維生素E的“前世”和“今生”

馬田，鄧子新，劉天罡

（1 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，合成生物學(xué)研究所，廣東 深圳518055； 2 武漢大學(xué)藥學(xué)院，組合生物合成與新藥發(fā)現(xiàn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430071； 3 上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，微生物代謝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200030）

維生素E（Vitamin E）早在1922 年被人們發(fā)現(xiàn)，因人和動(dòng)物缺乏可能導(dǎo)致不孕［1］，又被稱為生育酚，是一種脂溶型維生素，其外觀呈淡黃色或金黃色透明狀黏稠液體。根據(jù)疏水性尾部的飽和度和芳香環(huán)上甲基數(shù)目和位置的不同，維生素E 可分為八種類型，分別是α、β、γ、δ生育酚和α、β、γ、δ 生育三烯酚（圖1）［2］。在動(dòng)物體內(nèi)，生育酚和生育三烯酚均可被吸收，但α-生育酚與生育酚轉(zhuǎn)移蛋白親和度更高，可以被優(yōu)先運(yùn)輸和吸收，因此α-生育酚是活性最高的維生素E 形式［3-4］，通常也被直接稱作維生素E。

圖1 維生素E的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of vitamin E

維生素E是人和動(dòng)物必需卻不能自主合成的維生素，機(jī)體所需的維生素E需從食物中獲?。?］，常見的食物如大豆、小麥、玉米等植物種子中都富含維生素E［6］。維生素E 在生物學(xué)系統(tǒng)中具有重要作用，它能夠直接影響機(jī)體的一些正常生理功能，尤其表現(xiàn)在生殖、神經(jīng)系統(tǒng)等方面［7］。維生素E能夠促進(jìn)性激素分泌，增加精子活力和數(shù)量，提高生育能力，預(yù)防流產(chǎn)［8］；能夠維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血管系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的正常代謝［9-10］，抑制膽固醇合成，預(yù)防高血壓，降低心腦血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)，提高免疫力等［11-12］。維生素E 作為重要的抗氧化物，能有效地抑制機(jī)體內(nèi)的氧化反應(yīng)，延緩細(xì)胞衰老［13-14］，同時(shí)也能預(yù)防癌癥，有效抑制腫瘤生長［15-16］，對于老年癡呆癥也具有療效［17］。隨著人們生活水平的提高，維生素E作為營養(yǎng)補(bǔ)充劑和抗氧化劑已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于飼料、醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)，尤其是作為飼料添加劑，其在維生素E全球市場中占比約70%，在畜禽免疫、預(yù)防疾病、促進(jìn)畜禽的繁殖和提高產(chǎn)蛋率等方面有重要意義［18-19］。

維生素E 按來源可分為天然維生素E 和合成維生素E，目前市場上合成維生素E 約占全球總量的80%以上，是國際市場上用途非常廣泛、產(chǎn)銷量又極大的主要維生素品種，與維生素C、維生素A 一起被列為三大維生素支柱品種，也是我國的民生基礎(chǔ)產(chǎn)品之一，市場前景廣闊。本文作者總結(jié)了維生素E合成技術(shù)一路的發(fā)展，主要包括天然提取、化學(xué)全合成、生物全合成，以及生物-化學(xué)合成等，著重介紹了化學(xué)全合成技術(shù)，以及新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)-合成生物技術(shù)引領(lǐng)的生物-化學(xué)合成技術(shù)，回顧了維生素E的發(fā)展歷史并對未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 維生素E傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

1.1 天然提取技術(shù)

