蘋果酸的應(yīng)用研究進(jìn)展

門靖，楊芳，牛國龍，溫錦榮，郭潔芬，梁春梅，吳英紀(jì)，孫洋娟

（西安萬隆制藥股份有限公司，陜西 西安 710119）

蘋果酸（Malic Acid，MA）是具有生理活性的一種二元羧酸（Dicarboxylic Acid），化學(xué)名稱為2-羥基丁二酸（2-Hydroxysuccinic acid）[1-2]。蘋果酸是一種安全、無毒、無害、可食用的有機(jī)酸，在生物體新陳代謝、疾病預(yù)防、新型材料研發(fā)、醫(yī)藥載體方面發(fā)揮著重要作用，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、食品、生物、材料等工業(yè)領(lǐng)域[3-4]。

筆者基于近五年蘋果酸的應(yīng)用研究，對礦物調(diào)整劑、水凝膠微球、超支化聚合物、織物抗皺整理劑、仿生粘合劑、pH 調(diào)節(jié)劑等領(lǐng)域中蘋果酸的最新應(yīng)用進(jìn)行綜述性報道，總結(jié)了蘋果酸的應(yīng)用實(shí)例，同時展望了其發(fā)展前景。

1 蘋果酸的應(yīng)用研究

蘋果酸除具有前述藥理活性特性外，由于分子含有2 個羧基和1 個羥基，是一種高反應(yīng)活性的工業(yè)原料，具有可與多種金屬離子絡(luò)合、自身發(fā)生聚合、易于官能基化學(xué)改造等優(yōu)勢，近年來成為工業(yè)領(lǐng)域研究與開發(fā)的熱點(diǎn)之一，取得了較為豐碩的成果。

1.1 蘋果酸在礦物浮選抑制劑中的應(yīng)用

圖1 蘋果酸的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 The application network of malic acid

礦物調(diào)整劑（Mineral Regulator）是一種用來調(diào)整捕收劑的作用及介質(zhì)條件，可控制礦物與捕收劑效果的一種輔助藥劑（Auxiliary Agent）。主要包括促進(jìn)欲浮廢物顆粒與捕收劑作用的活化劑（Activator）、控制非欲浮顆?？筛⌒缘囊种苿↖nhibitor）、促使料漿中非欲浮細(xì)粒成分分散狀態(tài)的分散劑（Dispersant）、使料漿中欲浮細(xì)粒聯(lián)合變成較大團(tuán)粒的絮凝劑（Flocculant）等等。礦物調(diào)整劑針對同一種藥劑，在不同條件與工藝下，往往發(fā)揮不同的作用[5]。浮選過程經(jīng)常是在捕收劑和調(diào)整劑的良好配合下才能獲得高的技術(shù)指標(biāo)。礦物浮選抑制劑通常具有從溶液中消除活化離子、消除礦物表面的活化薄膜、在礦物表面形成親水的薄膜，提高礦物表面的水化性，削弱對捕收劑的吸附活性等作用[6]。

張崇輝等開發(fā)了一種黃銅礦浮選方法及其新型的蘋果酸復(fù)合抑制劑。該發(fā)明主要包括以下幾個步驟：首先調(diào)整黃銅礦漿pH 值；再向礦漿中加入復(fù)合抑制劑；最后依次加入捕收劑和起泡劑后進(jìn)行浮選。實(shí)驗(yàn)獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)：pH=10，優(yōu)選硫酸銅和硫代蘋果酸為復(fù)合抑制劑（質(zhì)量比為1∶1），復(fù)合抑制劑用量為800 mg/L；礦漿濃度20%～40%；選擇黃藥或煤油為捕收劑，黃藥用量為200～500 mg/L，煤油用量為500～1 500 mg/L。該研究首創(chuàng)了銅離子強(qiáng)化的硫代蘋果酸復(fù)合抑制劑，在含銅礦浮選領(lǐng)域應(yīng)用效果良好，為開發(fā)離子和巰基類化合物復(fù)合抑制劑的研究提供了技術(shù)參考。

