苹果酸的应用研究进展

门靖，杨芳，牛国龙，温锦荣，郭洁芬，梁春梅，吴英纪，孙洋娟

（西安万隆制药股份有限公司，陕西 西安 710119）

苹果酸（Malic Acid，MA）是具有生理活性的一种二元羧酸（Dicarboxylic Acid），化学名称为2-羟基丁二酸（2-Hydroxysuccinic acid）[1-2]。苹果酸是一种安全、无毒、无害、可食用的有机酸，在生物体新陈代谢、疾病预防、新型材料研发、医药载体方面发挥着重要作用，广泛应用于医药、化工、食品、生物、材料等工业领域[3-4]。

笔者基于近五年苹果酸的应用研究，对矿物调整剂、水凝胶微球、超支化聚合物、织物抗皱整理剂、仿生粘合剂、pH 调节剂等领域中苹果酸的最新应用进行综述性报道，总结了苹果酸的应用实例，同时展望了其发展前景。

1 苹果酸的应用研究

苹果酸除具有前述药理活性特性外，由于分子含有2 个羧基和1 个羟基，是一种高反应活性的工业原料，具有可与多种金属离子络合、自身发生聚合、易于官能基化学改造等优势，近年来成为工业领域研究与开发的热点之一，取得了较为丰硕的成果。

1.1 苹果酸在矿物浮选抑制剂中的应用

图1 苹果酸的应用网络图Fig.1 The application network of malic acid

矿物调整剂（Mineral Regulator）是一种用来调整捕收剂的作用及介质条件，可控制矿物与捕收剂效果的一种辅助药剂（Auxiliary Agent）。主要包括促进欲浮废物颗粒与捕收剂作用的活化剂（Activator）、控制非欲浮颗粒可浮性的抑制剂（Inhibitor）、促使料浆中非欲浮细粒成分分散状态的分散剂（Dispersant）、使料浆中欲浮细粒联合变成较大团粒的絮凝剂（Flocculant）等等。矿物调整剂针对同一种药剂，在不同条件与工艺下，往往发挥不同的作用[5]。浮选过程经常是在捕收剂和调整剂的良好配合下才能获得高的技术指标。矿物浮选抑制剂通常具有从溶液中消除活化离子、消除矿物表面的活化薄膜、在矿物表面形成亲水的薄膜，提高矿物表面的水化性，削弱对捕收剂的吸附活性等作用[6]。

张崇辉等开发了一种黄铜矿浮选方法及其新型的苹果酸复合抑制剂。该发明主要包括以下几个步骤：首先调整黄铜矿浆pH 值；再向矿浆中加入复合抑制剂；最后依次加入捕收剂和起泡剂后进行浮选。实验获得了最优工艺参数：pH=10，优选硫酸铜和硫代苹果酸为复合抑制剂（质量比为1∶1），复合抑制剂用量为800 mg/L；矿浆浓度20%～40%；选择黄药或煤油为捕收剂，黄药用量为200～500 mg/L，煤油用量为500～1 500 mg/L。该研究首创了铜离子强化的硫代苹果酸复合抑制剂，在含铜矿浮选领域应用效果良好，为开发离子和巯基类化合物复合抑制剂的研究提供了技术参考。

1.2 苹果酸在水凝胶微球中的应用

水凝胶微球（Hydrogel microspheres）是一类亲水性极强的三维网络结构的凝胶，分子内部存在交联网络的特殊结构，其在水中可以迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。近年来水凝胶在生物移植材料（Biological transplantation Materials）、吸附细菌毒素的纳米海绵（Nano Sponge）、软骨修复手术（Cartilage Repair Surgery）、超高强度水凝胶工程材料（Ultra-high Strength Hydrogel Engineering Materials）、特种生物材料（Special Biomaterials）等领域研究十分活跃[7]。