天然維生素E 通?？梢詮母缓S生素E 的植物油、油料作物種子等的脫臭物和餾出物中提?。?0］，提取方法主要為溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、分子蒸餾法以及離子交換吸附法等［21-24］。國外對天然維生素E的研究和生產(chǎn)于20世紀(jì)80年代就達(dá)到了規(guī)模化，主要有美國ADM 公司、德國HENKEL公司等。我國天然維生素E的生產(chǎn)工藝研究起步較晚，20世紀(jì)80年代開始陸續(xù)有企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行探索性研究開發(fā)，主要有中糧天科生物工程（天津）有限公司、江蘇春之谷生物制品有限公司等企業(yè)，技術(shù)多數(shù)是以植物油脫臭餾出物為原料，提取方法原理大體相同，設(shè)備、試劑等有所不同［25］。

與人工合成的維生素E 相比，天然維生素E 的吸收率、生理活性更勝一籌，但維生素E含量在每克作物細(xì)胞中僅為微克級別［26］，產(chǎn)量較低，不同來源的維生素E 含量和成分組成也差異較大［27］，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)量難于滿足各方面的需求。隨著市場對維生素E需求的日益增長，從基礎(chǔ)化工原料大規(guī)模生產(chǎn)的合成維生素E，因其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更易于調(diào)控，且價(jià)格低廉，成為了目前制備維生素E所廣泛采用的方法。

1.2 化學(xué)全合成技術(shù)

全球80%以上的維生素E為化學(xué)全合成品，主要生產(chǎn)方式為2，3，5-三甲基氫醌（以下簡稱“三甲基氫醌”）（主環(huán)）和異植物醇（支鏈）兩種中間體以“一步縮合法”合成（圖2），收率高達(dá)95%以上［28］，基本已經(jīng)沒有提升的空間［29］。

圖2 三甲基氫醌與異植物醇一步縮合生成維生素EFig.2 One step condensation of trimethylhydroquinone with isophytol to produce vitamin E

三甲基氫醌和異植物醇的合成工藝直接影響維生素E產(chǎn)品的收率和質(zhì)量。根據(jù)原料的價(jià)格水平和供應(yīng)量的大小，制備三甲基氫醌和異植物醇有許多不同的合成路線可供選擇，這也提高了整條路線抗御風(fēng)險(xiǎn)的能力。

1.2.1 主環(huán)三甲基氫醌的合成

三甲基氫醌為白色針狀結(jié)晶，在維生素E結(jié)構(gòu)中提供主環(huán)。根據(jù)原料的不同它的制備方法可大致分為巴豆醛法、偏三甲苯法、間甲苯酚法、叔丁基苯酚法、苯酚法、對二甲苯法、異佛爾酮法等（圖3）。

巴豆醛法是巴斯夫股份公司（以下簡稱“巴斯夫”）比較早期發(fā)展的三甲基氫醌的生產(chǎn)工藝。該法主要是以巴豆醛、戊酮為原料縮合得到三甲基環(huán)己烯酮，再通過脫氫生產(chǎn)三甲基苯酚，進(jìn)而生產(chǎn)三甲基氫醌。該法的收率不高，這也導(dǎo)致了成本較高，因此逐漸被后期發(fā)展起來的合成技術(shù)所替代。

偏三甲苯法發(fā)展也比較早，該法由偏三甲苯經(jīng)磺化、硝化、加氫、水解、氧化轉(zhuǎn)化為2，3，5-三甲基苯醌，然后再加氫還原為三甲基氫醌。該法的原料價(jià)廉易得，但反應(yīng)過程步驟多，產(chǎn)物收率低，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含酚廢水，污染嚴(yán)重，目前該法已很少被企業(yè)采用［30］。目前，也有研究開發(fā)偏三甲苯直接氧化制備三甲基苯醌的技術(shù)，但廉價(jià)的工業(yè)氧化劑還有待發(fā)展［31］。

