D-核糖的研究进展

D-核糖的研究进展
覃懿罗想平柳春潘丽珠倪海明郭佳文
（中国科技开发院广西分院，广西南宁530022）
【摘要】D-核糖是一种天然戊醛糖，是tRNA、mRNA、rRNA的组成部分，与磷酸作用存在于一切活的生命体中。

由于D-核糖能够转化为核黄素和核苷酸，所以被广泛应用于食品、医药、化妆品及动物饲料中。

文章综述了D-核糖的生产技术、应用方面的研究进展，并展望了D-核糖的发展前景。

【关键词】D-核糖；生产技术；应用；研究进展
【中图分类号】TS24 【文献标识码】A【文章编号】1008-1151(2018)07-0055-03
The Research Progress of D-ribose
Abstract: D-ribose is a kind of natural aldopentose, is a component of tRNA, mRNA, rRNA, exists in all living organisms with phosphoric acid. Because D-ribose can be converted into riboflavin and nucleotide, it is widely used in foods, medicines, cosmetics and animal feeds. In this paper, the researches of production technology and application of D-ribose are reviewed and the development prospects of D-ribose are expected.
Key words: D-ribose; production technology; application ; research progress
D-核糖（别名异树胶糖、呋喃核糖）分子式为C5H10O5摩尔质量150.13g/moL，是核酸、核苷酸、维生素及各种核苷酸辅酶的重要组成部分，属于五碳糖[1]。

D-核糖参与机体内的细胞代谢过程主要参与合成磷酸核糖焦磷酸参与嘌呤代谢以及通过磷酸戊糖途径转化为葡萄糖[2]。

天然功能产物中也存在D-核糖，例如Phlebodiumdictyocallis菌提取的类黄酮就含有由D-核糖形成的糖苷键；从已发现的菌种中可提取的核苷水松蕈素经水解生成D-核糖；在美拉德反应中，发现长寿蛋白中的核糖基对治疗糖尿病、白内障、生物体衰老及老年痴呆等疾病具有一定疗效；由D-核糖经还原反应，可形成D-核糖醇，D-核糖醇是一种重要单体，其构成的磷壁酸质是革兰氏阳性细菌细胞壁的重要构成，核糖醇残基也能组成核黄素（VB2）和黄素单核苷酸[3]；在葡萄球箘变种、大肠杆菌、链霉菌变种和沙门氏杆菌的荚膜中存在少量D-核糖；在生物体中D-核糖通常和磷酸一起运转，与葡萄糖一样具有非常重要的生理作用，并且D-核糖及其衍生物以呋喃糖的形式存在于自然界中[4]。

D-核糖最早由相关研究人员从酵母RNA 的组分及青霉素的培养液中发现。

D-核糖经提取及化学合成后，可由葡萄糖为原料合成D-核糖。

Yokota A等[5]利用枯草芽孢杆菌的转酮酶缺陷突变株，以发酵法用D-葡萄糖生产D-核糖取得成功。

发酵法在生产成本、收率、产品品质、环境污染减少等，较化学合成法具有优势，故在工业生产中常应用[6]。

随着人们生活需求的提高，D-核糖的需求量逐年增加，且作为唯一碳源和前体物，对D-葡萄糖的研究逐年加大，并已获得突破性进展，由发酵法生产的D-核糖产率已达99.5%，具备有较好的经济效益和研究价值[7]。

1 D-核糖的生产技术研究进展
1.1抽取法
抽提法，即从自然物（RNA）中直接提取，是最早用来获得D-核糖的方法，这种方法成本高且得到的产物少。

最早生产出来的D-核糖是在十九世纪二、三十年代，由Gehrke M 等[8]使用酶法水解酵母NRA和化学法得到的，因其生产成本较高，不利于工业规模化生产。

十九世纪八十年代，Murakami M等[9]用酸水解RNA，经树脂分离，从500gRNA钠盐中提取了46.8gD-核糖。

1.2化学合成法
初期利用汞极电解制备，后对合成法进行改进由葡萄糖经七步反应过程制得D-核糖。

1960年开始，有研究者利用电解核糖酸-Y-内脂法制备D-核糖，随后Kang K S等[10]对该电解法进行了研究，并将电解核糖酸-Y-内脂法用于工业生产当中，使D-核糖的年均产量达到60t。

