微生物生物转化甾体化合物生产雄烯二酮研究进展

微生物生物转化甾体化合物生产雄烯二酮研究进展
作者：梁建军，汪文俊
来源：《湖北农业科学》 2012年第7期
梁建军，汪文俊
（中南民族大学生命科学学院，武汉４３００７４）
摘要：雄烯二酮（ＡＤ）和雄二烯二酮（ＡＤＤ）是甾体激素类药物重要的中间体，目前
以微生物植物甾醇生物转化生产ＡＤ（Ｄ）是研究的热点，综述了微生物生物转化植物甾醇生
产雄烯二酮的研究进展。

关键词：雄烯二酮（ＡＤ）；雄二烯二酮（ＡＤＤ）；甾体化合物；生物转化；Ｍｙｃｏ
ｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．
中图分类号：Ｑ９３９．９
文献标识码：Ａ
文章编号：0439－８114（２０12）07－1309-03
雄烯二酮（ＡＤ）、雄二烯二酮（ＡＤＤ）是甾体激素类药物不可替代的中间体，几乎所
有甾体激素药物都可以以ＡＤ（Ｄ）为起始原料进行生产。

以廉价的甾体化合物制备ＡＤ（Ｄ）受到越来越多的重视，植物甾醇如β－谷甾醇、菜油甾醇烷和菜油甾醇等价格低廉，自发现分
支杆菌（Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）可以选择性降解甾体化合物侧链生产１７酮－甾体化
合物以来，植物甾醇已成为制备ＡＤ（Ｄ）的首选原料。

１ＡＤ（Ｄ）生产的原料
采用具有甾体结构且廉价的原料生产甾体类化合物，这些化合物都有甾体环戊烷多氢菲母
核结构。

薯蓣皂甙在２０世纪７０年代以后很长的一段时期占据着主导地位，由于需求日增，
薯芋资源日渐枯竭，其利用率较低、成本高而使得商业化利润降低，人们开始开拓新的资源。

植物甾醇主要来源于油脂的生产废渣及其他工业废物，如豆油、油菜子、制糖废渣、工业废物
及造纸废水［１-３］。

表１列出了可利用不同甾体化合物为底物生产ＡＤ（Ｄ）的微生物。

２生物转化甾体化合物生产ＡＤ（Ｄ）的方法
２．１水相中微生物生物转化方法
甾体化合物在水中溶解度极低，限制了微生物利用其进行生物转化的能力。

细胞壁和细胞
膜作为底物进入胞浆的屏障会极大地影响生物转化的产率［８，９］。

万古霉素、氨基乙酸、
卵磷脂、鱼精蛋白、多粘菌素Ｂ九肽、乙胺丁醇、杆菌肽和聚乙烯亚胺等都可以引起Ｍｙｃｏ
ｂａｃｔｅｒｉｕｍ相关菌株的细胞壁缺失［８－１０］。

万古霉素和氨基乙酸通过降低细胞
壁上多肽的交联度而影响肽聚糖的厚度。

鱼精蛋白通过改变非共价结合油脂的相关比例而影响
细胞壁双分子层的结构完整性和流动性。

关于Ｔｗｅｅｎ、ＴｒｉｔｏｎＸ－１００、ＴｒｉｔｏｎＸ－１１４和卵磷脂对植物
甾醇转化生产ＡＤ（Ｄ）的影响也有许多研究［４，８，１１，１２］。

卵磷脂既不改变水溶
液的界面张力也不会导致如使用表面活性剂Ｔｗｅｅｎ８０易产生泡沫的问题，具有良好的生物相容性，对细胞的生长没有不利的影响，卵磷脂处理后增加了细胞膜透性，使甾体化合物侧
链降解产生ＡＤ（Ｄ）的比活力提高了３倍［８］。

环糊精在ＡＤ（Ｄ）生产方面的应用有广泛的报道［１３－１６］。

环糊精可形成包埋化
合物，从而有效地提高水相中不溶性有机化合物的微生物转化能力。

采用环糊精包埋植物甾醇
后利用Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．ＮＲＲＬＢ－３６８３进行生物转化可以有效地提高ＡＤ（Ｄ）产量。

Ｄｏｎｏｖａ等［１５］研究了甲基化－β－环糊精对Ｍｙｃｏｂａｃ
ｔｅｒｉｕｍｓｐ．ＶＫＭＡｃ－１８１６Ｄ生长、ＡＤ（Ｄ）产量的影响，发现甲基化－β－环糊精使微生物脂双层紊乱，使得结合在细胞壁上的甾体转化酶释放。

２．２两相体系中的生物转化方法
Ｆｌｙｇａｒｅ等［１７］采用双水相体系利用Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．生物转化胆固醇生产ＡＤ和ADD时，采用ＰＥＧ、葡聚糖和Ｂｒｉｊ３５，ＰＶＰ、葡聚糖和Ｂｒｉｊ３５以及ＰＶＰ、葡聚糖和吐温３种生物转化体系。

