D-乳酸的主要应用

背景及概述^[1-2]

乳酸是葡萄糖无氧酵解的最终产物。分子式为CH₃CH0HC00H。当组织严重缺氧时三羧酸循环中丙酮酸有氧氧化障碍，丙酮酸还原为乳酸作用增强，血中乳酸增加，乳酸/丙酮酸比值增高，有的乳酸高达25mmol/L，这种极值的出现标志着细胞氧化过程的恶化。心肌组织含有丰富的乳酸脱氢酶(LDH)，对乳酸的亲和力大，有利于催化乳酸氧化生成丙酮酸，故心肌能利用乳酸作为“燃料”。在急性心肌梗塞、心功能失代偿、肺功能不全和休克时常见低氧血症，同时伴有高乳酸血症。全血乳酸测定常用分光光度法，参考值0.9～1.7mmol/L；血浆乳酸测定常用比色法，一般小于2.4mmol/L。乳酸存在L-乳酸和D-乳酸2种同分异构体(90%以上为L-乳酸)，临床测定的主要为L-乳酸，它是组织缺氧的敏感指标。而D-乳酸不同于L-乳酸，其在来源、代谢、排泄与临床意义上均具有独特性。近年来，对于D-乳酸以上独特性的研究与认识不断深入和提高。正常情况下，人体内的D-乳酸源于丙酮醛代谢，血液中含量甚微，当胃肠道细菌大量酵解、肠屏障功能发生障碍时，其含量可升达千倍，甚者导致D-乳酸酸中毒。既往研究认为D-乳酸由D-羟基-酸-脱氢酶缓慢代谢，且主要通过肾脏排泄。但近来报道，D-乳酸的代谢能力相对较高，并推测D-乳酸脱氢酶的存在。血中D-乳酸水平的增高也备受关注，它可能是脓毒症、创伤性休克、炎性肠病等一系列疾病的诊断指标。

来源^[2]

D-乳酸主要来源于以下3条途径：(1)丙酮醛途径：正常血清乳酸水平为1～2mmol/L。L-乳酸为主要成分，其源于丙酮酸的无氧酵解；D-乳酸仅为L-乳酸的1%～5%，其源于丙酮醛代谢。生理状态下丙酮醛含量极低，由碳水化合物、脂肪与蛋白质代谢而来，经乙二醛酶Ⅰ与Ⅱ催化转化为D-乳酸，如图1所示。(2)胃肠道酵解：D-乳酸可由胃肠道多种细菌酵解产生。正常情况下此途径生成的D-乳酸对机体不会造成酸碱失衡的威胁，因为肠道内存在其他细菌可将其转化为乙酸盐和短链脂肪酸。但肠屏障功能障碍时，该途径往往是D-乳酸酸血症或酸中毒的主要来源。(3)外源性的摄入：这包括一系列的发酵食品如腌菜、酸奶酪以及药物制剂等。最近发现，高含量的丙二醇(药物制剂或加工食品的一种溶剂)摄入可导致血中D-乳酸的增加，甚至出现严重代谢性酸中毒。

代谢与排泄^[2]

乳酸2种同分异构体的代谢产物均为丙酮酸。经L-乳酸脱氢酶催化，L-乳酸在肝脏中快速代谢。然而哺乳动物体内缺乏D-乳酸脱氢酶，D-乳酸代谢由D-α-羟基-酸-脱氢酶替代，速度缓慢。该酶是一种线粒体酶，仅在极狭小的pH范围内具备活性。据此推测，正常人体内D-乳酸含量很低，不足以激活相关酶类使之被分解代谢。但是，近来研究推定人类和哺乳动物的线粒体内存在D-乳酸脱氢酶。牛和鼠组织在体外具备大量利用D-乳酸的能力。在人体，肠外输注3.0mmol/kg量的D-乳酸则导致丙酮酸、丙氨酸、3-羟基丁酸盐和乙酰乙酸的蓄积。D-乳酸有补给作用，其从胞质进入线粒体膜的转运导致线粒体中草酰乙酸盐与苹果酸盐向胞质的逆向转运。这一转运过程中，D-乳酸被位于线粒体内膜上的疑似D-乳酸脱氢酶氧化。同时，研究发现D-乳酸经线粒体穿梭时存在3种新的转运体，即D-乳酸/H+共向转运体、D-乳酸/酮酸和D-乳酸/苹果酸反向转运体。关于哺乳动物D-乳酸的代谢和排泄物文献记载中颇有争议。传统的观点认为D-乳酸在哺乳动物体内不能代谢或缓慢代谢。这主要基于20世纪20年代晚期CORI等的实验，其表明D-乳酸代谢不充分，摄入的D-乳酸30%～40%经尿液排泄。