由于汞电极对环境造成严重污染，因此该法不被人类提倡。

后又有人提出可用锌电极或铂电极代替汞电极，但收效甚微。

D-阿拉伯糖遇到铝酸盐后加热可以异构形成D-核糖，并且在含碳原子数小于五的醇溶液中制得的D-核糖能够直接合
总第20卷227期大众科技Vol.20 No.7 2018年7月Popular Science & Technology July 2018
【收稿日期】2018-05-10
【作者简介】覃懿（1976－），男，中国科技开发院广西分院工程师，从事项目管理工作。

- 55 -
成维生素B2。

这种方法异构率高，副产物也多，可以改变反应条件达到减少副产物的目的，也可以在碱性阳离子交换树脂上固定铝酸盐，对D-阿拉伯糖连续化异构制备D-核糖[11]。

很多研究者都利用化学合成法制得出D-核糖，Sowden J C等[12]用D-葡萄糖、D-木糖、L-谷氨酸、D-葡萄糖酸等原料经过多次化学反应液制备出D-核糖。

1.3生物发酵法
生物发酵法指通过微量元素、无机物或碳源为原料合成D-核糖。

制备D-核糖的原料可以是葡萄糖、麦芽糖、乳糖、甘油、可溶性淀粉等，也可以是蛋白胨、玉米浆、干酵母、大豆粉、硫酸铵、无机盐以及适量微量元素等。

原料经磷酸戊糖途径中的氧化过程转变为D-核糖，或以葡萄糖酸激酶和葡萄糖脱氢酶为条件，利用中间产物D-核糖酸的支路途径生成D-核糖[13]。

从1970年往后，由于在理论和实践中代谢控制发酵技术越来越成熟，分子生物学方法不断完善，抽取法和化学合成法逐渐被生物发酵法替代。

1.3.1野生菌生产D-核糖
1963年，在氨基酸发酵进入辉煌时期的日本，Shukuo K 等[14]人发现了一株不知名的细菌，在其培养液中能够发现D-核糖的存在。

培养基中猛、铁、锌金属离子会影响D-核糖的生产，用磷酸代替金属离子，则产物是D-核糖-5-磷酸和磷酸核糖焦磷酸，而不积累D-核糖。

1966年，Yoshiaki K等[15]通过对食爬虫假单胞菌培养，发现其发酵液内产生D-核糖。

这些利用培养野生菌株获取D-核糖的方法虽可行，但产量极低。

1.3.2突变菌株生产D-核糖
二十世纪七十年代很多国家都发表了大量有关微生物发酵法制备D-核糖的文章，微生物菌种包括短杆菌、酵母菌、节杆菌、芽孢杆菌、假单胞杆菌等，其中应用报道最多是枯草芽孢杆菌和短小芽孢杆菌。

1970年起，Sasajima K I等[16]在突变的微生物菌种对合成嘌呤生物中碳水化物代谢的影响研究中，发现一株芽孢杆菌能够分离出三株转酮醇酶变异株，一株变异菌生长过程中不能利用D-葡萄糖酸盐；二株变异株则需要L-色氨酸、L-络氨酸和L-苯丙氨酸；三株变异株的亲株在生长时需要对8-氮杂鸟嘌呤有抗性的黄嘌呤和腺嘌呤。

在含有 2.5%干酵母、1.5%硫酸铵、0.5%磷酸钙、12.5%葡萄糖、1.0%碳酸钙、0.5%磷酸氢钙的培养基中，将其酸碱度调到中性，六天后可得到35mg/mL的D-核糖。

1.3.3基因工程菌生产D-核糖
现如今，用来定向育种的DNA技术已经开始将D-核糖应用在其中。

重组DNA技术的发展从鸟枪法克隆过渡到cDNA克隆，在1991年，Mlyagawa K等[17]发现可以利用基因工程在枯草芽孢杆菌中克隆葡萄糖酸操纵子来达到构建核糖工程菌的目的。

