光化学合成维生素D

维生素D是一种脂溶性类固醇激素，在平衡新陈代谢、维持机体健康等方面具有不可忽视的作用。

维生素D(Vitamin D, VD)，被称为“阳光维生素”，是维持机体健康所必需的一种脂溶性维生素。麦角钙化醇(ergocalciferol, VD2)和胆钙化醇(Cholecalciferol, VD3)是VD系列化合物中主要的两种存在形式。人体皮肤组织内含有大量的7-脱氢胆固醇(7-dehydrocholesterol, 7-DHC)，经紫外光照射后会转变为VD3，该合成途径也是人体获得VD最主要的来源。与VD3可在体内自主代谢合成不同，VD2在人体内无法代谢合成，必须依靠外界的饮食摄取。

VD本身没有生理活性，只有经过羟基化修饰后转变为活性形式才能在人体内发挥生理作用。如图1所示，饮食摄取或人体自身合成的VD3由结合蛋白(vitamin D-binding protein, DBP)从血液转运至肝脏，在肝脏中经细胞色素P450酶羟基化修饰形成25-羟基维生素D3(25-hydroxyvitamin D3, 25(OH)D3)，25(OH)D3是VD在人体内的主要循环方式，其浓度是衡量体内VD状况的标准之一。之后25(OH)D3将由DBP再次运输至肾脏并修饰转变为1,25-二羟基维生素D3(calcitriol，1,25(OH)2D3)、24,25-二羟基维生素D3(24,25-hydroxyvitamin D3，24,25(OH)2D3)等活性形式。

VD是骨骼正常生长发育所需的重要营养物质，人体缺乏VD时会导致佝偻病、骨质软化等疾病。VD不仅能够促进钙磷吸收，还能作用于大脑神经，预防精神分裂症、自闭、认知障碍和神经退化等疾病，同时适当补充VD可有效治疗和预防糖尿病。此外越来越多的实验证明,VD在治疗免疫性系统疾病、癌症以及心血管疾病等方面也具有良好的生理作用。

图1 VD活性形式转变示意图

随着VD的各种生理活性不断被发现，VD的全球市场年需求量也在日益增长。目前工业化生产VD的主要方法为半化学合成法，即以胆固醇、麦角固醇、豆甾醇、岩藻甾醇以及孕烯醇酮等为底物，经过简单的化学反应生成。反应底物是半化学合成的重要因素之一，如何大量廉价地获取天然甾醇也是目前工业化生产VD过程中面临的挑战之一。麦角固醇、7-DHC分别是半化学合成VD2及VD3的理想前体，但这些天然甾醇在宿主中的单体含量较少，已渐渐无法满足当下工业化合成VD的生产需求。

甾醇代谢合成途径

光化学合成VD

VD是由关键前体甾醇经过光化学开环反应产生的。VD的光合作用是一个由多条异构化反应组成的复杂分支网络。

麦角固醇转化为VD2的过程中，影响VD2的转化率关键在于光源的选择和光转化器构造。目前国内光源的选择一般选用低压和高压汞灯两种。在VD2的光化学反应中波长的选择很重要。275～300 nm波长范围内，280～284 nm的紫外光有利于生成VD2，短于280 nm的光易于生成速甾醇，而长于284 nm的光容易生成光甾醇，VD2过度照射，过度辐射还会生成毒甾醇等物质，因此VD2的光转化中荧光灯的波长范围要求极其严格。图2展示了VD在光照条件下的像话转化。研究发现，波长为283 nm的低压汞蒸气紫外荧光灯照射麦角固醇，转化效果最佳，麦角固醇转化率50%以上，VD2收率在70%以上。

图2 VD的光化学反应

7-DHC则会被290～315 nm波长的光子异构化为VD3，这与紫外线B (UVB)的电磁波谱范围相对应。FUSEO等提出利用连续微流系统合成VD3，与传统的两步法合成VD3不同，该方法在微反应器中可以同时进行光反应和热反应。7-DHC在反应器中光异构化后转化为维生素原D3，维生素原D3继续热异构化转化为VD3。相比于传统光合成法，该方法收率高(HPLC-UV:60%，分离率:32%)，操作简便且无需纯化中间产物维生素原D3，具有良好的工业应用价值。

文章节选自：

曲丽莎,于文文,吕雪芹,等.生物-化学法合成维生素D的研究进展[J].食品与发酵工业,2021,47(1):276-284.QU Lisha,YU Wenwen,LYU Xueqin,et al.Advances on synthesis of vitamin D by bio-chemical method[J].Food and Fermentation Industries,2021,47(1):276-284.