解万翠等[8]开发了一种基于苹果酸-壳聚糖纳米孔水凝胶微球的制备方法。其制备主要有以下步骤：首先将苹果酸与壳聚糖制成水溶胶，形成交联网络结构；然后加入纳米二氧化硅、甘油、氢氧化钠搅拌均匀，在碱性条件下纳米二氧化硅溶解后形成均匀分布的纳米孔；最后经洗涤、冷冻干燥以及研磨过筛制得苹果酸-壳聚糖纳米孔水凝胶微球（见图2）。研究表明该苹果酸-壳聚糖纳米孔水凝胶微球可以作为高效吸附剂，对水体中麻痹性贝类毒素吸附脱除效果良好，可应用于制备麻痹性贝类毒素生物吸附剂，保障水产食品安全领域。

图2 苹果酸-壳聚糖纳米孔水凝胶微球制备示意图Fig.2 The schematic diagram of preparation of malate chitosan nanoporous hydrogel microspheres

马争发等[9]以聚乙烯醇和聚苹果酸为原料，经冷冻-解冻法（Freezing/Thawing）制备了一种新型复合水凝胶。实验采用红外吸收光谱研究发现复合水凝胶内聚乙烯醇和聚苹果酸的分子间是以氢键结合，电镜扫描观察到复合水凝胶呈现出较大孔径的三维立体结构。研究指出聚乙烯醇和聚苹果酸复合水凝胶展现出良好的生物相容性及抗菌活性，对大肠杆菌和金黄葡萄球菌均具有良好的抑菌效果、无细胞毒性。

1.3 苹果酸在超支化聚合物中的应用

超支化聚合物（Hyperbranched polymer）具有优异的螯合、吸附及分散能力，使用过程中表现出较高的溶解度、高化学反应活性、低黏度等线型聚合物所不具有的特殊性能，在特种薄膜制备（Preparation of Special Films）、高分子液晶（Polymer Liquid Crystals）、药物释放体系（Drug Release Systems）、荧光传感器（Fluorescent Sensor）等许多方面显示出巨大的应用优势。此外，超支化聚合物可对工业管路中水垢形成和结晶过程产生良好的抑制效果，是应用广泛的一类阻垢剂[10]。

龚伟等[11]设计建立了一种含有大量末端羧基活性官能团的超支化聚合物，并将该聚合物应用于阻垢剂领域中测试其性能。实验过程中采用选择苹果酸为AB2 型共聚单体，三羟甲基丙烷为中心核，利用熔融聚合法制备了一种新型的苹果酸型超支化聚合物（见图3）。实验测试结果表明：苹果酸型超支化聚合物分散性能良好，可充分地与硫酸钙分子结合，其作用机理是通过降低水垢结晶度来抑制结垢能力，从而对硫酸钙水垢晶体的生长过程发挥明显的抑制作用。

图3 苹果酸型超支化聚合物与硫酸钙作用机理图Fig.3 The interaction mechanism between malic acid hyperbranched polymer and calcium sulfate

1.4 苹果酸在织物抗皱整理剂中的应用

黄钢等[12]开发了一种棉织物抗皱整理剂（Antiwrinkle Fabricfinishing Agent）。该抗皱整理剂主要由苹果酸9.0～21.0 g/L、马来酸9.0～21.0 g/L、1，2，3，4-丁四羧酸0-35.0 g/L、催化剂24.0～36.0 g/L、柔软剂1.0～6.0 g/L、渗透剂0.2～0.8 g/L 和水组成。实验结果表明：上述催化剂优选为次磷酸钠、柔软剂优选为硬脂酸三乙醇胺酯季铵盐。测试结果表明该棉织物抗皱整理剂整理后的棉织物抗皱效果好、不会释放甲醛、不易褪色。