亲株积累D-核糖的量只有36mg/mL，而构建的核糖工程菌能够积累62mg/mLD-核糖，与亲株相比足足提高了71%。

2 国内外D-核糖研究及工艺化动态2.1国外D-核糖研究及工业化生产动态
在Sasajima等之后，研究者对转酮醇酶变异株又进行多次诱变育种，培育出D-核糖的高产菌株，产量高达70mg/mL[18]。

D-核糖发酵技术日趋成熟，从发酵条件入手着力改进，菌种产生D-核糖的量已高达90mg/mL，这已远远高于谷氨酸的发酵水平。

比利时、日本等国就微生物产生D-核糖的发酵法进行了深入研究。

1965年往后，微生物发酵法生产D-核糖正式步入工业化，得到的D-核糖用来给食品工业提供原料，合成维生素B2以及稀有糖类和抗病毒用药。

据统计，全球D-核糖的生产厂家有美国的Pfizer，德国的BASF和E.Merk，日本的Takeda，瑞士的Hoffmann-La-Roche，D-核糖年产量高达2000t，市场价格达到800元～1000元/kg。

2.2国内D-核糖研究及工业化生产动态
1992年开始，以对核苷酸的研究为基础，江苏微生物研究有限公司发起了D-核糖的研究工作。

研究内容主要是Corynebacterium、Psendomonas、Bacillus、Arthrobacter、Brevibacterium等共28株不同类型的菌种产生戊糖的能力，通过对亲株诱变得到营养缺乏型的二株莽草酸变异株，经特性鉴定变异株的发酵产物为D-核糖。

以突变株Bacillus subtilis JSIM-1018为例，对其培养条件不断研究改进，可以得到92mg/mL药瓶D-核糖产量[19]。

1994年江苏微生物研究所举办的D-核糖发酵中试研究项目成为国家科委生物工程中心的一八.五攻关项目，编号为85-08-02-06。

3t中试发酵罐可以制备得到81.75mg/mLD-核糖，提取收率高达76%[20]。

利用突变株培养得到D-核糖有以下优点：稳定性好；代谢产物单一没有杂质；纸层析法检验发酵液出现的层析斑点只是D-核糖的，有利于产物的提取和应用。

目前工业化发酵生产D-核糖的技术越来越成熟，D-葡萄糖在发酵罐中发酵66小时后被完全耗尽，得到单一的代谢产物D-核糖，产量最高可达85mg/mL，对发酵液进行提取分离精制后能够获得符合出口标准的高质量D-核糖结晶，在国际市场中销售[21]。

我国的D-核糖生产菌种以及发酵生产工艺申请专利并成功授权，专利号为ZL95112736.5[22]。

3 D-核糖的应用进展
3.1在食品领域的应用
D-核糖具有轻微的甜味，将其添加到食物中，可使食物的风味有所增加, 多用于合成食用香精、风味剂和营养增强剂。

如添加 5 ' 肌苷酸和5 ' 鸟嘌呤的味精，制备成新型调味品。

D-核糖广泛运用于糕点、饮料、冰淇淋、巧克力、果酱等食品的食用香精制备中[23]。

通过D-核糖合成的核黄素也被广泛应用于其它领域；百事公司将D-核糖作为新的能量食品添加剂，添加在其新型运动和功能饮料中，研究显示，每天摄入 2.2gD-核糖能够让精力旺盛，还可以缩短剧烈运动后的恢复时间，并且D-核糖可以作为能量促进剂帮助缓解运动引
- 56 -
发的肌肉酸痛、肌腺普脱氢酶缺失引起的肌肉僵硬以及细胞内缺乏磷酸化酶引起的肌肉疼痛等症状[24]。

3.2在医药领域的应用
D-核糖可作为治疗疾病的药物，也可作为前体物质合成其他药物。

例如，以D-核糖为前体，可制备类固醇、V D 的结构类似物、前列腺素、核苷类等药物；以D-核糖为原料合成的萜类化合物、凝乳酶抑制因子、修饰氨基酸等中间体，也能够大量合成核黄素[25]。

