第一节　腐植酸的组成结构与新辨析

天然矿源腐植酸的组成结构由基本结构单元（核+桥键+官能团）构成分子（n×基本结构单元），成为大分子（n×分子+蛋白质+氨基酸+糖类+脂肪烃类+金属离子+其他），再成为大分子聚集体（n×大分子+其他物质）是业内公认的［1］。

如果以天然腐植酸为基准，依靠生物技术仿造的生化腐植酸，人工氧化或合成的腐植酸，其组成结构也必然应有相似性。比较而言，由纤维素、半纤维素、木质素组成的生物质原料，通过生化技术可以形成天然腐植酸的结构单元组成，差异是构成各组分的比例不同。生物技术包含的面很广，有时生化腐植酸只是它梯度利用的剩余物质制造的。而人工氧化或合成的腐植酸，前者期望通过氧化增加羧基等含氧官能团的数量，后者则期望在分子结构上更接近或者优于天然腐植酸。其目的是获得更好的原料性能，获得更便利的加工品质等。

一、腐植酸的萜类与甾类

高等植物遗骸、微生物作用等构造的腐植酸含氧有机酸形态多样，单从腐植酸含氧衍生物萜类化合物辨析，就有单萜、倍半萜、二萜、二倍半萜、三萜、四萜和多萜，以腐植酸甾类化合物辨析，也有雌（甾）酮，雄（甾）二醇、雌（甾）三醇等。

萜类化合物是指具有（C5H8）n通式以及其含氧和不同饱和程度的衍生物，可以看成是由异戊二烯或异戊烷以各种方式连结而成的一类天然化合物。据不完全统计，现已报道的萜类化合物数量超过55000多种［1］。

植物萜类化合物一直是人类药物和功能食品的重要来源。如抗疟疾药物青蒿素，抗癌药物紫杉醇［2］，保健药物人参皂苷和灵芝酸，重要甜味剂甜菊糖苷，抗氧化剂和食品添加剂番茄红素、β-胡萝卜素等。

腐植酸，尤其是泥炭、褐煤等低阶煤中含有萜类化合物，这也是腐植酸不但可用于农业还可以去粗取精用于医疗保健的缘由之一吧。

通常原产植物的珍稀萜的产量极低，用直接从植物组织提取的方法来获取萜类化合物（见图1-1），效率低、成本也高。华东理工大学汪建峰、庄嗣良等应用合成生物学的工程思想与方法引入传统生物学研究中，强调通过对生物元件、模块和系统各层次的理性设计，构建能行使特定功能的新生命体。以容易遗传操作的微生物为底盘细胞，重构异源萜类生物合成途径［3］，结合前体供应及产物转运等功能模块的重新设计，可实现珍稀萜类化合物的大规模生产。若将该原料剩余物梯度利用制生化腐植酸，原料选择的不同，产物的附加值也不同了。

甾类化合物具有甾核，即环戊烷多氢菲碳骨架的化合物群的总称。几乎所有的生物都能生物合成甾类化合物，它是天然物质最广泛出现的成分之一。甾醇、胆汁酸、性激素、副肾皮质激素、强心苷、昆虫变态激素等都是生物学上极其重要的物质，也是天然腐植酸神秘性的所在之处（见图1-2、图1-3）。

甾体药物是仅次于抗生素的第二大类药物，在机体发展、免疫调节、脑病治疗、生育控制等方面有明确的作用。20世纪90年代后，我国逐步成为世界甾体药物原料药生产中心，目前，年产量已占世界总产量的1/3左右，皮质激素原料药的生产能力和实际产量均居世界第一位。

从产品结构来看，我国甾体药物产业与国外先进水平还有较大的差距，新产品的研发能力不足，主要体现在微生物转化技术和优良菌种的选育等关键生产技术方面。目前，全球生产的甾体药物品种已有300多种，而中国国内生产的品种只有40余种，仅占全球的14％，且大多为中低档产品。

