阿魏酸的合成和应用

阿魏酸的合成和应用

摘要介绍了阿魏酸的结构、性质、合成方法,其中生物合成法具有广阔的开发和应用前景。阿魏酸因其独特而优良的药理活性在食品、保键品、化妆品、医药等方面有着广泛的用途。

关键词阿魏酸合成应用

阿魏酸(Ferulic Acid)的化学名称为4羟基3甲氧基肉桂酸,是桂皮酸(又称肉桂酸,3苯 基 2丙烯酸,分子结构如图1)的衍生物之一,阿魏酸最初在植物的种

子和叶子中发现,是一种广泛存在于植物中的酚酸,在细胞壁中与多糖和蛋白质结合成为细胞壁的骨架,它在阿魏、当归、川芎、升麻、酸枣仁等中药材中的含量较高,是这些中药的有效成分之一,已经作为中成药的质量指标之一。在食品原料中,咖啡、谷壳、香兰豆、麦麸、米糠中阿魏酸含量也较高。近几年在药理药效方面的研究发现了许多阿魏酸及衍生物的药理作用和生物活性[1,2],且毒性较低,因而在医药、保健品、化妆品原料和食品添加剂等方面有着广泛的用途。

1 阿魏酸的结构和性质

阿魏酸有顺式和反式2种,分子结构式如图2。

顺式为黄色油状物,反式为白色至微黄色结晶物,一般系指反式体,相对分子质量194.19,熔点174℃,微溶于冷水,可溶于热水,易溶于乙醇、甲醇、丙酮,微溶于苯、石油醚,pH稳定性好,广泛存在于植物中。

2 阿魏酸的制备

2.1 植物提取

阿魏酸在植物体内以酯的形式存在,从植物体内提取时可通过先水解后提取,或者先提取后水解2种方式获得阿魏酸。当前可通过3条途径从植物中获得阿魏酸:一是从阿魏酸与一些小分子的结合物中获得;二是从植物细胞壁中获得;三是通过组织培养获得。

谷维素中含有阿魏酸的结构单元,以酯的形式存在,且易于水解,因此可以先用碱水解谷维素,再用酸化的方法制备阿魏酸,其反应式[3]见图3。

水解谷维素制备阿魏酸的操作方便,收率高达85.7%,副产品ROH为环木菠萝醇类,在医药方面有实用性。而且谷维素来源广、产量大,并且价格适中,所以该法具有一定的工业化生产价值。

植物细胞壁是阿魏酸的最重要来源。在麦麸中阿魏酸主要通过酯键与细胞壁物质木聚糖交联在一起,研究表明强碱如NaOH和酯酶都可以将酯键断裂,使得阿魏酸呈游离态释放出来,如图4为米糠水解法提取阿魏酸流程图[4]。阿魏酸酯酶是指能将阿魏酸甲酯、低聚糖阿魏酸酯和多糖阿魏酸酯中阿魏酸游离出来的一种酶[5],真菌、细菌和酵母都能分泌阿魏酸酯酶。由于微生物在分泌阿魏酸酯酶的同时还分泌一些降解阿魏酸的酶系,目前采用微生物直接作用于细胞壁物质如蔗渣、麦麸等制备阿魏酸还未进入工业化生产水平,但在阿魏酸酯酶的研究上已进行了一些卓有成效的工作。王萍等[6]以小麦麸皮为原料,分别采用碱法和酶法制备阿魏酸,通过正交试验确定出制备阿魏酸的最佳工艺参数(浓度、温度、作用时间等),比较得出酶法提取效果较佳。

采用植物组织培养法也是获得阿魏酸的一条重要途径。采用筋骨草进行组织培养产生的阿魏酸含量高达150 mg/L培养液,而且大部分是游离阿魏酸[7]。一些研究表明,对某些植物进行组织培养能使之产生较高产量的阿魏酸衍生物。如对糖甜菜、玉米进行细胞悬浮培养能获得水溶性的阿魏酸葡萄糖酯、阿魏酸蔗糖酯等,含量高者可达20.0 μmol/g愈伤组织(干重)[8]。

从当归、川芎等中药材中提取阿魏酸涉及到提取的溶剂、提取工艺和纯化方法3个步骤,目前一般都采用乙醇做提取溶剂,只是对提取工艺进行优化,从传统的煎煮回流到超声、渗滤,纯化多选用大孔树脂分离,近期出现了超临界流体萃取,但面对中药资源短缺的状况,化学合成法就成为阿魏酸的一个重要来源。