間甲苯酚法通常是以間甲苯酚為原料，加入甲醇發(fā)生烷基化得到2，3，6-三甲基苯酚，隨后氧化為三甲基苯醌，最后加氫合成三甲基氫醌。該工藝流程較短、產(chǎn)品收率高、污染小，是國外普遍采用的合成技術(shù)［32］。原料間甲苯酚可由煤焦油或石油產(chǎn)品制取，來源較為豐富，但是我國間甲苯酚的產(chǎn)能規(guī)模比較小，多年來高度依賴于進(jìn)口，原料的限制直接制約了該方法在國內(nèi)的普及和發(fā)展。

叔丁基苯酚法于2012 年底由能特科技有限公司（以下簡稱“能特科技”）開發(fā)。該法是由叔丁基苯酚和甲醇為原料，以鐵氧化物為催化劑，得到2，6-二甲基-4-叔丁基苯酚，再與甲醇反應(yīng)，以氧化鋁為催化劑合成2，3，6-三甲基-4-叔丁基苯酚，然后經(jīng)硫酸脫掉叔丁基后精餾得到三甲基苯酚［33］，然后合成三甲基氫醌。該法采用了較為易得的叔丁基苯酚為原料，緩解了間甲苯酚原料緊缺的情況。同年，能特科技開發(fā)了苯酚法。該法是由苯酚與甲醇發(fā)生甲基化反應(yīng)產(chǎn)生2，6-二甲基苯酚，再經(jīng)磺化、酯化、傅克烷基化、脫磺酸基等反應(yīng)，生成三甲基氫醌［34］。該方法也繞過了間甲苯酚的原料緊缺問題，提供了另一種可行方案。

圖3 三甲基氫醌的主要合成工藝Fig.3 The main synthesis technology of trimethylhydroquinone

2014 年，能特科技改進(jìn)了其三甲基氫醌的生產(chǎn)工藝，開發(fā)出了對二甲苯法。該法是以對二甲苯為起始原料，經(jīng)過磺化、中和、酸化等反應(yīng)生成2，5-二甲基苯酚，再經(jīng)甲基化得到三甲基苯酚，進(jìn)而合成三甲基苯醌。相對其前兩年提出的技術(shù)手段，該法合成路線更加簡單，原料成本更低，具有更強(qiáng)的競爭力。

異佛爾酮法是近些年發(fā)展起來的三甲基氫醌合成技術(shù)。該法首先由丙酮聚合為關(guān)鍵中間體α-異佛爾酮，之后重排為β-異佛爾酮，然后氧化為茶香酮，茶香酮隨后重排酰化、皂化水解得到三甲基氫醌［35-36］。該法原料廉價(jià)易得、工藝簡單、污染小，是一種高效環(huán)保的生產(chǎn)工藝。然而，該法的轉(zhuǎn)化率和選擇性受反應(yīng)條件影響較大，對操作要求較嚴(yán)格，對反應(yīng)設(shè)備要求稍高，目前很多研究集中在其反應(yīng)催化劑的改進(jìn)方面以期提出更優(yōu)的合成技術(shù)。

近年來，隨著維生素E價(jià)格的下行，持續(xù)出現(xiàn)的新的主環(huán)合成路線不斷挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)合成工藝，這也促進(jìn)了維生素E行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。目前，國外生產(chǎn)三甲基氫醌的公司主要有德國巴斯夫、荷蘭帝斯曼公司等，國內(nèi)關(guān)于主環(huán)的研發(fā)曾一度成為國內(nèi)企業(yè)的主要技術(shù)障礙，隨著近年來的逐漸突破，展現(xiàn)出后來居上的趨勢，主要的企業(yè)有能特科技、浙江新和成股份有限公司（以下簡稱“新和成”）等。

1.2.2 側(cè)鏈異植物醇的合成

異植物醇是一種無色油狀液體，在維生素E結(jié)構(gòu)中提供側(cè)鏈。根據(jù)制備過程中重要中間體的不同，異植物醇的主要制備工藝可分為假紫羅蘭酮工藝和芳樟醇工藝（圖4）。

