的共振，能強烈激活環上的氮原子進行親核取代反應，其活性約為吡啶的4～6倍[24]。該催化劑用量小，反應條件溫和，在極性、非極性有機溶劑中均可進行，反應時間短，收率高，副反應少，三廢少，因而被稱為“超級催化劑”[25]，近年來在酰化、烷基化、醚化、酯化及酯交換等多種反應中有廣泛的應用。

縮水劑DCC、催化劑4-DMAP對高位阻、低反應活性的底物具有較高的活性，反應條件溫和，可在低溫下快速酰化，避免了反應過程中原料和產物的消旋化[26]，溶劑選擇廣泛，操作簡便，后處理簡單，是在活性較弱的寡糖羥基上引入較大酰基的一種十分有效的方法。

Sonia等[27]以微晶纖維素和阿魏酸為原料，在DCC、DMAP的作用下均相合成了阿魏酰基微晶纖維素，并用抑制小鼠肝臟微粒體膜的脂質過氧化實驗來評估產物的抗氧化能力，結果發現合成的產物是強的抗氧化劑。

與直接酯化法、酰氯法相比，DCC法對反應條件的要求較低，反應體系中同時存在脫水劑和催化劑，具有較高的反應活性，反應適用性強，因而該法可能會成為今后化工業上合成阿魏酸糖酯的主要方法。

2 生物合成法

由于傳統的化學法進行得阿魏酸酯化修飾往往需要進行繁瑣的保護和去保護，選擇性差，有些反應條件苛刻，常需在高溫、高壓下進行，副反應多，對于某些糖很難實現。1980年以來，國內外研究人員開始研究應用生物手段合成非天然手性有機化合物。1984年生物催化劑和介質工程的研究取得了突破性進展，極大地推動了生物反應合成新化合物研究領域的發展。

選擇性生物合成作為第三代生物技術的重要組成部分，是國際科技發展的前沿。利用生物反應，許多結構復雜的生物活性物質得以人工合成從而進行工業生產。該法不僅對結構具有化學選擇性和非對映異構體選擇性，而且還有嚴格的區域選擇性和對映體選擇性。

阿魏酸糖酯的生物合成法是指用生物技術來模擬植物體內的酶催化合成糖酯。目前，利用生物技術合成阿魏酸糖酯主要有生物酶催化和微生物細胞發酵兩種方法。

用于催化合成阿魏酸糖酯的酶是阿魏酸酯酶。阿魏酸酯酶（E.C.3.1.1.73，Ferulic acid esterases，FAE）又稱肉桂酸酯酶，是一類廣泛存在于谷物中的胞外酶，1991年Faulds等首次從橄欖色鏈霉菌中分離得到。阿魏酸酯酶屬于水解酶類的羧酸酯水解酶，是一種能打斷阿魏酸甲酯、低聚糖阿魏酸酯和多糖阿魏酸酯中的酯鍵，將阿魏酸游離出來的酶[28-29]。根據其對人工合成的肉桂酸甲酯的專一性，阿魏酸酯酶可分為A、B、C、D四類[30]。A類阿魏酸酯酶的底物多含有甲氧基，特別是諸如阿魏酸和芥子酸之類含有間位甲氧基的酚類衍生物以及苯環上含有較大取代基的疏水性物質，大多數的A類阿魏酸酯酶只能催化水解O-5上的阿魏酸酯鍵。B類阿魏酸酯酶主要催化水解含有一到兩個羥基的底物，比如p-香豆酸和咖啡酸，且能催化O-5或O-2的阿魏酸酯鍵。C類和D類阿魏酸酯酶對人工合成的羥基肉桂酸表現出范圍較廣的專一性，能夠催化上述兩種酯鍵，兩者只是在催化分離5-5’阿魏酸二聚體的能力上有較小的差異。

阿魏酸酯酶可用于催化在水-有機溶劑混合體系或微乳液中發生的肉桂酸的酯化或酯基交換反應[31-32]，而且生成阿魏酸糖酯的酯化反應只能用阿魏酸酯酶進行催化。從濕熱側孢霉中分離得到的C類阿魏酸酯酶被證明可以催化阿魏酸基團轉移到L-阿拉伯糖和L-阿拉伯二聚糖上，實現了碳水化合物阿魏酰基化[33]。另外，Topakas等[34]在以己烷、丁醇和水的混合溶液為溶劑、嗜熱側孢霉阿魏酸酯酶的催化作用下將阿拉伯糖和阿魏酸進行了立體選擇性酯化，反應得到了阿魏酸阿拉伯糖酯類衍生物，產率達到40%。