20世纪80、90年代的研究与早期的这一实验相悖，学者们应用D-乳酸或14C标记的D-乳酸，证明D-乳酸确实是易于代谢的。纳入10个受试者，输注1.0～1.3mmol/(kg·h)的D/L-乳酸，90%的D-乳酸被代谢，10%经尿排泄。DEVRESE等认为健康人口服6.4mmol/kg剂量的D-乳酸，其血浆半衰期为21min；若当剂量增加1倍，其半衰期增至40min，极可能反映了D-乳酸代谢已呈现饱和。且对比早前实验，仅有2%的D-乳酸在输注24h后经尿排泄。在鼠体，注入14C标记的D-乳酸，3.7%经肾排泄，而85%以14CO2的形式排出。这一实验的给药剂量(300μmolD-乳酸钠盐/kg体重)较Cori实验(19mmol/kg体重)要低，且为口服和腹腔注射给药，并非管饲法。鉴于给药剂量与途径的不同，两者比较尚有困难。尽管如此，一项后续实验中，以13.4mmol/kg的剂量采取同样的方式给药，仅有0.9%以原型经肾排泄，2.4%代谢后经肾排泄，30%～45%为14CO2，54%～68%的14C未能回收，可能代谢成丙酮酸或乙酰辅酶A，或者未能吸收而随粪便排出，或被肠道内细菌分解。

应用^[3]

1. D-乳酸在农药、医药等合成领域的应用

D-乳酸是多种手性物质的合成前体，广泛用于医药、农药和化工等领域的手性合成，也可以用于氨基酸的不对称合成。近年来芳氧丙酸类除草剂在农业中的应用越来越广泛，这类除草剂是国际上最早实现工业化生产的一大类旋光性除草剂，此类除草剂中有一个手性碳原子，其中D(-)型的药性比L(+)型高出6～12倍，合成这类除草剂最重要的原料是R-(+)-2-氯丙酸，以D-乳酸为原料可以制备光学活性的R-(+)-2-氯丙酸，即D-乳酸是制备这类除草剂的光学活性前体。乳酸甲酯是一种重要的羟基酯类化合物，既可作为手性物质的前体，同时也是一种优秀的工业溶剂，具有熔点高、蒸发速度慢、可与水及多种极性溶剂均匀混合的优点。以高光学纯度的D-乳酸（光学纯度97%以上）和甲醇酯化形成的D-乳酸甲酯可以用来合成R-1，2-丙二醇、R-2-羟基羧酸酯以及多取代脯氨酸等多种手性化合物，可合成重要的医药中间体。