假紫羅蘭酮工藝是制備異植物醇的經(jīng)典工藝。該法是檸檬醛與丙酮在堿性條件下縮合生成假紫羅蘭酮，然后經(jīng)炔化、氫化、縮合等最終合成異植物醇，共7步催化反應(yīng)［37］。原料檸檬醛有天然提取和化學(xué)合成兩種途徑。天然提取方面，檸檬醛大多從山蒼子油中以蒸餾法獲得［38］，工藝技術(shù)已趨于成熟。雖然我國山蒼子資源相對豐富，但整體體量仍然較小、生產(chǎn)成本高，大規(guī)模生產(chǎn)難度大?；瘜W(xué)合成是主流的生產(chǎn)方式，主要分為異丁烯法和脫氫芳樟醇重排法。異丁烯法也是巴斯夫使用的方法，是由異丁烯和甲醛“一鍋法”合成，該過程由異丁烯和甲醛縮合得到3-甲基-3-丁烯-1-醇，其部分雙鍵異構(gòu)成異戊烯醇、部分氧化成3-甲基-3-丁烯醛，二者縮合重排得到檸檬醛，收率可達(dá)95%［39-40］。脫氫芳樟醇法主要是新和成、浙江醫(yī)藥股份有限公司（以下簡稱“浙江醫(yī)藥”）等在使用，是脫氫芳樟醇在催化劑作用下直接重排生成檸檬醛，工藝步驟比較少，原料利用較充分［41］。假紫羅蘭酮工藝整體思路比較簡單，但由于檸檬醛原料基本被巴斯夫、新和成、可樂麗株式會社（日本）壟斷，并且受限于丙酮原料用量大、回收能耗高、危險(xiǎn)系數(shù)高等因素，應(yīng)用難度比較高。

圖4 異植物醇的主要合成工藝Fig.4 The major synthesis technology of isophytol

芳樟醇工藝是目前全球絕大多數(shù)異植物醇制備所采用的工藝，該工藝主要包括羅氏法、巴斯夫法、異戊二烯法、異戊醛法等。羅氏法以乙炔和丙酮為原料合成2-甲基-3-丁烯-2-醇（甲基丁烯醇），再經(jīng)過加碳及氧化獲得6-甲基-5-庚烯-2-酮（甲基庚烯酮）；巴斯夫法以丙酮、異丁烯、甲醛為原料，在高溫高壓下一步合成6-甲基-6-庚烯-2-酮，它可以轉(zhuǎn)位獲得甲基庚烯酮，也可以氫化得到6-甲基-2-庚酮（甲基庚酮）；異戊二烯法以異戊二烯和丙酮為原料，先發(fā)生加成反應(yīng)合成氯代異戊烯，再與乙酰乙酸甲酯縮合生成甲基庚烯酮；異戊醛法以異戊醛和丙酮為原料，通過縮合、氫化、蒸餾后得到甲基庚酮［42-43］。甲基庚烯酮或甲基庚酮合成異植物醇的過程是一個(gè)碳鏈增長的過程，主要由甲基庚烯酮或甲基庚酮合成芳樟醇或二氫芳樟醇，再經(jīng)縮合、炔化、氫化等7 步催化反應(yīng)，最終合成異植物醇［44-45］。

假紫羅蘭酮工藝與芳樟醇工藝經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)基本在領(lǐng)域內(nèi)被做到極致，各有優(yōu)缺點(diǎn)，從規(guī)?；a(chǎn)中間體假紫羅蘭酮和芳樟醇的可行性和成本效益方面來看，芳樟醇工藝稍具優(yōu)勢。但總的來說，兩者對設(shè)備要求高、技術(shù)門檻高、成本高。

1.3 生物技術(shù)合成

維生素E 的生物合成途徑在1979 年被初步勾勒［46］。20世紀(jì)90年代，以擬南芥和集胞藻6803作為模式生物，維生素E合成途徑中關(guān)鍵酶被克隆研究，維生素E合成途徑逐漸被完善［47］。