1.5 苹果酸在仿生粘合剂中的应用

仿生粘合剂（Bionic Adhesive）具有良好的生物降解性能、创伤小、使用便捷等优势，在临床上具有较大的应用潜能。唐友红等[13]以L-天冬氨酸通过内酯开环聚合法自制聚苹果酸（Poly Malic Acid，PMLA）作为高分子骨架，通过酰胺化反应将多巴胺分子构筑到聚苹果酸分子中，获得了一种既具有良好粘合性能又具有优异生物相容性的贻贝仿生粘合剂。实验结果表明：聚苹果酸-多巴胺分子中多巴胺的取代度可达到21.3%，搭接剪切试验测得粘合剂对猪皮的粘合强度为22.68 kPa，优于目前市场上常用的生物医用粘合剂纤维蛋白胶15.38 kPa 的粘合强度，同时对不锈钢与玻璃亦有很好的粘合性能。该贻贝仿生粘合剂无细胞毒性，降解性能良好，对皮肤组织的粘合强度较优。该仿生粘合剂对无机材料间的粘接、医学领域的伤口粘合均具有良好的应用潜力。

1.6 苹果酸在pH 调节剂中的应用

pH 调节剂（pH Regulators）也被称作酸度调节剂（Acidity Regulators），在工业过程中发挥维持或改变化合物体系酸碱度[14]。麻成金等[15]开发了一种基于苹果酸的香瓜西瓜复合饮料。较优的配方工艺为：混合果汁用量为50%，pH 值控制在3.8～4.0，混合压力30 MPa，灭菌温度 80 ℃，灭菌时间20 min，在该工艺条件下制备的香瓜西瓜复合饮料口感良好、清爽宜人，其工艺生产流程图见图4。

图4 香瓜西瓜复合饮料的制备工艺流程图Fig.4 The flow chart of preparation process of compound beverage of muskmelon and watermelon

1.7 苹果酸在酯化纳米纤维素中的应用

纳米纤维素（Nano-cellulose）是一种不仅具有纤维素密度小、结晶度高、良好的力学性能等特点，还拥有比表面积大、极强的亲水性、优异的光学特性、绿色环保、可再生等优势，是应用前景广阔的特种材料[16]。酯化纳米纤维素（Esterified Nano-cellulose）是通过酯化改性的新型纳米纤维素材料，可进一步提高产品附加值的同时具有可改善易团聚、容易受潮等缺点，是纳米纤维素领域研究的热点之一。

王玮等[17]开发了一种新型苹果酸酯化纳米纤维素的制备方法。实验选取纳米纤维素为原材料，采用蒸馏体系对其进行加热至110 ℃后，加入适量的L-苹果酸以及催化剂一水合硫酸氢钠，反应时间优选6～10 h 即可获得L-苹果酸酯化纳米纤维素粗品，再采用去离子水进行离心洗涤三次可将体系未反应的L-苹果酸去除完全。该制备过程操作简便、后处理简单、工艺绿色环保、反应条件温和，制备的L-苹果酸酯化纳米纤维素可应用于生物、医疗、食品包装、食品添加剂等领域。

1.8 苹果酸在非离子表面活性剂中的应用

松香（Colophony）是一种松树科植物中的油树松脂，属于我国天然的优势资源。松香主要成分为树脂酸，其为不饱和酸，分子中含有共轭双键，具有强烈吸收紫外光的特性，在空气中能自动氧化或诱导后发生氧化反应，稳定性较差，限制了其进一步使用。歧化松香（Disproportionated rosin）是在催化剂存在下，借助无机酸和热的作用，使松香分子的一部分被氧化，另一部分被还原，主要成分为脱氢松香酸、二氢松香酸和四氢松香酸[18-19]。歧化松香具有良好的稳定性能，在橡胶工业中乳化剂、表面活性剂原材料、工业电路板清洗、纺织工业中阻凝剂、日化洗涤剂及聚酯纤维材料中应用研究颇为广泛。