在此背景下，华东理工大学魏东芝研究团队针对分枝杆菌转化甾醇生产甾体药物这一重要工艺路线，开展了多年的基础研究，最终阐明了甾醇转化为有用甾体药物中间体的多个关键机制，并以此为基础，成功开发了C19甾体（雄甾-4-烯-3，17-二酮、9α-羟基雄甾-4-烯-3，17-二酮）和C22甾体（C20-甲羟基孕甾）等多个甾体医药中间体。

据介绍，这些医药中间体几乎可用于生产所有类型的甾体药物。其中，9α-羟基雄甾-4-烯-3，17-二酮和C20-甲羟基孕甾生产菌种的构建成功，填补了国内空白，特别是C20-甲羟基孕甾为国内外首次通过代谢工程获得的高产菌株，投料水平高达60～100g/L，达到国际领先水平，该中间体是生产肾上腺皮质激素的良好原料，有望大幅提高我国肾上腺皮质激素的生产水平和市场竞争力［6］。

二、腐植酸的多官能团（药效团）结构

腐植酸的官能团，也可称为药效团，它主要有羧基（—COOH）、酚羟基（OHph）、醌基，其次是—OH、—OCH3、非醌羰基、氨基（—NH2）等。随着腐殖化程度的加深，芳香核的缩合程度逐渐增加，桥键逐渐变少变短，含氧官能团增多。腐植酸的多官能团对内通过若干结构单元之间的桥键（配位键和共价键）连接，构成腐植酸大分子；对外可以与其他糖类、脂质化合物、芳香族化合物、酸、碱、盐及金属化合物发生缩合、水解、置换（交换）、中和、氧化还原等反应，构成腐植酸产品涉足农业、农药、材料等有多样的属性。

三、腐植酸的胶体性质和分散性质

腐植酸分子之间由氢键、静电引力、电荷转移、范德华力、自由基可逆偶合以及金属离子桥等各种作用力相缔合，并以物理或化学形式吸附单体蛋白质、氨基酸等，在固体状态下，腐植酸大分子既有按一定规律排列的缩合芳香层片［其平面直径（La）和轴向距离（Lc）为10～15Å（1Å=0.1nm，下同）］，又有无序组合的脂肪族、官能团和其他组分，并由表面化学或其他胶体化学作用形成大分子胶体悬浮体，表现出高度的聚电解质性质和反应性，以及海绵状、多孔性、酸性等物理吸附特性。

腐植酸结构中既有亲水基团（羧基、醚基等），又有疏水基团（芳核、脂肪链、酯基等），使它具有胶体化学和表面分散性质［6］。

四、腐植酸的多糖组分

多糖源于植物纤维素、半纤维素聚集体，是腐植酸前体物木质素的伴生物。木质素包围着纤维素、半纤维素，以增强植物组织的机械强度。木质素具有芳香结构特征，是以苯基丙烷为基本骨架（单元）构成的三维空间聚合体。木质素也含有酚羟基、羰基、甲氧基等活性基团，在植物纤维降解过程中，部分木质素会氧化成腐植酸，而在泥炭沼泽中微生物的作用下，木质素也会缩合形成更大的分子。由纤维素、半纤维素和木质素构成的植物细胞壁结构组成见表1-1。

纤维素葡聚糖（C6H10O5）n在生物质降解过程中由高聚糖变成低聚糖，或者二糖、单糖结构。如纤维素降解生成的葡萄糖单糖的分子式为C6H10O5。半纤维素（C5H8O4）n是戊聚糖（木聚糖、阿拉伯聚糖）、糖醛酸（葡糖醛酸、半乳糖醛酸）等的总称。在植物死亡后容易在各种细菌的作用下分解，参与矿源腐植酸的形成。

多糖结构在天然腐植酸中数泥炭腐植酸的含量高，生物质制生化腐植酸的过程中占的比例较天然煤炭腐植酸更高些。近年，匈牙利Vucskits和美国Vetvicka等发表的论文中涉及了黄腐酸对内分泌造成的甲状腺慢性病有药效，也从侧面提醒腐植酸成药中不一定要排斥糖苷，这对扩大药用级腐植酸的资源是非常有利的［5，6］。