維生素E 生物合成的兩個(gè)關(guān)鍵前體為尿黑酸（homogentisate，HGA）和植基二磷酸（phytyldiphosphate，PDP）或牻牛兒基牻牛兒基二磷酸（geranylgeranyldiphosphate，GGDP）。HGA 通過莽草酸途徑合成，用于合成維生素E 的親水性頭部，PDP和GGDP來自非甲羥戊酸途徑，用于合成維生素E的疏水性尾部［48］。

莽草酸途徑中，酪氨酸合成4-羥苯丙酮酸（ρhydroxyphenylpyruvate，HPP），HPP 在4-羥苯丙酮酸雙加氧酶（ρ-hydroxyphenyl-pyruvate dioxygenase，HPPD）的催化下生成HGA。在非甲羥戊酸途徑中，甘油醛-3-磷酸和丙酮酸形成1-脫氧-D-木酮糖-5-磷酸（1-deoxyl-D-xykilose-5-phosphate，DXP），DXP經(jīng)過多步催化形成GGDP，GGDP在牻牛兒基牻牛兒基還原酶（geranylgeranyl reductase，GGR）作用下形成PDP，進(jìn)一步參與生育酚的合成。

HGA 在尿黑酸植基轉(zhuǎn)移酶（homogentisate phytyltransferase，HPT）或尿黑酸牻牛兒基牻牛兒基轉(zhuǎn)移酶（homogentisate geranylgeranyltransferase，HGGT）的催化下，與PDP 或GGDP 發(fā)生縮合，生成2-甲基-6-植基苯醌（2-methyl-6-phytylbenz-oquinone，MPBQ）或2-甲基-6-牻牛兒基牻牛兒基苯醌（2-methyl-6-geranylgeranylbenzoquinol，M-GGBQ）。MPBQ 或MGGBQ 在2-甲基-6-植基苯醌甲基轉(zhuǎn)移酶（2-methyl-6-phytylbenzoquinone methyltransferase，MPBQMT）作用下能夠生成2，3-二甲基-6-植基苯醌（2，3-dimethyl-6-phytyl-l，4-benzoquinone，DMPBQ）或2，3-二甲基-6-牻牛兒基牻牛兒基苯醌（2，3-dimethyl-6-geranylg-eranylbenzoquinol，DMGGBQ）。生育酚環(huán)化酶（tocopherol cyclase，TC）可以直接作用于MPBQ（MGGBQ），生成δ-生育酚（生育三烯酚），也可以催化DMPBQ（DMGGBQ）生成γ-生育酚（生育三烯酚）。δ-生育酚（生育三烯酚）和γ-生育酚（生育三烯酚）在γ-生育酚甲基轉(zhuǎn)移酶（γ-tocopherol methyltransferase，γ-TMT）作用下分別轉(zhuǎn)換為β-生育酚和α-生育酚（生育三烯酚）［22，49］（圖5）。