核黄素（别名维生素B2），在代谢时起到传递氢的作用，维生素B2的缺乏可引发如舌炎、口角炎、唇炎、脂溢性皮炎、阴囊炎和眼结膜炎等炎症，以及皮肤病、恶性贫血、神经性疾病，D-核糖可用于以上症状的治疗。

将由D-核糖用于合成抗肿瘤、抗病毒核苷药物的研究已取得多项成果，近年来已合成的有吡唑呋喃菌素、F-甲基肌苷磷酸、间型霉素、卤化软骨素及治疗卵巢癌等新的抗病毒和抗肿瘤的药物[26]。

以D-核糖为原料反应合成的卡培他宾，目前是治疗结肠癌、乳腺癌等癌症的有效药物；经其制备的间型霉素和F-甲基肌苷磷酸可用于慢性淋巴白血病和免疫缺陷症的治疗[27]；研究中也发现药物中的D-核糖可经修饰含糖抗生素，可以降低药物的副作用并增加药效[28]。

MAD(肌肉腺苷酸脱氧酶缺陷症）可通过D-核糖治疗，用D-核糖治疗后，患者肌肉酸乏无力、疼痛抽搐等肌肉不适现象逐步消失，健康状况得以改善，且无任何副作用，患者可长期使用[29]；D-核糖可用于心肌梗塞、心脏局部缺血、糖尿病等疾病的治疗，也可消除细胞内缺乏磷酸化酶而造成的肌肉疼痛现象；在与治疗心血管疾病的其他药物一并使用时，也不会对其他药物起干扰作用。

研究还发现D-核糖可促进心脏提高抗局部缺血的能力及对缺血的耐受力，维持心肌膜渗透性的稳定性[30]；Pliml W D [31]就D-核糖临床使用的副作用进行研究，结果证明服用D-核糖治疗疾病对人体淋巴细胞的增殖没有影响。

3.3在其他领域的应用
因D-核糖有抗疲劳、耐缺氧的作用，在国内外的多种液体和固体饮料中都添加D-核糖添加剂，作为新型能量因子；D-核糖对提高机体免疫力，改善蛋白质性质具有作用，用于治疗肌肉纤维痛，帮助减肥，迅速补充能量，也可以合成制备核糖二酯，用来调节纤维；在外科手术中，将D-核糖配制成保护液来保护心脏[32]。

在美容产品中添加D-核糖，可以有效减少皱纹，延缓了皮肤的衰老[33]。

4 D-核糖的发展前景
目前D-核糖药理作用研究多集中在缓解肌肉酸痛、增强机体能量、提升心脏功能、改善心脏缺血等方面，并取得较多成果，研究也发现其对很多疾病有改善和治疗功能。

但D-核糖在对胃溃疡的作用途径与机制研究中仍有待研究[34]。

关于D-核糖对人体作用的深入研究，对其利用和人类健康具有重要的科学意义和实际价值。

随着D-核糖性能及应用研究的深入，其生产技术、生产成本及作为其他生物物质生产前体将是今后生产重点考量的要素。

目前我国在生产技术上的能源消耗和资源利用率与发达国家仍存在加大差距。

D-核糖的高产菌株选育，发酵过程优化控制以及产品的高效分离纯化，是国内生产需面临的主要问题。

D-核糖参与机体多项代谢作用，其机制及协同作用的药理学研究，也将是国内研究D-核糖在生物用药和有机合成中的应用的重要方向，将促进D-核糖及其衍生物在新领域中的应用。

D-核糖项目已成为国家重点支持的新科技项目，分别入选2002年国家科技创新计划、2004年国家重点新产品计划，在2005年又被列入国家生物产业升级和结构调整专项。