2. D-乳酸在聚乳酸领域的应用

随着新型生物材料的普及推广，L-乳酸、D-乳酸在新材料的应用方面有了很大的发展。例如以乳酸为原料来制造聚乳酸类（PLA）生物降解塑料。聚乳酸以其良好的生物可降解性及其它优良的使用特性（如透明性、热塑性、产物安全性等）而被认为是理想的取代传统塑料的生物材料之一。根据聚合原料的差异，聚乳酸有聚L-乳酸（PLLA）、聚D-乳酸（PDLA）及聚D，L-乳酸（PDLLA）之分。由于PLLA的降解产物L-乳酸能被人体完全代谢，而且容易制备，所以一般生产的聚乳酸即指PLLA，但PLLA有很大缺陷，如耐热性较低、力学强度低、韧性差等[11]。从20世纪80年代起，日本的一些科学家和公司开始为提高聚乳酸的性能进行一系列的研究。1987年次报道了PLLA/PDLA形成的立体聚合物相对于单体的聚合物有不同的结晶结构。随后对PLLA/PDLA共混体系做了一系列的研究，包括共混体比例、分子量、共混条件等，研究显示PLLA和PDLA以1∶1比例形成的共混PLLA/PDLA复合物因为PLLA和PDLA链间强烈的相互作用，其熔点（Tm）可以达到220～230℃，比纯的PLLA或PDLA（170～180℃）高出约50℃。研究发现，PLLA/PDLA的比例为50/50时形成的PLA拥有最强的抗水解能力，因为这时氢键以及偶极-偶极之间的作用力最强。熔点的提高使聚乳酸可以使用在对耐热性有更高要求的领域，例如在纺织业，高熔点聚乳酸可以制造出能被熨烫的纤维。在共混PLLA/PDLA聚合物中，通过改变PDLA的添加量可以制备不同结晶性能的材料并且可以调控最终材料的降解速度。研究显示，PDLA作为单体与PLLA为基础的复合聚合物（PLLA-co-bisA）形成的立体聚合物有更好的结晶性能，包括更快的结晶速度以及能形成更稳定的晶体。而研究则发现以立体聚合PLA与聚乙烯醇形成的多孔渗水薄膜在碱性条件下可显著降低被水解速度。此外，对含有不同D-型异构体浓度的聚乳酸制成的纤维所做的研究表明聚乳酸中D/L异构体比例的不同不仅影响了纤维的形态和结晶度，对纤维的着色也有很大的影响

制备^[3]

1. 化学拆分

传统的化学合成法包括乙醛氢氰酸法、丙酸氯化水解法和丙烯-N2O4法等方法，化学法制备的乳酸全部为消旋体乳酸。化学拆分通过选择一种合适的手性试剂与外消旋体作用，把一对对映体变成两个非对映体再进行拆分。例如以D，L-乳酸为原料，加入等物质的量的天然生物碱试剂如吗啡碱等进行反应，经过分级结晶等步骤进行分离。但是化学拆分法的缺点是拆分剂太贵，成本高，分离困难，还存在较大的毒性和环境污染问题。

2. 微生物酶法

拆分脂肪酶具有高度的化学、区域和立体选择性，可催化酯类化合物分解、合成和酯交换。利用脂肪酶和混旋的乳酸酯反应（D，L-lacticacidester），脂肪酶可选择性水解L-乳酸酯键而不水解D-乳酸酯键，用有机溶剂萃取未水解的D-乳酸酯，随后再用化学水解方法水解D-乳酸酯键得到D-乳酸。此外来源于节杆菌属、假单孢菌属、芽孢杆菌属和棒状杆菌属等的微生物都拥有能立体选择性水解混旋乳酰胺（D，L-lactamide）的水解酶类，采用固定化细胞的方法在极性溶剂中可以选择性水解D-乳酰胺得到D-乳酸。

3. 微生物发酵法

微生物发酵法是目前制备乳酸的最主要方法之一。发酵法根据菌种不同可得到L-乳酸、D-乳酸和D，L-乳酸消旋体，目前对L-乳酸的研究已相当深入，其生产工艺和分离制备技术也非常成熟，D-乳酸的理化性质与L-乳酸极其相似，在生产工艺上可以借鉴L-乳酸成熟的路线，因而生产D-乳酸的关键在于高纯度D-乳酸高产菌种的选育。4.3.1D-乳酸生产菌种产光学纯D-乳酸的乳酸细菌主要分布在乳杆菌属（Lactobacillus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、芽孢乳杆菌属（Sporolactobacillus）和明串珠菌属（Leuconostoc）4个属。目前国内外研究较多的D-乳酸生产菌主要集中在乳杆菌属和芽孢乳杆菌属。这两类菌都是同型发酵菌，以葡萄糖为碳源，通过糖酵解途径生成丙酮酸，然后丙酮酸经D-乳酸脱氢酶作用生成D-乳酸。乳杆菌属和芽孢乳杆菌属的菌种都是专性或兼性厌氧菌，发酵耗能少，产量高，适合大规模化发酵生产D-乳酸。

主要参考资料

[1] 心脏病学词典

[2] 乳酸的生化特性及其临床研究进展

[3] D-乳酸制备研究进展