微生物細胞發酵生成糖酯又稱整細胞生物轉換合成，是指由活性細胞中多種酶聯合起來進行連續的酶催化作用從而獲得目的產物，這個過程經工業發酵來實現。通過發酵合成的糖酯化合物具有增強免疫、抗氧化、抗腫瘤性能，在醫藥行業備受矚目，體現出了強于化學法的獨特優勢[35]。

以酶為催化劑進行選擇性酯化可制得預期結構的糖酯，本質上屬于有機合成，只是用生物酶替代了傳統的有機試劑或催化劑。而發酵法得到的產物比通過其他方法獲得的產物結構更為復雜，屬于生物合成過程。所以，兩者既存在差異，也具有一定的互補性。

目前，生物合成法的研究工作主要集中在實驗室階段，如何在保持酶活和酶立體選擇性的基礎上盡可能找到合適的反應體系，大大提高反應速率和轉化率，將其應用到工業生產是我們亟待解決的難題。

3 展望

經過糖基修飾獲得的阿魏酸糖酯類衍生物具有抗炎、抗氧化、清除自由基等作用，與阿魏酸相比，某些糖酯表現出更強的活性、較低的毒性和更強的適應性，在醫藥、食品、化妝品等方面有廣闊的應用前景，所以阿魏酸糖酯的合成具有重要的理論意義和實際應用價值。

生物合成和化學合成的產品性能相似，但是相對于化學合成法的弱選擇性，生物法可以以廉價的可再生材料為原料得到特定的糖酯類衍生物，且產量較高；可生物降解，不會造成二次污染；無毒或低毒；合成的糖酯一般不致敏，可用于化妝品和食品添加劑；可以利用工業廢物進行生產，用于生物環境治理；由于結構多樣，可能會在特殊領域得到應用。

雖然生物合成法在生產上更環保，合成的產物在應用上更廣泛、性能上更優越，但是酶的活性不能得到充分發揮，產率不高，其經濟成本約是化學合成的3～10倍，很大程度上影響了生物合成法在工業上的應用和推廣。由于生物合成法代表了未來產業的發展方向，并且隨著基因工程、蛋白質工程和發酵工程的發展可能使生物合成法得到優化，所以生物合成法清潔生產的優越性必將促進這一領域的突破性發展，所有這些都決定了將來阿魏酸糖酯的研究和生產必將在化學合成和生物法合成二者的優勢互補中強勢邁進。如何改進合成方法，將化學合成法、生物合成法以及其他方法進行優化結合，實現阿魏酸糖酯的安全高效生產，也成為了阿魏酸糖酯生產的研究熱點。

[1]Ou Shi-yi，Zhang Jing.Antioxidant activity of enzymichydrolyzed productsfrom wheatbran[J].Food and Machinery，2005，21（6）：17-19.

[2]Yu Yan-ying，Li xian-he，Cao Shu-wen，et al.Synthesis of genistein acetylferulic acid esters[J].NaturalProductand Development，2009，21（5）：194-198.

[3]鄭德勇，安鑫楠.植物抗氧化劑的研究概況與發展趨勢[J].林產化學與工業，2004，24（3）：113-118.

[4]Choudhury R，Srai SK，Dehnam E，et al.Urinary excretion of hydroxycinnamates and flavonoids after oral and intravenous administration[J].Free Radical Biology Medicine，1999，27（3-4）：278-286.

[5]黃華永，沈海星，鄭錦鴻.阿魏酸及其類似物的合成及其清除自由基活性研究[J].中國新藥雜志，2006，15（6）：454-458.

[6]唐于平，段金廒，范欣生，等.芳香酸類成分在活血化瘀方中的作用介析[J].世界科學技術-中醫藥現代化，2008，10（4）：38-42.

[7]辛嘉英，鄭妍，趙冠里，等.VE阿魏酸酯的酶法合成及抗氧化的研究[J].食品科學，2006，27（10）：229-232.

[8]李寶泉，李念光，馮鋒.阿魏酸酯類衍生物的合成及抗血小板聚集活性[J].中國藥科大學學報，2009，40（6）：486-490.

[9]Ou S，Kwok K.Ferulic acid：pharmaceutical functions，preparation and applications in foods[J].Journal of Food Science and Agriculture，2004，84（11）：1261-1270.

[10]丁明玉，馬帥武，劉德麟.阿魏酸的穩定性及其在川芎和當歸藥材中的存在形式[J].中草藥，2004，35（1）：28-30.

[11]周彩榮，石曉華，王海峰，等.反式阿魏酸在溶解中的溶解度[J].化工學報，2007，58（11）：2705-2709.