1.2 蘋果酸在水凝膠微球中的應(yīng)用

水凝膠微球（Hydrogel microspheres）是一類親水性極強(qiáng)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，分子內(nèi)部存在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特殊結(jié)構(gòu)，其在水中可以迅速溶脹并在此溶脹狀態(tài)可以保持大量體積的水而不溶解。近年來水凝膠在生物移植材料（Biological transplantation Materials）、吸附細(xì)菌毒素的納米海綿（Nano Sponge）、軟骨修復(fù)手術(shù)（Cartilage Repair Surgery）、超高強(qiáng)度水凝膠工程材料（Ultra-high Strength Hydrogel Engineering Materials）、特種生物材料（Special Biomaterials）等領(lǐng)域研究十分活躍[7]。

解萬翠等[8]開發(fā)了一種基于蘋果酸-殼聚糖納米孔水凝膠微球的制備方法。其制備主要有以下步驟：首先將蘋果酸與殼聚糖制成水溶膠，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；然后加入納米二氧化硅、甘油、氫氧化鈉攪拌均勻，在堿性條件下納米二氧化硅溶解后形成均勻分布的納米孔；最后經(jīng)洗滌、冷凍干燥以及研磨過篩制得蘋果酸-殼聚糖納米孔水凝膠微球（見圖2）。研究表明該蘋果酸-殼聚糖納米孔水凝膠微球可以作為高效吸附劑，對水體中麻痹性貝類毒素吸附脫除效果良好，可應(yīng)用于制備麻痹性貝類毒素生物吸附劑，保障水產(chǎn)食品安全領(lǐng)域。

圖2 蘋果酸-殼聚糖納米孔水凝膠微球制備示意圖Fig.2 The schematic diagram of preparation of malate chitosan nanoporous hydrogel microspheres

馬爭發(fā)等[9]以聚乙烯醇和聚蘋果酸為原料，經(jīng)冷凍-解凍法（Freezing/Thawing）制備了一種新型復(fù)合水凝膠。實(shí)驗(yàn)采用紅外吸收光譜研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合水凝膠內(nèi)聚乙烯醇和聚蘋果酸的分子間是以氫鍵結(jié)合，電鏡掃描觀察到復(fù)合水凝膠呈現(xiàn)出較大孔徑的三維立體結(jié)構(gòu)。研究指出聚乙烯醇和聚蘋果酸復(fù)合水凝膠展現(xiàn)出良好的生物相容性及抗菌活性，對大腸桿菌和金黃葡萄球菌均具有良好的抑菌效果、無細(xì)胞毒性。

1.3 蘋果酸在超支化聚合物中的應(yīng)用

超支化聚合物（Hyperbranched polymer）具有優(yōu)異的螯合、吸附及分散能力，使用過程中表現(xiàn)出較高的溶解度、高化學(xué)反應(yīng)活性、低黏度等線型聚合物所不具有的特殊性能，在特種薄膜制備（Preparation of Special Films）、高分子液晶（Polymer Liquid Crystals）、藥物釋放體系（Drug Release Systems）、熒光傳感器（Fluorescent Sensor）等許多方面顯示出巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。此外，超支化聚合物可對工業(yè)管路中水垢形成和結(jié)晶過程產(chǎn)生良好的抑制效果，是應(yīng)用廣泛的一類阻垢劑[10]。

龔偉等[11]設(shè)計建立了一種含有大量末端羧基活性官能團(tuán)的超支化聚合物，并將該聚合物應(yīng)用于阻垢劑領(lǐng)域中測試其性能。實(shí)驗(yàn)過程中采用選擇蘋果酸為AB2 型共聚單體，三羥甲基丙烷為中心核，利用熔融聚合法制備了一種新型的蘋果酸型超支化聚合物（見圖3）。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：蘋果酸型超支化聚合物分散性能良好，可充分地與硫酸鈣分子結(jié)合，其作用機(jī)理是通過降低水垢結(jié)晶度來抑制結(jié)垢能力，從而對硫酸鈣水垢晶體的生長過程發(fā)揮明顯的抑制作用。

