維生素D是一種脂溶性類固醇激素，在平衡新陳代謝、維持機體健康等方面具有不可忽視的作用。

維生素D(Vitamin D, VD)，被稱為“陽光維生素”，是維持機體健康所必需的一種脂溶性維生素。麥角鈣化醇(ergocalciferol, VD2)和膽鈣化醇(Cholecalciferol, VD3)是VD系列化合物中主要的兩種存在形式。人體皮膚組織內(nèi)含有大量的7-脫氫膽固醇(7-dehydrocholesterol, 7-DHC)，經(jīng)紫外光照射后會轉(zhuǎn)變?yōu)閂D3，該合成途徑也是人體獲得VD最主要的來源。與VD3可在體內(nèi)自主代謝合成不同，VD2在人體內(nèi)無法代謝合成，必須依靠外界的飲食攝取。

VD本身沒有生理活性，只有經(jīng)過羥基化修飾后轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚孕问讲拍茉谌梭w內(nèi)發(fā)揮生理作用。如圖1所示，飲食攝取或人體自身合成的VD3由結(jié)合蛋白(vitamin D-binding protein, DBP)從血液轉(zhuǎn)運至肝臟，在肝臟中經(jīng)細胞色素P450酶羥基化修飾形成25-羥基維生素D3(25-hydroxyvitamin D3, 25(OH)D3)，25(OH)D3是VD在人體內(nèi)的主要循環(huán)方式，其濃度是衡量體內(nèi)VD狀況的標準之一。之后25(OH)D3將由DBP再次運輸至腎臟并修飾轉(zhuǎn)變?yōu)?,25-二羥基維生素D3(calcitriol，1,25(OH)2D3)、24,25-二羥基維生素D3(24,25-hydroxyvitamin D3，24,25(OH)2D3)等活性形式。

VD是骨骼正常生長發(fā)育所需的重要營養(yǎng)物質(zhì)，人體缺乏VD時會導致佝僂病、骨質(zhì)軟化等疾病。VD不僅能夠促進鈣磷吸收，還能作用于大腦神經(jīng)，預防精神分裂癥、自閉、認知障礙和神經(jīng)退化等疾病，同時適當補充VD可有效治療和預防糖尿病。此外越來越多的實驗證明,VD在治療免疫性系統(tǒng)疾病、癌癥以及心血管疾病等方面也具有良好的生理作用。

圖1 VD活性形式轉(zhuǎn)變示意圖

隨著VD的各種生理活性不斷被發(fā)現(xiàn)，VD的全球市場年需求量也在日益增長。目前工業(yè)化生產(chǎn)VD的主要方法為半化學合成法，即以膽固醇、麥角固醇、豆甾醇、巖藻甾醇以及孕烯醇酮等為底物，經(jīng)過簡單的化學反應生成。反應底物是半化學合成的重要因素之一，如何大量廉價地獲取天然甾醇也是目前工業(yè)化生產(chǎn)VD過程中面臨的挑戰(zhàn)之一。麥角固醇、7-DHC分別是半化學合成VD2及VD3的理想前體，但這些天然甾醇在宿主中的單體含量較少，已漸漸無法滿足當下工業(yè)化合成VD的生產(chǎn)需求。

甾醇代謝合成途徑

光化學合成VD

VD是由關(guān)鍵前體甾醇經(jīng)過光化學開環(huán)反應產(chǎn)生的。VD的光合作用是一個由多條異構(gòu)化反應組成的復雜分支網(wǎng)絡(luò)。

麥角固醇轉(zhuǎn)化為VD2的過程中，影響VD2的轉(zhuǎn)化率關(guān)鍵在于光源的選擇和光轉(zhuǎn)化器構(gòu)造。目前國內(nèi)光源的選擇一般選用低壓和高壓汞燈兩種。在VD2的光化學反應中波長的選擇很重要。275～300 nm波長范圍內(nèi)，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，而長于284 nm的光容易生成光甾醇，VD2過度照射，過度輻射還會生成毒甾醇等物質(zhì)，因此VD2的光轉(zhuǎn)化中熒光燈的波長范圍要求極其嚴格。圖2展示了VD在光照條件下的像話轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，波長為283 nm的低壓汞蒸氣紫外熒光燈照射麥角固醇，轉(zhuǎn)化效果最佳，麥角固醇轉(zhuǎn)化率50%以上，VD2收率在70%以上。

圖2 VD的光化學反應

7-DHC則會被290～315 nm波長的光子異構(gòu)化為VD3，這與紫外線B (UVB)的電磁波譜范圍相對應。FUSEO等提出利用連續(xù)微流系統(tǒng)合成VD3，與傳統(tǒng)的兩步法合成VD3不同，該方法在微反應器中可以同時進行光反應和熱反應。7-DHC在反應器中光異構(gòu)化后轉(zhuǎn)化為維生素原D3，維生素原D3繼續(xù)熱異構(gòu)化轉(zhuǎn)化為VD3。相比于傳統(tǒng)光合成法，該方法收率高(HPLC-UV:60%，分離率:32%)，操作簡便且無需純化中間產(chǎn)物維生素原D3，具有良好的工業(yè)應用價值。

文章節(jié)選自：

曲麗莎,于文文,呂雪芹,等.生物-化學法合成維生素D的研究進展[J].食品與發(fā)酵工業(yè),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.