Green Chemistry | 南京工业大学朱晨杰/谭卓涛团队:化学-酶级联策略,从木质素高效合成高值丹参素及其衍生物
丹参素是丹参中的主要活性成分，具有心血管保护、神经调节等功效，但传统植物提取效率低、成本高。南京工业大学谭卓涛、朱晨杰团队在《Green Chemistry》上发表研究，创新性地以可再生木质素（松木）为原料，通过化学氧化解聚获得香兰素，再经多酶级联催化和微波辅助脱甲基/酯化，成功合成了D-丹参素（D-DSS）及其酯化衍生物MDHP。从10 g松木出发，最终得到407.8 mg D-DSS（纯度>95%，ee>99%）和481.3 mg MDHP，基于木质素的产率分别为17.7 wt%和20.9 wt%。技术经济分析和生命周期评估表明，该路线不仅经济竞争力强，而且环境影响显著低于传统植物提取。这项工作为生物质高值化利用和天然产物绿色合成提供了新范式。
丹参素：从“丹参”到“心血管卫士”，提取却是个难题
丹参素（Danshensu，即3,4-二羟基苯基乳酸）是中药丹参中的主要水溶性活性成分，具有抗炎、抗氧化、抗血小板聚集、保护心血管等多种药理作用，是复方丹参滴丸等中药制剂的核心药效物质。然而，丹参素在丹参根中含量极低（约0.01-0.05%），且其天然提取受限于产地、气候和长生长周期，导致成本高昂、供应不稳定。
化学合成路线虽然存在，但往往需要保护酚羟基、进行多步反应和手性拆分，收率低、污染重。生物合成路线（如微生物发酵）虽环保，但多涉及不稳定的邻二酚中间体，需要添加抗氧化剂，且时空产率不理想。因此，开发一种从廉价、稳定、可再生原料出发的高效、绿色合成路线，具有重要的科学和工业意义。
灵感来源：木质素——被忽视的“芳香宝库”
木质素是植物细胞壁的主要成分，也是自然界最丰富的可再生芳香族聚合物。每年全球造纸和生物炼制产生大量木质素废料，大部分被直接燃烧，利用率极低。软木木质素中富含愈创木基（G型）结构单元，占单体的约95%。通过氧化解聚，可以高效获得香兰素（vanillin）——一种廉价、稳定的芳香醛。
香兰素的结构恰好是丹参素的“骨架”雏形：一个苯环上有一个醛基和一个甲氧基。如果能将香兰素的醛基通过碳链延伸转化为乳酸侧链，同时将甲氧基脱甲基为邻二酚，就能得到丹参素。本研究正是基于这一逻辑，设计了一条化学-酶级联路线（图1d）。
路线设计：从香兰素到丹参素的三步酶催化+一步化学转化
图2a展示了整个多酶级联路径：
C-C键构建：L-苏氨酸转醛酶（LTTA）催化香兰素与L-苏氨酸发生不对称醛缩反应，生成β-羟基-α-氨基酸（化合物2）。这一步同时引入了手性中心和侧链羟基。
脱水/脱氨：PLP依赖的苏氨酸脱水酶（TD）催化化合物2发生α,β-消除，脱去氨基和羟基，生成α-酮酸（化合物3）。
还原：D-乳酸脱氢酶（D-LDH）或2-羟基酸脱氢酶（D2-HDH）将化合物3还原为D-型扁桃酸衍生物（化合物4，即3-甲氧基-4-羟基苯基乳酸）。
脱甲基与酯化：微波辅助下，氢溴酸（HBr）同时实现化合物4的甲氧基脱甲基和羧基酯化（若在甲醇中），分别得到D-DSS和MDHP。
酶的筛选与级联构建
图2b筛选了6种LTTA，其中来源于Pseudomonas sp.的PsLTTA活性最高，4小时转化率达25.7%。但由于副产物乙醛会抑制酶活，作者引入乙醇脱氢酶（ScADH）和甲酸脱氢酶（CbFDH）将乙醛还原为乙醇，并再生NAD⁺。当L-苏氨酸浓度提高至30 mM时，香兰素转化率在2 h内达到97.6%（图2c）。
图2d-e筛选苏氨酸脱水酶：从25个同源序列中选出7个，其中Ralstonia pickettii来源的RpLTD活性最佳，4 h内将化合物2几乎完全转化为化合物3（产率>99%）。
图2f筛选还原酶：三种D-型脱氢酶均能催化化合物3还原为化合物4，且ee值>99%。其中Lactobacillus frumenti来源的LfD2-HDH活性最高，4 h内完全转化。
图2g将五种酶（PsLTTA、ScADH、CbFDH、RpLTD、LfD2-HDH）一锅反应，在10 mM香兰素、30°C、pH 7.0条件下，2 h内化合物4的产率达95.0%，ee>99%，时空产率1.0 g/L/h。这表明整个级联高效、立体专一。
系统简化：用双功能酶或醛脱氢酶替代
为了减少酶的种类，作者尝试简化系统（图3a）。他们发现ScADH除了还原乙醛外，也能缓慢还原化合物3（图S7），但活力仅为LfD2-HDH的1/4。因此四酶系统I（去除CbFDH，将ScADH作为双功能酶）需要12 h才能达到97.6%产率，时空产率降至0.17 g/L/h（图3b）。
另一种简化方案（系统II，图3c）：使用醛脱氢酶（PtALDH）将乙醛氧化为乙酸，同时将NAD⁺还原为NADH，为LfD2-HDH提供还原力。优化pH和温度后，该系统在12 h达到96.4%产率（图3d），但时空产率仍低于五酶系统。
由于五酶系统（S4菌株）在后续全细胞催化中表现最佳，作者最终选择保留了五酶共表达。