D-核糖项目利用微生物发酵玉米淀粉制得D-核糖，采用直接提纯、一步结晶的工艺路线。

发酵过程中包括絮凝、膜处理和离子交换相结合的发酵液净化等步骤，并对条件要分别控制，使D-核糖生产实现规模化。

生物技术发酵法由于具备成本低、污染小的优点，因此成为生产D-核糖最经济有效的方法。

【参考文献】
[1]周珏,魏转,孙文敬,等.D-核糖的生产及应用[J].食品科技,
2014,10:273-278.
[2] Barnett J A.The entry of D-ribose into some yeasts of the
genus Pichia[J].Journal of General Microbiology,1975,90
(1):1-12.
[3] 杨新超,刘建军,赵祥颖.D-核糖的性质、生产及应用[J].中
山大学学报(自然科学版),2005,S1:197-202.
[4] 赵祥颖,刘建军,张家祥,等.D-核糖性质、应用及其生产菌
种的选育[J].食品与药品,2005,7(3):23-26.
[5]Yokota A,Sasajima K I.Enzymatic Formation of a New
Monosaccharide,1-Deoxy-d-altro-heptulose Phosphate,from dl-Acetoin and d-Ribose 5-Phosphate by a Transketolase Mutant of Bacillus pumilus[J].Journal of the Agricultural Chemical Society of Japan,2014,47(7):1545-1553.
[6]王树庆,张咏梅.D-核糖的生产及应用[J].发酵科技通讯,
2001(2):12-13,48.
[7]Gross M,Zöllner N.Serum levels of glucose,insulin,and
C-peptide during long-term D-ribose administration in man[J].Klinische Wochenschrift,1991,69(1):31-36.
[8]Gehrke M,Aichner F X.Über das Arabinal[J].European
Journal of Inorganic Chemistry,1927,60(4):918-922.
[9]Murakami M,Mukaiyama T.A new method for the
generation of a boron enolate of an ester-A new synthesis of 2-deoxy-D-ribose[J].Chemistry Letters 1982,11(2):241-244.
[10] Kang K S,Veeder Iii G T,Richey D D.Aqueous
polysaccharide composition [P].US, US 4186025 A 1980. [11] 李雨,周娟,荆莉,等.一种D-核糖的化学制备方法,
CN103408603A[P].2013.
[12] Sowden J C.A Convenient Method of Preparing 2-
Deoxy-D-ribose1[J].Journal of the American Chemical Society,1954,76(13):3541-3542.
[13] De W P,Vandamme E J.Production of D-ribose by
fermentation[J].Applied Microbiology & Biotechnology, 1997,48(2):141-148.
[14] Shukuo K,Kunizo M,Takeo S.Verfahren zur biochemischen
Herstellung von D-Ribose[P].Germeny: DE1261468,1968.
[15] Yoshiaki K,Masahiko M,Takeshi S,et al.Method for the
production and isolation of 5-phospho-d-ribosyl-1-
- 57 -
pyrophosphate,d-ribose-1,5-diphosphate and d-ribose-5- phosphate[P].US: US 3408257 A,1968.
[16] Sasajima K I,Yoneda M.Method of producing D-ribose[P].
US:US 3919046 A,1975.
[17] Miyagawa K,Kanzaki N,Miyazaki J.Host and vector for
producing D-ribose[P].US:US 5281531 A,1994.
[18] 刘银霞,刘杉,曹晓伟,等.D-核糖的生产及应用[J].低碳世
界,2017(11):274-275.
[19] 赵祥颖,刘建军,张家祥,等. D-核糖性质、应用及其生产菌
种的选育[J].食品与药品,2005,7(3):23-26.
[20] 赵丽丽,陈宁,张克旭.代谢工程在D-核糖生产中研究现状
及应用前景[J].工业微生物,2002,32(4):42-45.
[21] Fang T,Chen X,Li N,et al.Optimization of medium components
for D-ribose production by transketolase- deficient Bacillus subtilis,NJT-1507[J].Korean Journal of Chemical Engineering, 2010,27(6):1725-1729.