韦瑞松[20]等在微波辐射条件下，以歧化松香、聚乙二醇和苹果酸为原料制备了一种新型非离子表面活性剂（Nonionic Surfactant）歧化松香聚乙二醇苹果酸酯化合物（见图5）。目标产物歧化松香聚乙二醇苹果酸酯的最佳条件为：反应时间1.0 h，反应温度140 ℃，微波功率800 W，苹果酸酯化率达94.57%。歧化松香聚乙二醇苹果酸酯的临界胶束浓度为0.2%，表面张力41.52 nM/m，研究表明中间体和目标产物均具有良好的乳化性能和泡沫性能，可作为性能优良的新型非离子表面活性剂应用。该研究工作为松香的深加工探索以及拓展微波绿色合成方法提供了借鉴意义。

图5 歧化松香聚乙二醇苹果酸酯的合成路线图Fig.5 The synthesis route of disproportionated rosin polyethylene glycol malate

1.9 苹果酸在制药工程中的应用

田大丰[21]选择苹果酸与壳聚糖为原料，采用离子交换法制备了苹果酸修饰的壳聚糖与苹果酸壳聚糖复合物。实验中以非洛地平为模型药物，选择苹果酰化壳聚糖为阻滞剂，制备了非洛地平凝胶缓释片。测试结果表明：苹果酰化壳聚糖在非洛地平缓释片中与市售制剂采用的缓释辅料作用相当，可作为良好的缓释辅料。又以L-苹果酸为原料合成了苹果酸乳酸共聚物、苹果酸聚乙二醇共聚物及苹果酸硬脂酸共聚物。以盐酸洛美沙星为模型药物，采用薄膜-超声法，以苹果酸乳酸共聚物为主要辅料，制备了甲砜霉素眼用原位凝胶、盐酸洛美沙星眼用微球和甲硝唑牙周缓释凝胶，体内药物动力学研究表明该药物制剂达到预期目的，该研究显示了苹果酸类共聚物在药剂学领域的应用潜力。

Brossard 等人[22]合成了一种具备良好的生物相容性的聚苹果酸苄基酯纳米粒，其直径小于150 nm，表明带有一定量的负电荷，并将嗜肝病毒A（GBVA10-9）和疟原虫环子孢子蛋白（CPB）衍生肽移植其纳米粒中，在诊断和/或治疗肝细胞癌方面显示出应用前景。Zhang 等人[23]研究指出苹果酸聚合物拥有多种化学功能和生物相容性，可作为核苷酸、蛋白质、化疗药物等分子的理想载体，并可通过血脑屏障等生物屏障提供多模式治疗。Qiao 等人[24]开发了基于聚（β-苹果酸苄酯）-b-聚乙二醇胶束，研究表明该化合物可与药物分子之间通过π-π 堆积相互作用以提高载药量（＞20 wt%），且具有较好的稳定性，其与药物结合自由能较强，细胞穿透能力提升。

苹果酸单体可通过酯键聚合构筑高分子聚酯化合物β- 聚苹果酸（Poly β-malic Acid，PMLA），PMLA 分子结构中拥有多个反应活性的羧基官能团，具有良好的生物相容性和可降解性。研究表明，PMLA 在生理条件下显示出无免疫原性、高自发降解速率和高溶解性等特性，可提高药物治疗效果[25]。郭松岩[26]基于PMLA，引入细胞穿膜肽（TAT）增强其入胞性能，再连接聚乙烯醇（PEG）使其获得特异选择性，合成了一种肿瘤高效入胞特性的纳米接枝物体系（PMLA-PEG-TAT）。PMLA-PEG-TAT 应用于抗肿瘤药物运载体系具有良好的安全性。利用分子的羧基与抗肿瘤抗生素药物阿霉素（Doxorubicin，Dox）分子中的氨基成酰胺键可引入药物形成纳米载药系统（PMLA-PEG-TAT-Dox，见图6）。PMLAPEG-TAT-Dox 可在酸性条件下水解促使酰胺键断裂释放出阿霉素，该纳米药物载体可进入人体细胞，在水解条件下释放药物，且对药物具有控释性。该研究为PMLA 在纳米药物载体中的应用提供参考。