圖3 蘋果酸型超支化聚合物與硫酸鈣作用機(jī)理圖Fig.3 The interaction mechanism between malic acid hyperbranched polymer and calcium sulfate

1.4 蘋果酸在織物抗皺整理劑中的應(yīng)用

黃鋼等[12]開發(fā)了一種棉織物抗皺整理劑（Antiwrinkle Fabricfinishing Agent）。該抗皺整理劑主要由蘋果酸9.0～21.0 g/L、馬來酸9.0～21.0 g/L、1，2，3，4-丁四羧酸0-35.0 g/L、催化劑24.0～36.0 g/L、柔軟劑1.0～6.0 g/L、滲透劑0.2～0.8 g/L 和水組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上述催化劑優(yōu)選為次磷酸鈉、柔軟劑優(yōu)選為硬脂酸三乙醇胺酯季銨鹽。測試結(jié)果表明該棉織物抗皺整理劑整理后的棉織物抗皺效果好、不會釋放甲醛、不易褪色。

1.5 蘋果酸在仿生粘合劑中的應(yīng)用

仿生粘合劑（Bionic Adhesive）具有良好的生物降解性能、創(chuàng)傷小、使用便捷等優(yōu)勢，在臨床上具有較大的應(yīng)用潛能。唐友紅等[13]以L-天冬氨酸通過內(nèi)酯開環(huán)聚合法自制聚蘋果酸（Poly Malic Acid，PMLA）作為高分子骨架，通過酰胺化反應(yīng)將多巴胺分子構(gòu)筑到聚蘋果酸分子中，獲得了一種既具有良好粘合性能又具有優(yōu)異生物相容性的貽貝仿生粘合劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聚蘋果酸-多巴胺分子中多巴胺的取代度可達(dá)到21.3%，搭接剪切試驗(yàn)測得粘合劑對豬皮的粘合強(qiáng)度為22.68 kPa，優(yōu)于目前市場上常用的生物醫(yī)用粘合劑纖維蛋白膠15.38 kPa 的粘合強(qiáng)度，同時對不銹鋼與玻璃亦有很好的粘合性能。該貽貝仿生粘合劑無細(xì)胞毒性，降解性能良好，對皮膚組織的粘合強(qiáng)度較優(yōu)。該仿生粘合劑對無機(jī)材料間的粘接、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的傷口粘合均具有良好的應(yīng)用潛力。

1.6 蘋果酸在pH 調(diào)節(jié)劑中的應(yīng)用

pH 調(diào)節(jié)劑（pH Regulators）也被稱作酸度調(diào)節(jié)劑（Acidity Regulators），在工業(yè)過程中發(fā)揮維持或改變化合物體系酸堿度[14]。麻成金等[15]開發(fā)了一種基于蘋果酸的香瓜西瓜復(fù)合飲料。較優(yōu)的配方工藝為：混合果汁用量為50%，pH 值控制在3.8～4.0，混合壓力30 MPa，滅菌溫度 80 ℃，滅菌時間20 min，在該工藝條件下制備的香瓜西瓜復(fù)合飲料口感良好、清爽宜人，其工藝生產(chǎn)流程圖見圖4。

圖4 香瓜西瓜復(fù)合飲料的制備工藝流程圖Fig.4 The flow chart of preparation process of compound beverage of muskmelon and watermelon

1.7 蘋果酸在酯化納米纖維素中的應(yīng)用

納米纖維素（Nano-cellulose）是一種不僅具有纖維素密度小、結(jié)晶度高、良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)，還擁有比表面積大、極強(qiáng)的親水性、優(yōu)異的光學(xué)特性、綠色環(huán)保、可再生等優(yōu)勢，是應(yīng)用前景廣闊的特種材料[16]。酯化納米纖維素（Esterified Nano-cellulose）是通過酯化改性的新型納米纖維素材料，可進(jìn)一步提高產(chǎn)品附加值的同時具有可改善易團(tuán)聚、容易受潮等缺點(diǎn)，是納米纖維素領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

