可持续资源回收的替代紫杉酸来源植物及供应系统

《Bioresource Technology Reports》：Alternative shikimic acid source plants and supply systems for sustainable resource recycling

鞣酸（SA）是工业合成药物 Tamiflu? 的关键前体，传统依赖星香木但面临气候和市场风险。本研究在冲绳岛筛选11种植物，发现油橄榄属植物 Calophyllum inophyllum 的未成熟叶含80.1 mg/g 和未成熟种子皮含172.1 mg/g 的SA含量最高，其种子油作为生物柴油原料具有全球潜力，且丰余的副产物（枝叶、种皮）可全年供应，实现可持续SA生产。

　　

田村仁季卡 | 板桥雄太 | 栗谷英辅 | 土山明子 | 菊地嘉树 | 长谷成成

日本冲绳县立工业技术学院生物资源工程系，905 Henoko，那霸市，冲绳，905-2192

摘要

山柰酸（SA）是一种由植物和微生物合成的天然代谢物，是工业应用中重要的手性构建块，尤其是作为磷酸奥司他韦（达菲?）的前体。目前，商业化的山柰酸生产主要依赖于Illicium verum，这使得全球供应链容易受到气候变化和市场波动的影响。为了寻找替代且更可持续的山柰酸来源，我们使用定量超高效液相色谱-质谱（UPLC–MS）技术筛选了在冲绳县采集的11种植物（17个组织样本，包括叶子、茎、根、花和果实）。在所研究的物种中，Calophyllum inophyllum的山柰酸含量最高，未成熟叶片中的含量达到80.1毫克/克干重（DW），未成熟种皮中的含量达到172.1毫克/克干重。C. inophyllum叶片中的山柰酸含量在不同个体间存在显著差异，这表明可能存在内在（遗传）和/或环境因素的影响。由于C. inophyllum的种子油在生物柴油领域的需求不断增加，其种植范围也在全球范围内扩大，预计每年将产生大量的枝条/叶片和种皮（作为提取过程中的副产品），且这些资源的竞争较少。这些特点使C. inophyllum成为一种有前景且可持续的山柰酸替代来源，符合循环生物经济的原则，并有助于提高供应链的韧性。

引言

山柰酸（SA）是一种由植物和真菌产生的天然有机化合物，其特点是具有三个连续的手性碳中心。作为一种在有机合成中起重要作用的手性化合物，其完美的碳环结构吸引了人们的关注，因为它可以作为大型组合化学库合成的基础（Rawat等人，2013a）。对山柰酸的需求持续不断，尤其是作为抗流感药物磷酸奥司他韦（达菲?）合成的手性模板（Rawat等人，2013b）。由于山柰酸的重要药用价值，制药公司对其需求日益增加（Sheng等人，2023）。它还具有多种功能，如作为抗酶剂和角质层去角质剂（Rawat等人，2013a），并且作为一种黑色素抑制剂，在护肤品配方中表现出良好的效果（Chen等人，2016），能够抑制胶原酶活性并显著提高人类成纤维细胞的迁移能力（Antognoni等人，2017）。因此，山柰酸被视为化妆品中的活性成分。与“绿色”药物前体来源并行的是，对药物残留物在环境中的可持续管理也已成为药品生命周期的重要方面（Danaee等人，2025）。

目前，山柰酸的主要来源是Illicium verum，其中80%–90%的产量来自中国的四个山区省份（广西、四川、云南和贵州）以及越南的Lang Son省（Avula等人，2009；ETC集团，2012）。用于生产达菲的山柰酸中有三分之二来自I. verum的果实（八角）。由于气候变化的影响，山柰酸的生产和价格变得不稳定。此外，这些山区生产区域面临与气候相关的农业风险（例如，年际降雨量变化、干旱事件、台风带来的强降雨/洪水以及由此导致的收获和物流中断），这些因素进一步加剧了供应和价格的波动。更广泛地说，由气候驱动的干旱风险和季节性水资源变化可能会破坏农业供应的稳定性，突显了供应链韧性的重要性（Hussain等人，2024）。此外，八角作为香料、调味品和草药的需求仍然很高（Wang等人，2011），这也加剧了山柰酸生产和价格的不稳定性。因此，为了稳定山柰酸的供应，除了植物提取外，还需要考虑化学合成和微生物发酵等互补的生产途径。

已经开发了几种通过化学合成获得山柰酸的方法（Ambhaikar，2005）。然而，化学方法生产山柰酸成本较高，会产生含有环境污染物的废物，并对其商业可行性构成挑战（Ghosh等人，2012；Rawat等人，2013a）。因此，人们迫切需要环保的生产方式。微生物发酵在工业山柰酸生产中显示出潜力。大肠杆菌因其清晰的遗传背景和高生长速率而在学术界和工业界被广泛用作微生物细胞工厂和天然产物的生产宿主（Yang等人，2020）。商业供应商已经实现了利用基因改造的E. coli进行山柰酸的发酵生产（Enserink，2006）。其他方法也已在实际应用中得到验证，例如通过用蓝光LED照射在黑暗中培养的Pleurotus ostreatus菌丝来调控山柰酸途径中的限速酶，从而诱导山柰酸的积累（Kojima等人，2015）。然而，工业上生产的山柰酸量仅占达菲合成所需总量的大约三分之一，需求仍然依赖于从植物中提取的山柰酸（Enserink，2006）。尽管微生物发酵是一个有前景的途径，但在工业规模上的成本效率受到菌株性能以及高极性代谢物下游回收和纯化成本的限制。因此，来自植物的山柰酸，特别是从丰富的生物质和副产品中提取的山柰酸，仍然是稳定供应的补充和实用选择。