图6 PMLA-PEG-TAT-Dox 纳米载药系统合成路线图Fig.6 The synthesis route ofnano drug loading system of PMLA-PEG-TAT-Dox

1.10 苹果酸在其他领域中的应用

热塑性塑料（Thermosoftening Plastics）是具有优异的可塑性能，其冷却后可固化且能重复这种过程的塑料制品。热塑性塑料通常具有高分子量，分子结构特点为线型高分子化合物，呈现出良好的弹性和耐压缩变形性，耐环境、耐老化性，应用温度范围广，绿色环保，可回收使用等优势[27]。

Grant 等[28]选择以苹果酸为起始原料，首先经浓硫酸加热作用获得2-吡喃酮-5-羧酸，即为香豆酸（Coumalic Acid），再与多种脂肪族醇酯化反应制备香豆酸酯类化合物。然后经钯炭催化还原获得二氢香豆酸和甲基戊二酸混合物，甲基戊二酸可以通过提取分离去除。二氢香豆酸是一种优良的内酯单体，可进一步与苯甲醇在催化下开环聚合获得预期聚合物聚4-羧烃氧基-戊内酯（见图7）。该研究工作从苹果酸成功制备了一系列拥有强抵抗形变能力的热塑性塑料。同时，实验研究表明该聚合物存在两种聚合方式：一种是端位羧基进攻主链上的羰基进行聚合获得主链聚酯化合物，另一种是端位羧基进攻侧链上的羰基进行聚合获得侧链聚酯化合物（见图8）。

图7 苹果酸制备热塑性塑料合成路线图Fig.7 Thesynthesis route of thermoplastic from malic acid

图8 苹果酸热塑性塑料聚合机理图Fig.8 Thepolymerization mechanism of malic acid thermoplastic

2 结论与展望

苹果酸作为一种绿色、无毒害、高反应活性的有机二元羧酸，在生物体新陈代谢、新型材料研发、医药化工高附加值开发等领域发挥着重要作用，已经获得广大科研人员的认可。

目前，随着工业领域的迅猛发展，开发高性能的苹果酸复合材料是发展趋势，尤其在矿物调整剂、超支化聚合物、织物抗皱整理剂、pH 调节剂、酯化纳米纤维素、非离子表面活性剂领域应用活跃，这些领域中对苹果酸质量控制主要关注富马酸、琥珀酸等有关物质（通常均不超过0.50%）以及生产成本，利用微生物发酵法生产苹果酸可以满足该领域要求。微生物发酵法生产苹果酸的原料可采用山芋粉、木薯干、玉米粉等淀粉质原料、甘油、纤维素、工业用葡萄糖等，具有原料种类丰富可再生、廉价易得、高效、绿色环保等优势，但产量、纯度有待提升。微生物发酵法生产苹果酸应提高筛选或适应性进化获得更多的可再生资源菌株，改造菌株原有的合成代谢途径等方式来提高苹果酸发酵产量是研究方向。

水凝胶微球、仿生粘合剂是近年来发展快速的医药化工领域，其对苹果酸质量提出了更高的要求，除控制富马酸、琥珀酸杂质外，还关注马来酸、炽灼残渣、硫酸盐、砷盐等理化指标。发酵法产量较低、副产物较多，对制备高纯度苹果酸有一定的局限性，制备高纯度苹果酸往往需要通过化学法精制纯化。化学法制备苹果酸可采用乙酸乙酯、丙酮、甲基叔丁基醚、乙醇等有机溶剂重结晶方法，产率高、纯度高，但溶剂消耗量大、废液处理困难。探索合适的苹果酸纯化工艺、开发绿色环保的精制溶剂是其发展方向。

未来相信随着生物工程、化学工程、材料科学等学科的快速发展，开发绿色、高效的苹果酸制备工艺、开发苹果酸高附加产品，从而加大应用领域的开发与利用是苹果酸应用的研究方向。毋庸置疑，随着对苹果酸应用的不断探索，苹果酸必将发挥巨大的市场潜力和带动更大的经济效益。