Ｓｔｅｆａｎｏｖ等［１８］用豆油、葵花子油、聚丙烯乙二醇（ＰＰＧ）和硅油来增加植物甾醇的溶解度，其转化为ＡＤ和ＡＤＤ
的转化率显著提高。

Ｃｒｕｚ等［１９］研究了在有机溶剂－水两相系统中不同有机溶剂对β
－豆甾醇侧链降解生产ＡＤ的影响，用Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．ＮＲＲＬＢ－３８０５生物转化β－豆甾醇生产ＡＤ，在含有１０ｇ／Ｌ酵母浸膏和磷酸缓冲液（ｐＨ７．０）的培养基中获得了比含有磷酸缓冲液（ｐＨ７．０）、ＮＨ４Ｃｌ（２ｇ／Ｌ），ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ（０．１４ｇ／Ｌ）和果糖（１０ｇ／Ｌ）的合成培养基更好的效果。

Ｓａｎｔｏｓ等［２０］在ＰＥＧ－谷氨酸钠的双水相体系中采用Ａｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ
ｓｉｍｐｌｅｘ对氢化可的松进行△１－脱氢作用，获得了比ＰＥＧ－羟基化淀粉或ＰＥＧ－
磷酸钾双水相体系更高的底物转化率和微生物／甾体化合物分离效率。

２．３浊点系统中的生物转化方法
浊点系统（Ｃｌｏｕｄｐｏｉｎｔｓｙｓｔｅｍｓ，ＣＰＳ）为维持微生物存活及酶活
性提供了一个有效的微水相环境，被水相微囊包围的微生物均匀地分散于富含表面活性剂的连
续相中，因此底物和有机相的毒性和抑制性都显著降低。

生物转化发生在含有微生物的水相微
囊中，产物被萃取到表面活性剂形成的凝聚层中。

Ｗａｎｇ等［１１，１２］采用此方法用微
生物进行了胆固醇转化为ＡＤＤ的研究，表明采用非离子型表面活性剂ＴｒｉｔｏｎＸ－１００和ＴｒｉｔｏｎＸ－１１４组成一个新型的两相分配生物反应器，在此体系中胆固醇生物转化为ＡＤＤ的效率有了较大提高。

２．４固定化微生物的生物转化方法
采用固定化微生物细胞进行了甾体化合物的生物转化［７，２１］。

在一个分批转化过程中，采用活化氧化铝载体固定化Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．ＮＲＲＬＢ－３６８３细胞，以１ｇ／Ｌ的胆固醇为底物，使得ＡＤＤ每天的产率达到了０．１９ｇ／Ｌ，摩尔转
化率为７７％，固定化微生物的半衰期超过了４５ｄ［５］。

果胶酸钙固定化Ａ．ｓｉｍｐ
ｌｅｘＡＴＣＣ６９４６时，相对于为固定化生物转化过程，在水相和油相培养基中进行转
化时发现ＡＤ转化为ＡＤＤ的效率没有统计学差异［２２］。

Ｌｌａｎｅｓ等［２３］研究了
使用固定化Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．在有机生物转化培养基中进行豆甾醇侧链选
择性降解的可能性，研究发现在Ｃｅｌｉｔｅｍａｔｒｉｃｅｓ表面存在一定的水化层对于豆甾醇转化为ＡＤ（Ｄ）是很必要的。

Ｃｌａｕｄｉｎｏ等［２４］研究了采用硅树脂板和Cｅ
ｌｉｔｅ为固定化Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．的载体进行豆甾醇转化为ＡＤ，当豆甾醇初始浓度为０．４８２ｍｍｏｌ／Ｌ，细胞浓度为１ｍｍ板上固定１．４ｍｇ时，ＡＤ的产量为０．４３６ｍｍｏｌ／Ｌ，将Ｍｙｃｏｂａｃｔｅｒｉｕｍｓｐ．固定化在硅树脂板
上的效果要比固定在Ｃｅｌｉｔｅ上好。

２．５微乳化和脂质体的生物转化体系
微乳化（ＭＥｓ）相对两相体系提供了一个传质面积显著提高的方法。

Ｓｔｅｆａｎ等
［２５］报道在水包油的微乳化体系中Ｅ．ｃｏｌｉ、Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ和Ｒｈｏｄｏｔｏｒｕｌａｍｉｎｕｔａ的细胞存活率在７０％～８０％之间。

Ｍａｌａｖｉｙａ等［２６］采用Ａ．ｓｉｍｐｌｅx研究了基于微乳化体系的几个培养体系
对转化的影响，在这一稳定的ＭＥｓ体系中豆甾醇的最大溶解度高达８ｇ／Ｌ，在此体系中
转化２ｇ／Ｌ的豆甾醇得到的ＡＤ最高产量为４６５．８６ｍｇ／Ｌ。

Ｌｌａｎｅｓ等［２２］利用固定化Ａ．ｓｉｍｐｌｅｘ成功地对多薄层胶囊包埋的ＡＤ进行了生物转化，而在水相中转化进行３ｈ后０．６３ｍｍｏｌ／Ｌ的ＡＤ仅有５０％得以转化，而脂质体包埋的１
ｍｍｏｌ／Ｌ的AD在２ｈ内得以完全转化。

３展望
微生物生物转化植物甾醇生产雄烯二酮是当前研究的热点，集中的研究方向应在于获得更
加廉价和有效的生物转化过程，主要是以下几个方面：①选育高产的微生物菌种；②提高廉价
底物的利用率；③转化过程优化；④提高转化体系中甾体化合物的溶解度；⑤发酵过程优化，
包括很多方面的新型生物反应器设计、培养基优化、操作参数优化、过程控制和放大培养等。

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