因此，巴西、印度和其他国家正在研究替代植物。Marchiosi等人（2019）关注了生长于中美洲和南美洲的Calophyllum brasiliense，并研究了该植物不同部位的山柰酸含量。他们发现C. brasiliense的叶子中山柰酸含量最高，为37.9毫克/克（Marchiosi等人，2019）。Kshirsagar等人（2020）研究了印度南部13种植物的山柰酸含量，发现Mammea suriga的叶子是山柰酸积累最多的植物之一，含量为47.2毫克/克（Kshirsagar等人，2020）。此外，原产于北美的Liquidambar styraciflua的种子含有2.4%–3.7%的山柰酸（Enrich等人，2008）。山柰酸是植物生长过程中木质素的重要前体，Pinus thunbergii和Ginkgo biloba的叶子和树皮中的山柰酸含量长期以来一直是研究的重点（Hasegawa和Tateoka，1960）。然而，由于山柰酸是芳香氨基酸生物合成途径中的中间产物，只有少数植物会在其组织中积累山柰酸，尽管所有植物都利用这一途径（Yang等人，2020）。先前的研究表明，积累山柰酸的植物通常分布在热带和亚热带地区。

日本琉球群岛由大约700个岛屿组成，气候温暖潮湿，受黑潮和亚热带反气旋的影响。该地区主要覆盖着常绿阔叶雨林，由于台风和雨季的影响，年平均降雨量超过2000毫米。2021年，琉球群岛被联合国教科文组织列为世界自然遗产，因其丰富的生物多样性。琉球群岛的生物多样性包括对保护该地区至关重要的自然栖息地（奄美大岛、德之岛、冲绳北部岛屿和伊里奥莫特岛）。本研究旨在通过探索琉球群岛的植物群来寻找山柰酸的替代来源，该地区是一个生物资源丰富的亚热带地带。对琉球群岛上生长的11种植物的山柰酸含量进行了量化分析。特别关注了Calophyllum inophyllum，它与在巴西和印度发现的山柰酸高积累植物C. brasiliense和M. suriga>属于同一科。从C. inophyllum种子中提取的油也是生物柴油生产的潜在资源，其潜力仅次于棕榈油（Arumugam和Ponnusami，2014）。更广泛地说，植物提取物和代谢物正越来越多地被探索用于非药品领域的“绿色”工业化学品，例如可持续的防腐蚀应用（Hatami等人，2025）。如果将C. inophyllum>用作山柰酸的替代植物，可以低成本提取亲水性山柰酸，而不会与传统生产过程竞争。对不同部位、成熟度和单个植物的山柰酸含量进行了量化分析，以评估其作为山柰酸替代植物的潜力。

部分内容片段

化学品

用于超高效液相色谱-质谱（UPLC/MS）的甲酸铵购自Thermo Fisher Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）。分析级甲酸购自Nacalai Tesque, Inc.（日本京都）。用于UPLC/MS的乙腈购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。山柰酸（Certainty）购自Nacalai Tesque, Inc.（日本京都）。

植物材料

2023年5月至2024年1月期间，从琉球群岛收集了11种植物样本

收集植物的山柰酸含量

对从琉球群岛收集的11种植物的各个部位提取物进行了分析。在调查的11种植物中，有8种植物含有山柰酸（表1）。Casuarina equisetifolia、Ipomoea pes-caprae、Cyperus polystachyos和Livistona chinensis>的山柰酸含量均超过0.1毫克/克干重。Pinus luchuensis（17.5毫克/克干重）在本研究中首次被分析，其山柰酸含量与Pinus thunbergii（9.9毫克/克鲜重叶片）相似（Hasegawa和Tateoka，1960）。

结论

I. verum作为山柰酸的主要商业来源，因其作为香料、香精和草药的需求而需求旺盛，这与其供应形成竞争。此外，其有限的种植面积和依赖气候的特性使其成为不稳定的山柰酸来源。在此背景下，本研究探讨了用于工业用途的替代山柰酸供应植物，包括提高有潜力植物的山柰酸产量、使用非竞争性原材料以及设计资源回收系统。

CRediT作者贡献声明

田村仁季卡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，正式分析。板桥雄太：研究，正式分析。栗谷英辅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，概念化。土山明子：验证，方法学。菊地嘉树：可视化，研究。长谷成成：撰写 – 审稿与编辑，可视化，概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：栗谷英辅博士是Foods（MDPI）的客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。https://www.mdpi.com/journal/foods/special_issues/I6OY6O6706