王瑋等[17]開發(fā)了一種新型蘋果酸酯化納米纖維素的制備方法。實(shí)驗(yàn)選取納米纖維素為原材料，采用蒸餾體系對其進(jìn)行加熱至110 ℃后，加入適量的L-蘋果酸以及催化劑一水合硫酸氫鈉，反應(yīng)時間優(yōu)選6～10 h 即可獲得L-蘋果酸酯化納米纖維素粗品，再采用去離子水進(jìn)行離心洗滌三次可將體系未反應(yīng)的L-蘋果酸去除完全。該制備過程操作簡便、后處理簡單、工藝綠色環(huán)保、反應(yīng)條件溫和，制備的L-蘋果酸酯化納米纖維素可應(yīng)用于生物、醫(yī)療、食品包裝、食品添加劑等領(lǐng)域。

1.8 蘋果酸在非離子表面活性劑中的應(yīng)用

松香（Colophony）是一種松樹科植物中的油樹松脂，屬于我國天然的優(yōu)勢資源。松香主要成分為樹脂酸，其為不飽和酸，分子中含有共軛雙鍵，具有強(qiáng)烈吸收紫外光的特性，在空氣中能自動氧化或誘導(dǎo)后發(fā)生氧化反應(yīng)，穩(wěn)定性較差，限制了其進(jìn)一步使用。歧化松香（Disproportionated rosin）是在催化劑存在下，借助無機(jī)酸和熱的作用，使松香分子的一部分被氧化，另一部分被還原，主要成分為脫氫松香酸、二氫松香酸和四氫松香酸[18-19]。歧化松香具有良好的穩(wěn)定性能，在橡膠工業(yè)中乳化劑、表面活性劑原材料、工業(yè)電路板清洗、紡織工業(yè)中阻凝劑、日化洗滌劑及聚酯纖維材料中應(yīng)用研究頗為廣泛。

韋瑞松[20]等在微波輻射條件下，以歧化松香、聚乙二醇和蘋果酸為原料制備了一種新型非離子表面活性劑（Nonionic Surfactant）歧化松香聚乙二醇蘋果酸酯化合物（見圖5）。目標(biāo)產(chǎn)物歧化松香聚乙二醇蘋果酸酯的最佳條件為：反應(yīng)時間1.0 h，反應(yīng)溫度140 ℃，微波功率800 W，蘋果酸酯化率達(dá)94.57%。歧化松香聚乙二醇蘋果酸酯的臨界膠束濃度為0.2%，表面張力41.52 nM/m，研究表明中間體和目標(biāo)產(chǎn)物均具有良好的乳化性能和泡沫性能，可作為性能優(yōu)良的新型非離子表面活性劑應(yīng)用。該研究工作為松香的深加工探索以及拓展微波綠色合成方法提供了借鑒意義。

圖5 歧化松香聚乙二醇蘋果酸酯的合成路線圖Fig.5 The synthesis route of disproportionated rosin polyethylene glycol malate

1.9 蘋果酸在制藥工程中的應(yīng)用

田大豐[21]選擇蘋果酸與殼聚糖為原料，采用離子交換法制備了蘋果酸修飾的殼聚糖與蘋果酸殼聚糖復(fù)合物。實(shí)驗(yàn)中以非洛地平為模型藥物，選擇蘋果?；瘹ぞ厶菫樽铚?，制備了非洛地平凝膠緩釋片。測試結(jié)果表明：蘋果酰化殼聚糖在非洛地平緩釋片中與市售制劑采用的緩釋輔料作用相當(dāng)，可作為良好的緩釋輔料。又以L-蘋果酸為原料合成了蘋果酸乳酸共聚物、蘋果酸聚乙二醇共聚物及蘋果酸硬脂酸共聚物。以鹽酸洛美沙星為模型藥物，采用薄膜-超聲法，以蘋果酸乳酸共聚物為主要輔料，制備了甲砜霉素眼用原位凝膠、鹽酸洛美沙星眼用微球和甲硝唑牙周緩釋凝膠，體內(nèi)藥物動力學(xué)研究表明該藥物制劑達(dá)到預(yù)期目的，該研究顯示了蘋果酸類共聚物在藥劑學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