圖5 維生素E的生物合成Fig.5 The biosynthesis of vitamin E

目前，植物是維生素E 生物合成的主要來源，但是其胞內(nèi)的含量非常有限。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，研究者們大多在大豆、煙草、擬南芥等多種植物中嘗試進(jìn)行工程改造以提高維生素E總的含量或是調(diào)整各組成的比例，少數(shù)研究集中在藻類、細(xì)菌、真菌中。例如，Konda 等［50］在大豆中過表達(dá)γ-TMT 和大麥來源的MPBQMT，使總生育酚的含量提高了近10 倍；Lu 等［51］通過人工合成HPT、TC、TMT多基因操縱子，同時(shí)利用RNA 元件使操縱子轉(zhuǎn)錄本分割成穩(wěn)定的單順反子，顯著提高了煙葉中α-生育酚和生育三烯酚的含量；Cahoon等［52］在擬南芥中過表達(dá)大麥的HGGT，使生育酚和生育三烯酚總量提高了10 倍以上。Rodríguez-Zavala 等［53］通過優(yōu)化Euglena gracilis的培養(yǎng)條件最高獲得了3.7 mg/g α-生育酚（以干細(xì)胞重計(jì)）。Albermann 等［54］通過異源表達(dá)擬南芥和藍(lán)藻來源的基因在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了δ-生育三烯酚的合成，但是產(chǎn)量很低，僅有15 μg/g（以干細(xì)胞重計(jì)）。于洪巍等［55］在釀酒酵母中成功構(gòu)建了生育三烯酚合成通路，通過進(jìn)一步截?cái)嗳~綠體轉(zhuǎn)運(yùn)肽、過表達(dá)限速酶，構(gòu)建得到高產(chǎn)α-生育三烯酚和γ-生育三烯酚的基因工程酵母菌株，其總生育三烯酚產(chǎn)量有2.09 mg/g（以干細(xì)胞重計(jì)）。

總的來說，直接通過生物技術(shù)獲取維生素E的方式相比化學(xué)全合成，產(chǎn)量低、成本高，并不適合進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

2 新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)引領(lǐng)的維生素E 產(chǎn)業(yè)新發(fā)展

化學(xué)全合成雖然是目前維生素E的主要生產(chǎn)方式，但該技術(shù)仍然存在很多問題，例如合成路徑復(fù)雜、技術(shù)壁壘高、成本高，其生產(chǎn)設(shè)備大部分為專用設(shè)備，且安全風(fēng)險(xiǎn)較大等，新企業(yè)進(jìn)入該行業(yè)領(lǐng)域非常困難，而且隨著技術(shù)發(fā)展，很多廠商也因成本不占優(yōu)勢逐漸退出競爭，全球目前僅有數(shù)十家企業(yè)在生產(chǎn)，且長期集中在個(gè)別企業(yè)，形成了行業(yè)壟斷，我國與國外多年來也競爭激烈。開發(fā)更安全、更低成本、更高效率的合成維生素E新技術(shù)，成為改善這一重要產(chǎn)品現(xiàn)狀亟待解決的高難度問題。

隨著各領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交叉學(xué)科的技術(shù)碰撞另辟蹊徑，武漢大學(xué)聯(lián)合能特科技發(fā)展了將生物與化學(xué)相結(jié)合，利用微生物發(fā)酵合成的法尼烯（C15H24）為前體化學(xué)合成關(guān)鍵中間體異植物醇（C20H40），然后一步合成維生素E 的優(yōu)勢創(chuàng)新技術(shù)（圖6）。

圖6 生物-化學(xué)法以生物基法尼烯合成維生素E合成關(guān)鍵中間體異植物醇Fig.6 Biochemical synthesis of biobased farnesene,a key intermediate in the synthesis of vitamin E

法尼烯是可用作柴油、香料和航空燃料前體的十五碳不飽和烯烴，主要來源于植物，但在植物中的含量比較低，以提取天然產(chǎn)物的方式大量用于化工市場的難度非常高；微生物發(fā)酵法因其不受季節(jié)、地域、氣候等因素的影響，原料易獲取、生產(chǎn)周期短、成本低廉、產(chǎn)物質(zhì)量可控易純化、安全性高，并且環(huán)境污染較少等優(yōu)勢，成為獲得這一化合物的最佳方式。