[12]趙東平，楊文鈺，陳興福.阿魏酸的研究進展[J].時針國醫國藥，2008，19（8）：1839-1841.

[13]張岳玲，韋長梅，王錦堂.阿魏酸的合成及其分子改造研究進展[J].淮陰師范學院學報，2003，2（1）：50-53.

[14]陳潔，蔣建春，徐俊明.催化酯化反應中固體催化劑研究進展[J].精細石油化工進展，2009，10（3）：32-37.

[15]藍志東.阿魏酸及其衍生物的合成研究[D].廣州：暨南大學，2001.

[16]張強，張黎明.阿魏酸茯苓多糖的抗氧化活性研究[J].現代食品科技，2011，27（9）：1077-1080，1089.

[17]徐克勛.精細有機化工原料及中間體手冊[M].北京：化學工業出版社，2002：291-294.

[18]李愛軍，包惠燕，丘立達，等.淀粉阿魏酸酯的基本特性研究[J].食品科學，2001，22（8）：29-32.

[19]Richard F Helm，John Ralph，Ronald D Hatfield.Synthesis offeruloylated and p-coumaroylated methylglycosides[J].Carbohydrate Research，1992，229：183-194.

[20]Petri Kylli，Paula Nousiainen，Peter Biely，et al.Antioxidant potential of hydroxycinnamic acid glycoside esters[J].Journal of Food Science and Agriculture，2008，56：4797-4805.

[21]Pauli Wrigstedt，Petri Kylli，Leena Pitkanen，et al.Syntheses and antioxidant activity of hydroxycinnamic acid xylan esters[J].JournalofFoodScienceandAgriculture，2010，58（11）：6937-6943.

[22]Alfed H，Vazken A.Direct room temperature esterification of carboxylic acids[J].Tetrahedron Letters，1978，46：4475-4478.

[23]薄采穎，畢良武，王玉民，等.DCC及其在有機合成中的應用[J].化工時刊，2007，21（10）：4-6，13.

[24]劉云.5-木糖酯類衍生物的合成及其增香效應研究[D].河南：河南農業大學，2010.

[25]曹志勇，吳光華.4-二甲氨基吡啶（DMAP）在醫藥合成中的應用[J].精細化工原料及中間體，2010（3）：10-12

[26]Chongwei Yue，Josiane Thierry，Pierre Potier.2-phenyl isopropyl esters as carboxyl terminus protecting groups in the fast synthesis of peptide fragments[J].Tetrahedron Letters，1993，34（2）：323-326.

[27]Sonia Trombino，Roberta Cassano，Ermelinda Bloise，et al.Design and synthesis of cellulose derivatives with antioxidant activity[J].Macromolecular Bioscience，2008，8：86-95.

[28]Kroon PA，Garcia-Conesa M T，Fillingham IJ，et al.Release of ferulic acid dehydrodimers from plant cell walls by feruloyl esterases[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，1999，79（3）：428-434.

[29]V F Crepin，C B Faulds，I F Connerton.Functional classification of the microbial feruloyl esterases[J].Microbiology and Biotechnology，2004，63：647-652.

[30]葉建華，楊紅建.微生物阿魏酸酯酶及其應用[J].中國奶牛，2007，10：28-31.

[31]Vafiadi C，Topakas E.The feruloyl esterase system of Talaromyces stipitatus：Determining the hydrolytic and synthetic specificity of TsFaeC[J].Journal of Biotechnology，2006，125（2）：210-221.

[32]Giuliani S，Piana C.Synthesis of pentylferulate by a feruloyl esterase from Aspergillus niger using water-in-oil microemulsions[J].Biotechnology Letters，2001，23（4）：325-330.

[33]Vafiadi C，Topakas E，Christakopoulos P.Regioselective esterase-catalyzed feruloylation of L-arabinobiose[J].Carbohydrate Research，2006，341：1992-1997.

[34]Topakas E.Sporotrihum thermophile type C feruloyl esterase（StFaeC）：purification，characterization，and its use for phenolic acid（sugar）ester synthesis[J].Enzyme Microb.Technol，2005，36：729-736.

[35]Singh P，Cameotra S S.Potential applications of microbial surfactants in biomedical sciences[J].Trends Biotechnol，2004，22（3）：142-146.

Research progress in syntheses of feruloylated glycosides

ZHOU Jing，WANG Jing*，SUN Bao-guo
（Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

TS201.2

A

1002-0306（2012）16-0392-04

2012－01－06 *通訊聯系人

周靜（1987-），女，在讀碩士研究生，研究方向：食品科學。

北京市科技新星項目（2008B07）。