全细胞催化：工程菌S4实现高效、可循环生产
作者将五种酶通过不同质粒组合共表达于E. coli BL21(DE3)（图4a）。其中菌株S4（PsLTTA、ScADH、CbFDH、RpLTD、LfD2-HDH共表达）在4 h内将10 mM香兰素完全转化为化合物4，产率>99%（图4b）。当香兰素浓度提高到80 mM时，优化条件后仍能达到95.9%的产率，时空产率高达4.06 g/L/h（图4c-e）。菌株S4在5个循环后仍保留82%的初始活性（图S13d），显示了良好的操作稳定性。
微波辅助脱甲基/酯化：一步获得D-DSS和MDHP
化合物4是一个甲氧基酚酸，需要脱甲基才能得到D-DSS。酶法脱甲基尝试失败，因此采用化学法。传统热酸脱甲基效率低，而微波辅助HBr处理可在20分钟内高效完成脱甲基，产率95.1%，ee>99%（图S14）。有趣的是，当反应在甲醇中进行时，HBr不仅脱甲基，还催化酯化，直接生成MDHP（甲基3-(3,4-二羟基苯基)-2-羟基丙酸酯），产率93.2%，ee>99%（表S6）。MDHP比D-DSS具有更好的脂溶性和口服生物利用度，是一种更具潜力的药物候选分子。
从松木出发的全流程验证：10 g松木产407.8 mg D-DSS
作者采用松木粉为原料，按照图5的流程进行了放大验证：
氧化解聚：10 g松木粉在1 Mpa O₂、160°C、7.5% NaOH下反应1 h，得到碱性解聚液。中和后乙酸乙酯提取，获得含香兰素的粗提物。HPLC显示香兰素纯度71.8%，基于Klason木质素的收率为19.6 wt%。
生物催化：粗提物除去溶剂后，加入S4全细胞催化剂（60 g/L湿重），在优化条件下反应4 h，化合物4产率90.4%。
去除杂质：离心除去细胞后，乙酸乙酯萃取除去未反应的香兰素和其他杂质（化合物4溶于水）。
微波脱甲基：水相中加入HBr，微波（100 W, 20 min）反应，得到D-DSS，收率85.5%。经乙酸乙酯萃取和浓缩，最终获得407.8 mg D-DSS（纯度>95%，ee>99%）。基于木质素的产率为17.7 wt%，时空产率约0.63 g/L/h。
合成MDHP：同样的流程，最后一步在甲醇中进行微波反应，得到481.3 mg MDHP（纯度>97%，ee>99%），基于木质素产率20.9 wt%。
技术经济分析与生命周期评估：比植物提取更便宜、更环保
图6a-b展示了年产约3200吨D-DSS的概念工厂设计。技术经济分析（TEA）显示，D-DSS的最低销售价格（MSP）为每公斤99.12美元，远低于当前市场价（约3065美元/公斤）。主要成本来自化学品（HBr、NaOH）和蒸汽能耗（图6c）。
生命周期评估（LCA）表明，该路线的全球变暖潜能值（GWP）为334.84 kg CO₂ eq/kg DSS。主要贡献来自NaOH（多个环境类别）和HBr（资源消耗）。蒸汽占GWP的32.3%。与传统的植物提取工艺相比（图6e），该路线的碳足迹处于较低水平。如果采用可再生能源供电供热，GWP可进一步降至243.6 kg CO₂ eq/kg。敏感性分析显示，蒸汽和NaOH是最敏感的参数。
总结：从“废物”到“良药”，木质素高值化的新范例
本研究首次实现了从木质素出发，通过化学-酶级联策略高效、立体专一地合成D-丹参素及其衍生物。主要亮点包括：
原料创新：利用可再生木质素替代石油基原料或稀缺植物资源，解决了原料成本和可持续性问题。
酶级联设计：通过LTTA、TD、LDH的巧妙组合，将廉价易得的香兰素和L-苏氨酸转化为高价值的手性α-羟基酸，避免了不稳定邻二酚中间体。
全细胞催化：构建了共表达五种酶的大肠杆菌工程菌S4，无需纯化酶，催化效率高、可循环使用，80 mM香兰素底物时空产率高达4.06 g/L/h。
微波辅助一锅双转化：HBr/微波体系可同时实现脱甲基和酯化，一步获得D-DSS或MDHP，操作简便、效率高。
全流程验证：从10 g松木到半制备级D-DSS（407.8 mg）和MDHP（481.3 mg），展示了工业化潜力。
经济与环境优势：TEA和LCA证实该路线比传统植物提取更具经济竞争力和环境友好性。
该策略为木质素的高值化利用开辟了新途径，也为其他天然芳香族化合物的绿色合成提供了可借鉴的“化学-酶协同”模式。未来，通过优化酸碱回收、采用酶催化替代微波脱甲基等改进，可进一步降低成本、减少碳排放。
原文信息：Siyu Qi, Xiaoyi Zhai, Zhonghao Chen, Lei Wang, Lei Ji, Haocheng Zhuang, Weisheng Yang, Hanjie Ying, Zhuotao Tan, Chenjie Zhu. Green Chemistry, 2026, DOI: 10.1039/d6gc01908k.
通讯作者：Zhuotao Tan（谭卓涛）、Chenjie Zhu（朱晨杰），南京工业大学
第一单位：南京工业大学