武漢大學(xué)劉天罡團(tuán)隊(duì)［56-57］利用合成生物學(xué)手段發(fā)展了“定向合成代謝體系”，該體系通過體外重建體系將體內(nèi)的目標(biāo)途徑元件在體外進(jìn)行系統(tǒng)重新搭建，以此排除復(fù)雜體內(nèi)代謝網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)研究途徑的干擾，得到目標(biāo)途徑實(shí)際催化過程參數(shù)，獲得該代謝途徑效率最優(yōu)情況下的酶催化比例，該技術(shù)能夠快速得出途徑調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及參數(shù)。以此為指導(dǎo)，快速對大腸桿菌體內(nèi)關(guān)鍵基因定向改造，即實(shí)現(xiàn)了在大腸桿菌中利用葡萄糖和甘油等廉價(jià)碳源發(fā)酵合成法尼烯分子，并基本實(shí)現(xiàn)1 kg葡萄糖合成0.2kg 法尼烯的理論得率（圖7），而作為分泌到胞外的油狀法尼烯可以通過簡易分離純化獲得。新技術(shù)的建立，使得法尼烯能夠通過較低成本獲得。該技術(shù)的發(fā)展為新技術(shù)的建立提供了契機(jī)。2014年武漢大學(xué)與能特科技合作，利用上述制備得到的生物基法尼烯作為前體，通過化學(xué)合成法的摸索，實(shí)現(xiàn)了法尼烯與乙酰乙酸酯在金屬銠催化下縮合獲得法尼基丙酮，再經(jīng)還原和乙炔化生成異植物醇，僅3步反應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)以芳樟醇、二氫芳樟醇或檸檬醛為前體的7步合成反應(yīng)（圖8）。

與傳統(tǒng)異植物醇合成技術(shù)相比，以生物基法尼烯為前體合成異植物醇從而合成維生素E 的技術(shù)，大大減少了合成步驟，大幅降低了易爆原料的使用，更簡單、高效、安全，在成本、設(shè)備、建設(shè)投資等方面要求都降低了很多，收率和產(chǎn)品純度更高，生產(chǎn)過程能耗低、污染小、可再生，更加綠色環(huán)保，總之，優(yōu)勢顯著，打破了經(jīng)過80 多年發(fā)展的維生素E化學(xué)全合成歷史，直接挑戰(zhàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝。這也是能特科技能夠在短短三年就躋身全球維生素E產(chǎn)業(yè)前列的重要原因。能特科技在湖北石首已建成規(guī)模位居全球前列的維生素E成產(chǎn)裝置，資金投入和生產(chǎn)總成本大大降低的情況下，產(chǎn)能仍占有近1/4 的全球維生素E 市場，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，改變了維生素E的全球市場格局［58］。

圖7 定向代謝合成指導(dǎo)的大腸桿菌高效合成法尼烯Fig.7 Engineering E.coli to overproduce farnesene by the Targeted Metabolic Engineering system

圖8 以法尼烯為前體的3步合成反應(yīng)和以芳樟醇和二氫芳樟醇或檸檬醛為前體的7步合成反應(yīng)比較Fig.8 Comparison of the production of vitamin E through the 3-step synthesis using farnesene as precursor with 7-step synthesis from linalool and dihydrolinalool or citral

合成生物學(xué)作為新興學(xué)科領(lǐng)域，其產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展為化工、制造業(yè)的發(fā)展搭建了快捷通道，并且提供了多種可能性，具備僅通過幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就能巧妙繞開充滿壁壘的傳統(tǒng)合成路線的能力。