通常，生物质原料在分离脱除多糖后，以木质素为原料，将其羰基、甲氧基，甚至次甲基等氧化成羧基，该氧化腐植酸的结构性能很接近天然矿源腐植酸，也容易进一步形成高端的合成腐植酸。

五、腐植酸中蛋白质、多肽及氨基酸组分

蛋白质是构成植物细胞原生质的基本物质。一般由高等植物遗骸转变的低阶煤腐植酸的蛋白质含量不高，但低等植物（如菌类、藻类）转变的低阶煤腐植酸的蛋白质含量较高，在选择生物质原料降解制生化腐植酸的过程中蛋白质占的比例更高些。泥炭水解生产单细胞蛋白在多家高校和科研院所都进行过研发［7，8］。

蛋白质的单体主要是脂肪族氨基酸，其通式为：HOOC-R-CH2NH2，蛋白质中的芳香族氨基酸有色氨酸、组氨酸等，但比例不高。氨基酸通过肽键（—NH—CO—）、硫醚键（—S—S—）、脒键（—N=C—），或酯键、氢键连接。蛋白质有碱性基团（—NH2）和酸性基团（—COOH），是亲水性很强的胶体物质。蛋白质在兼氧条件下可水解成氨基酸等氮化物。在厌氧条件下部分生成蛋白质的中间体——多肽，其结构中也含有—NH、—COOH、—OH、—SH等。

蛋白质自组装是合成生物学和纳米生物技术领域的研究热点。在自然界，细胞通过漫长的进化获得了许多按一定的空间结构组装在一起的多酶复合体，在这些复合体中，酶与酶之间可以形成底物通道，减少中间产物（尤其是有毒物质）的扩散，以达到高效的胞内催化功能，在细胞代谢过程和生命活动中发挥着重要的作用。模拟天然的多酶复合体，在胞内人工构建超分子多酶体，是生物催化和合成生物学领域的一个重要研究方向。

泥炭腐植酸、生化腐植酸等含有单细胞蛋白，利用蛋白质同源自聚的特性，与未组装的相比，泥炭腐植酸、生化黄腐酸及有关药用黄腐酸经过特殊的加工技术可以具有纳米或微米尺寸结构。研究显示，一般纳米增效肥料在粮食作物上可增产10％～20％，腐植酸纳米增效肥增产可达25％～58％，纳米技术可能是解决未来世界粮食增产的主要途径。

据预测，2030年中国人口达到16亿时，需要在现有粮食水平的基础上再增加15.3％的粮食产量，在不增加土地面积和肥料产量的基础上，只有生产纳米肥料、药肥、生物农药等，才能满足世界人口增长与粮食供应问题［8］。

六、腐植酸的维生素组分

维生素即维持生命的物质。通常分维生素A，维生素B，维生素C，维生素D，维生素H，维生素P，维生素PP，维生素M，维生素T，维生素U，水溶性维生素。腐植酸中的维生素取决于原料的舍取。如由果蔬绿叶菜残余物发酵形成的腐植酸中，维生素C的含量多点；由谷物麸皮、藻类、食用菌棒、椰壳等发酵形成的腐植酸中，β-胡萝卜素多些，其中维生素B6、K等也可由动物肠道内的细菌合成，动物细胞可将色氨酸转变成烟酸（一种B族维生素），通过新陈代谢渠道，成为腐植酸的组成部分。几种腐植酸维生素的化学结构可见图1-4。

腐植酸中的维生素是维持和调节植物机体正常代谢的重要物质，是腐植酸中的“生物活性物质”。腐植酸中的维生素不但起着营养组分的作用，还起着桥键等作用，可选择性地形成合成腐植酸。腐植酸中的维生素结构在生物质制生化腐植酸（功能腐植酸）中占的比例较高，在某些天然泥炭腐植酸中，或选择性取材或合成的功能腐植酸中，形成维生素的比例也高于其他腐植酸。