[22] 邓崇亮,柏建新.发酵生产D-核糖新菌株及用该菌株制备
D-核糖的方法[P].中国, CN1122833,1996.
[23] 王树庆,王磊.食品工业特种糖D—核糖[J].食品与药品,
2002(5):1-2.
[24] 王正平.一种新型能量饮料添加剂—D-核糖支持骨骼肌的
健康和功能之机理浅(之一)[J].食品工业科技,2008(4):26.
[25] Addis P,Shecterle L M,Cyr J A S.Cellular protection during
oxidative stress:A potential role for D-ribose and antioxidants[J].Journal of Nutraceuticals Functional & Medical Foods,2012,9(3):178-182.
[26] Kishimoto K,Kintaka K,Uchiyama N.Production of
D-ribose[P].US, US 4904587 A,1990.
[27] 倪尉.抗肿瘤药物卡培他滨的合成工艺研究[D].武汉:华中
科技大学,2010.
[28] 陈宗伦.抗生素与糖同服能提升药效[J].发现,2011(7):43.
[29] Teitelbaum J E,Johnson C,St C J.The use of D-ribose in
chronic fatigue syndrome and fibromyalgia:a pilot study [J].Journal of Alternative & Complementary Medicine, 2006,12(9):857-862.
[30] 马林峰,杨双强,杨庆军.外源性D-核糖对大鼠心肌缺血再
灌注损伤的保护作用[J].重庆医科大学学报,2011,36(6): 689-692.
[31] Pliml W e of ribose to treat and/or prevent stroke[P].
Germany,DE 19650754 A1,1998.
[32] 于志萍,王昌禄,郝建.D_核糖提取精制的初步研究[J].药
物生物技术,2003,10(4):242- 244.
[33] 袁保辉,丁琪,刘桂芹,等.D-核糖的生理功能及其应用[J].
中国生化药物杂志,2016(5):210-212.
[34] 李梦.D-核糖对应激性胃溃疡和心肌细胞缺氧/复氧损伤
的保护作用[D].石家庄:河北师范大学,2016.
（上接第54页）
[2] 徐瑶.几种果壳活性炭的制备及微波催化降解双酚A的比
较研究[D].沈阳:辽宁大学,2012.
[3] 刘晓芳,刘满红,张晓梅,等.澳洲坚果壳活性炭对Cr(Ⅵ)的
吸附性能[J].云南民族大学学报(自然科学版),2012,21(3): 178-181.
[4] 杨雯,冯骞,操家顺,等.新型多羟基澳洲坚果壳吸附处理印
染废水[J].净水技术, 2016,35(1):77-82.
[5] 王津,刘娟,上官琦佩,等.夏威夷果壳活性炭的制备方法及
其对含铀废水的处理方法[P].中国专利,CN104986765 A, 2015-10-21.
[6] 余少英.油茶果壳活性炭的制备及其对苯酚的吸附[J].应
用化工,2010,39(6):823-826.
[7]Kamandari H,Rafsanjani H H,Najjarzadeh H,et al.
Influence of process variables on chemically activated carbon from pistachio shell with ZnCl2and KOH[J].
Research on Chemical Intermediates,2015,41(1):71-81. [8] A.M.Puziy,A.Martinez-alonso.Oxygen and phosphorus
enriched carbons from lignocellulosic material [J].Carbon, 2007,45(10):1941-1950.
[9]M.Olivares-Marín,C.Fernández-González,A.Macías- García,
et al.Thermal behaviour of lignocellulosic material in the presence of phosphoric acid. Influence of theacid content in the initial solution[J].Carbon,2006,44(11):2347- 2350. [10] M.Jagtoyen,F.Derbyshire.Some consideration of the origins
of porosity in carbons from chemically activated wood[J].
Carbon,1993,31(7):1185-1192.
[11] MontanéD,Torné-Fernández V,Fierro V.Activated carbons
from lignin:kinetic modeling of the pyrolysis of Kraft lignin activated with phosphoric acid[J].Chemical Engineering Journal,2005,106(1):1-12.
[12] Fierro V,Torné-Fernández V,MontanéD,et al.Study of the
decomposition of kraft lignin impregnated with orthophosphoric acid[J].Thermochimica Acta,2005,433(1): 142-148.
- 58 -。