3 回顧歷史，展望未來

1922 年，Evans和Bishop 在小鼠中發(fā)現(xiàn)一種有助于恢復(fù)生育功能的脂溶性物質(zhì)，該物質(zhì)于1924年被命名為維生素E，于1936 年被分離出結(jié)晶，1938 年被瑞士化學(xué)家成功鑒定出結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)人工合成，自此維生素E的人工合成拉開序幕。1938—1947 年，羅氏首次實(shí)現(xiàn)維生素E 的工業(yè)化生產(chǎn)。1959 年，我國維生素E 合成技術(shù)首次由上海新亞藥廠開發(fā)，但由于技術(shù)裝備落后、生產(chǎn)配套差等因素，隨后的發(fā)展非常緩慢。20 世紀(jì)90 年代，巴斯夫、帝斯曼、羅氏等少數(shù)幾家歐美國際巨頭憑借技術(shù)優(yōu)勢和資本實(shí)力，逐漸壟斷了維生素E的國際市場。然而，這種壟斷持續(xù)并不久，1999 年，羅氏等多家維生素生產(chǎn)企業(yè)組成的卡特爾聯(lián)盟因違反了反壟斷法，受到巨額罰款，價(jià)格聯(lián)盟被打破，全球維生素E產(chǎn)業(yè)重新洗牌，這一事件也為中國維生素E產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了契機(jī)，我國的多家企業(yè)逐漸走上世界舞臺。2003 年，羅氏維生素E 業(yè)務(wù)被帝斯曼收購。2007 年，維生素E 市場穩(wěn)定形成了以國外帝斯曼、巴斯夫，國內(nèi)新合成、浙江醫(yī)藥、北大醫(yī)藥五家企業(yè)獨(dú)大的局面。由于產(chǎn)能過剩、價(jià)格持續(xù)下行等，成本較高的北大醫(yī)藥于2015 年退出維生素E 的市場競爭。2016 年，由于我國環(huán)保檢查力度加大，部分企業(yè)停產(chǎn)、限產(chǎn)，帝斯曼也出現(xiàn)裝置和技術(shù)問題，維生素E行業(yè)發(fā)展趨緊。2017 年，能特科技攜新技術(shù)進(jìn)入該行業(yè)，維生素E 價(jià)格回落。2017 年10 月，巴斯夫檸檬醛工廠發(fā)生火災(zāi)事故，全球維生素E 再次供應(yīng)緊張、價(jià)格暴漲。2018 年，巴斯夫復(fù)產(chǎn)、能特科技擴(kuò)產(chǎn)，維生素E價(jià)格下跌，并逐漸維持在相對較低的水平（40～60 元/kg），趨于穩(wěn)定。維生素E 行業(yè)隨著多年的發(fā)展目前處于快速成長階段后期，行業(yè)的成熟度已經(jīng)比較高，每年全球消耗及產(chǎn)能需求趨于穩(wěn)定。目前維生素E 全球產(chǎn)能主要集中在帝斯曼、巴斯夫、浙江醫(yī)藥、能特科技、新和成、北沙制藥等幾家生產(chǎn)商。

以史為鑒，技術(shù)是發(fā)展的核心，成本是發(fā)展的動(dòng)力，環(huán)保是發(fā)展的源泉，新技術(shù)的拓展，三者缺一不可。生物技術(shù)作為低成本、高回報(bào)、可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)技術(shù)是新技術(shù)拓展可選的優(yōu)勢技術(shù)，目前在多個(gè)領(lǐng)域都顯現(xiàn)出了其優(yōu)勢潛力，例如，基礎(chǔ)化工品富馬酸［59］、酮酸［60］，生物塑料聚羥基脂肪酸酯［61］，高端乳品添加劑酵母核苷酸［62-63］，生物農(nóng)藥亦是河盲癥治療藥物的阿維菌素［64］，以及糖尿病治療藥物阿卡波糖［65-66］等。合成生物學(xué)技術(shù)作為其中交叉性較強(qiáng)的新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)，同時(shí)又具有強(qiáng)大的輻射能力，例如上述法尼烯生物合成高產(chǎn)平臺也是萜類的高效合成平臺，該平臺技術(shù)具有高效普適性［67］，可以拓展到多個(gè)法尼烯類似產(chǎn)物的高產(chǎn)上［68-70］，這一領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)榛?、制造業(yè)的發(fā)展搭建多個(gè)快捷通道。除了合成生物學(xué)技術(shù)之外，微生物發(fā)酵技術(shù)的穩(wěn)定性、發(fā)酵水平及規(guī)模，相應(yīng)的發(fā)酵配套設(shè)施及建設(shè)也將是下一步發(fā)展的方向。

符號說明