Brossard 等人[22]合成了一種具備良好的生物相容性的聚蘋果酸芐基酯納米粒，其直徑小于150 nm，表明帶有一定量的負(fù)電荷，并將嗜肝病毒A（GBVA10-9）和瘧原蟲環(huán)子孢子蛋白（CPB）衍生肽移植其納米粒中，在診斷和/或治療肝細(xì)胞癌方面顯示出應(yīng)用前景。Zhang 等人[23]研究指出蘋果酸聚合物擁有多種化學(xué)功能和生物相容性，可作為核苷酸、蛋白質(zhì)、化療藥物等分子的理想載體，并可通過血腦屏障等生物屏障提供多模式治療。Qiao 等人[24]開發(fā)了基于聚（β-蘋果酸芐酯）-b-聚乙二醇膠束，研究表明該化合物可與藥物分子之間通過π-π 堆積相互作用以提高載藥量（＞20 wt%），且具有較好的穩(wěn)定性，其與藥物結(jié)合自由能較強(qiáng)，細(xì)胞穿透能力提升。

蘋果酸單體可通過酯鍵聚合構(gòu)筑高分子聚酯化合物β- 聚蘋果酸（Poly β-malic Acid，PMLA），PMLA 分子結(jié)構(gòu)中擁有多個反應(yīng)活性的羧基官能團(tuán)，具有良好的生物相容性和可降解性。研究表明，PMLA 在生理?xiàng)l件下顯示出無免疫原性、高自發(fā)降解速率和高溶解性等特性，可提高藥物治療效果[25]。郭松巖[26]基于PMLA，引入細(xì)胞穿膜肽（TAT）增強(qiáng)其入胞性能，再連接聚乙烯醇（PEG）使其獲得特異選擇性，合成了一種腫瘤高效入胞特性的納米接枝物體系（PMLA-PEG-TAT）。PMLA-PEG-TAT 應(yīng)用于抗腫瘤藥物運(yùn)載體系具有良好的安全性。利用分子的羧基與抗腫瘤抗生素藥物阿霉素（Doxorubicin，Dox）分子中的氨基成酰胺鍵可引入藥物形成納米載藥系統(tǒng)（PMLA-PEG-TAT-Dox，見圖6）。PMLAPEG-TAT-Dox 可在酸性條件下水解促使酰胺鍵斷裂釋放出阿霉素，該納米藥物載體可進(jìn)入人體細(xì)胞，在水解條件下釋放藥物，且對藥物具有控釋性。該研究為PMLA 在納米藥物載體中的應(yīng)用提供參考。

圖6 PMLA-PEG-TAT-Dox 納米載藥系統(tǒng)合成路線圖Fig.6 The synthesis route ofnano drug loading system of PMLA-PEG-TAT-Dox

1.10 蘋果酸在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

熱塑性塑料（Thermosoftening Plastics）是具有優(yōu)異的可塑性能，其冷卻后可固化且能重復(fù)這種過程的塑料制品。熱塑性塑料通常具有高分子量，分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為線型高分子化合物，呈現(xiàn)出良好的彈性和耐壓縮變形性，耐環(huán)境、耐老化性，應(yīng)用溫度范圍廣，綠色環(huán)保，可回收使用等優(yōu)勢[27]。