2.2 化学合成法

阿魏酸的化学合成法是以香兰素为基本原料,主要应用的有机反应有WittigHormer反应和Knoevenagel反应。

2.2.1 WittigHormer反应法合成阿魏酸

亚磷酸三乙酯乙酸盐和乙酰香兰素在强碱体系中发生WittigHormer反应,再用浓盐酸酸化得到阿魏酸[9]。该法需要预先保护酚羟基,否则由于强碱的存在,生

成酚钠离子会抑制羰基和碳负离子之间的反应,还易发生副反应生成杂质。

2.2.2 Knoevenagel反应法合成阿魏酸

在吡啶溶剂中加入少量有机碱作催化剂,香兰素和丙二酸发生Knoevenagel 反应生成阿魏酸,催化剂有哌啶和苯胺等。反应式[4]如图5。

但该法反应时间长,长达3周,且获得是反式和顺式阿魏酸混合物。张相年[10]等在前人的工作基础上对合成作了改进,用苯作带水剂带出反应生成的水,将香兰素的转化率提高到98%以上,阿魏酸的收率提高到95%且纯度达到99.4%,该工艺更适于批量生产,能满足愈来愈大的需求。

2.3 生物合成法

生物合成法是用几种微生物(如Arthrobacter Blobiformis)将阿魏酸前体转化为阿魏酸,如将丁香油中提取得到的丁子香酚肉桂酸酯转化为阿魏酸[11]。

生物合成法是一种清洁有效的合成方法,但阿魏酸的生物合成还有待于进一步研究,以探索出能够大量生产的方法。

3 阿魏酸的应用

近几年在药理药效方面的研究发现了许多阿魏酸的生物活性,因而其在医药、保健品、化妆品原料和食品添加剂等方面有着广泛的用途。

3.1 在保健品和食品领域中的应用

许多像太太口服液[12]、经通口服液[13]、健脾补血片[14]一类的保健品都含有阿魏酸,能活血通络,消除黄褐斑、失眠、腰酸腿沉等症。运动员在剧烈的运动过程中会造成机体的氧化损伤,许多运动食品都需添加抗氧化剂,目前国外很多运动食品中都添加阿魏酸或含有阿魏酸的草药。

油脂放置时间过久或贮存不善,其中不饱和脂肪酸的双键与空气中的氧结合,

生成过氧化物,阿魏酸具有抗氧化活性和抑菌作用,对过氧化氢、超氧自由基、羟自由基、亚硝基都有强烈的清除作用,故可用作食品抗氧化剂。日本1975年即将阿魏酸作为柑橘、亚麻籽油、大豆油、猪油的抗氧化剂;阿魏酸作为交联剂逐渐地应用于制备食品胶和可食性包装膜,在面粉中加入阿魏酸,可使蛋白质分子结合成更大网络的分子结构从而强化面团,改善其焙烤品质,所以阿魏酸可作为功能因子开发功能性的食品。

同时阿魏酸可作为合成香兰素的前体物质,通过微生物酶将阿魏酸转化成香兰素,以阿魏酸为原料,利用微生物的方法生产的香兰素与合成的香兰素相比具有毒性低、安全性高的特点,可以用作食品和化妆品行业的香料[15]。

3.2 在化妆品中的应用

阿魏酸能改善皮肤品质,使其细腻、光泽、富有弹性,阿魏酸及其衍生物被公认为美容因子,因为阿魏酸有很强的抗氧化作用,并有抑制酪氨酸酶的作用,减少黑色素的产生,从而起到抑制皮肤老化、美白皮肤的效果。

3.3 在药品中的应用

阿魏酸及其衍生物具有调节人体免疫系统、抗血栓、抗血小板聚集、消炎止痛等作用,且能被机体吸收并可从尿中排出,不会累积在体内,几乎没有毒性作用,因此具有很高的药用价值。

当前在医学上用复方阿魏酸钠治疗脑血栓已有明显效果,该药能明显抑制血小板聚集,无明显副作用。

阿魏酸能竞争性地抑制肝脏中羟戊酸-5-焦磷酸脱氢酶活性,抑制肝脏合成胆固醇,从而达到降血脂目的[16]。另有报道指出,阿魏酸还有保肝健胆、提高精子活力的功效,对治疗癌症和艾滋病也有一定的效果[17]。

研究表明,阿魏酸具有很好的抗氧化和清除自由基的活性。阿魏酸不仅能清除自由基,而且能调节人体生理机能,抑制产生自由基的酶,促进清除自由基的酶产生,如Kawabata等报道,阿魏酸能大大增加谷胱甘肽转硫酶和醌还原酶的活性,抑制酪胺酸酶活性[18]。

4 结论与展望

生物合成法是一种清洁有效的合成方法,目前许多科学家致力于阿魏酸的生物合成研究,用麦麸和蔗渣生产阿魏酸也是非常有前途的研究方向,我们有理由相信随着阿魏酸生产工艺的进步和相关研究的进展,阿魏酸能够更好地为我们所利