Grant 等[28]選擇以蘋果酸為起始原料，首先經(jīng)濃硫酸加熱作用獲得2-吡喃酮-5-羧酸，即為香豆酸（Coumalic Acid），再與多種脂肪族醇酯化反應(yīng)制備香豆酸酯類化合物。然后經(jīng)鈀炭催化還原獲得二氫香豆酸和甲基戊二酸混合物，甲基戊二酸可以通過提取分離去除。二氫香豆酸是一種優(yōu)良的內(nèi)酯單體，可進(jìn)一步與苯甲醇在催化下開環(huán)聚合獲得預(yù)期聚合物聚4-羧烴氧基-戊內(nèi)酯（見圖7）。該研究工作從蘋果酸成功制備了一系列擁有強(qiáng)抵抗形變能力的熱塑性塑料。同時，實(shí)驗(yàn)研究表明該聚合物存在兩種聚合方式：一種是端位羧基進(jìn)攻主鏈上的羰基進(jìn)行聚合獲得主鏈聚酯化合物，另一種是端位羧基進(jìn)攻側(cè)鏈上的羰基進(jìn)行聚合獲得側(cè)鏈聚酯化合物（見圖8）。

圖7 蘋果酸制備熱塑性塑料合成路線圖Fig.7 Thesynthesis route of thermoplastic from malic acid

圖8 蘋果酸熱塑性塑料聚合機(jī)理圖Fig.8 Thepolymerization mechanism of malic acid thermoplastic

2 結(jié)論與展望

蘋果酸作為一種綠色、無毒害、高反應(yīng)活性的有機(jī)二元羧酸，在生物體新陳代謝、新型材料研發(fā)、醫(yī)藥化工高附加值開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)獲得廣大科研人員的認(rèn)可。

目前，隨著工業(yè)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，開發(fā)高性能的蘋果酸復(fù)合材料是發(fā)展趨勢，尤其在礦物調(diào)整劑、超支化聚合物、織物抗皺整理劑、pH 調(diào)節(jié)劑、酯化納米纖維素、非離子表面活性劑領(lǐng)域應(yīng)用活躍，這些領(lǐng)域中對蘋果酸質(zhì)量控制主要關(guān)注富馬酸、琥珀酸等有關(guān)物質(zhì)（通常均不超過0.50%）以及生產(chǎn)成本，利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)蘋果酸可以滿足該領(lǐng)域要求。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)蘋果酸的原料可采用山芋粉、木薯干、玉米粉等淀粉質(zhì)原料、甘油、纖維素、工業(yè)用葡萄糖等，具有原料種類豐富可再生、廉價易得、高效、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，但產(chǎn)量、純度有待提升。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)蘋果酸應(yīng)提高篩選或適應(yīng)性進(jìn)化獲得更多的可再生資源菌株，改造菌株原有的合成代謝途徑等方式來提高蘋果酸發(fā)酵產(chǎn)量是研究方向。

水凝膠微球、仿生粘合劑是近年來發(fā)展快速的醫(yī)藥化工領(lǐng)域，其對蘋果酸質(zhì)量提出了更高的要求，除控制富馬酸、琥珀酸雜質(zhì)外，還關(guān)注馬來酸、熾灼殘渣、硫酸鹽、砷鹽等理化指標(biāo)。發(fā)酵法產(chǎn)量較低、副產(chǎn)物較多，對制備高純度蘋果酸有一定的局限性，制備高純度蘋果酸往往需要通過化學(xué)法精制純化?；瘜W(xué)法制備蘋果酸可采用乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚、乙醇等有機(jī)溶劑重結(jié)晶方法，產(chǎn)率高、純度高，但溶劑消耗量大、廢液處理困難。探索合適的蘋果酸純化工藝、開發(fā)綠色環(huán)保的精制溶劑是其發(fā)展方向。

未來相信隨著生物工程、化學(xué)工程、材料科學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，開發(fā)綠色、高效的蘋果酸制備工藝、開發(fā)蘋果酸高附加產(chǎn)品，從而加大應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)與利用是蘋果酸應(yīng)用的研究方向。毋庸置疑，隨著對蘋果酸應(yīng)用的不斷探索，蘋果酸必將發(fā)揮巨大的市場潛力和帶動更大的經(jīng)濟(jì)效益。