1,3-二羟基丙酮又称二羟基丙酮，简称DHA。是多羟基酮糖（最简单的酮糖），是带有甜味的白色粉末状结晶；易溶于水、乙醇、乙醚和丙酮等有机溶剂，熔点为75-80℃，水溶性>250g/L(20℃)，在pH为6.0时稳定。

1,3-二羟基丙酮基本理化性质分析

产品用途：据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国1,3-二羟基丙酮市场研究及投资建议预测报告》统计数据显示：1,3-二羟基丙酮是一种重要的化工原料和医药中间体，含有一个羰基和两个羟基，化学性质活泼，广泛应用于化工、医药、化妆品、食品等领域。其用途可分为直接用途和间接用途两种：

（1）直接用途：二羟基丙酮是一种天然存在的酮糖,具有生物可降解性,可食用且对人体和环境无毒害,是一种具有多功能的添加剂,可用于化妆品、医药和食品行业。

①用于化妆品工业：二羟基丙酮主要用作化妆品的配方原料,尤其作为防晒霜有特殊效果,能阻止皮肤水分的过度蒸发,起到保湿、防晒和防紫外线辐射的作用。另外,DHA中的酮官能团可与皮肤角蛋白的氨基酸和氨基基团起反应形成褐色聚合物,使人们皮肤产生一种人造褐色,所以还可用作日晒肤色的模拟剂,得到看起来与长时间暴露于太阳光下所得结果一样的棕色或棕褐色的皮肤,使其看上去很美。

②提高猪的瘦肉率：二羟基丙酮是糖代谢的中间产物,在糖代谢过程中起着重要作用,具有降低猪体脂肪的作用,提高瘦肉率。日本科技人员经过试验证明,在猪饲料中加入一定量的DHA和丙酮酸盐(钙盐)的混合物(按3：1的重量比配合),能减少猪背肉的脂肪含量12%-15%,腿肉和背最长肌肉的脂肪含量也相应减少,蛋白质含量增高。

③用于功能性食品：补充二羟基丙酮(特别是和丙酮酸联用)能够提高机体代谢率和脂肪酸氧化,可潜在地有效燃烧脂肪而降低体脂和延缓体重获得(减肥作用),并减少相关疾病的发病率,也可以改善胰岛素敏感性和降低高胆固醇膳食所致的血浆胆固醇水平,长期补充可使血糖利用率增加而节省肌糖元,对运动员则可以提高有氧耐力成绩。

④其它用途：二羟基丙酮还可直接作为一种抗病毒试剂,如在鸡胚胎培养中,使用DHA能大大抑制鸡瘟病毒的感染,杀死51%-100%的鸡瘟病毒。在制革工业中,DHA可作为皮革制品的保护剂。另外,以DHA为主要成分的保鲜剂可用于果蔬、水产品、肉制品的防腐保鲜等。

（2）间接用途：二羟基丙酮分子中含有3个官能团(2个羟基、1个羰基),化学性质活泼,能广泛参与诸如聚合、缩合等反应,是一种重要的医药、农药合成中间体。与脒、亚胺基醚类等物质反应,可制得咪唑、呋喃等杂环化合物；通过酯化反应可制得各种甘油三酯；还可合成酮位取代化合物。

其衍生物也是有机合成化学中一类非常重要的中间体,用途极其广泛:经生物或化学法还原可得到具有光学活性的仲醇；用于羟醛缩合反应制取各种手性化合物；直接用于光化学反应中的Diels-Alder加成反应制备糖类化合物；与2,2-二烷氧基环丙烷衍生物作用制备内酯。

此外,以其衍生物为中间体合成的一些化合物,还具有治疗心血管疾病、糖尿病和抗病毒活性(如艾滋病)的作用等。

中国1,3－二羟基丙酮产品工艺特点或流程：

（1）1,3-二羟基丙酮的生物合成途径：涉及DHA 生物合成的生化反应主要有3 种:

①第一种生化反应以甘油为底物，在甘油脱氢酶的作用下经甘油脱氢形成DHA。很多微生物如氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)、木醋杆菌(Acetobacter xylinum)、大肠杆菌(Escherichia coli)、产气克雷伯氏菌(Klebsiella aerogenes)、弗托氏葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter frateurii)等均具有这种功能。

微生物中通常含有3种类型的甘油脱氢酶：

1)依赖NAD+的GDH (EC1.1.1.6)，主要存在于细胞质中，先将甘油转化为DHA，DHA进一步磷酸化，进入糖酵解和三羧酸循环途径。

2) 依赖NADP+的GDH (EC1.1.1.72和EC1.1.1.156)，多存在于霉菌和动物组织中，可将甘油氧化为甘油醛或DHA。

3) 既不依赖NADP+、也不依赖NAD+ 的GDH(EC1.1.99.22)，该酶位于葡萄糖酸杆菌属的细胞膜上，如弱氧化葡萄糖酸杆菌、氧化葡萄糖酸杆菌等。

在上述菌种中，GDH (EC1.1.1.6) 和GDH(EC1.1.99.22)经常会同时存在。甘油氧化生成DHA具有2 条途径：

1) 甘油在膜结合甘油脱氢酶的作用下在周质空间生成DHA，形成的DHA 直接释放到培养基中，该反应无需ATP 和辅因子NAD+，当胞内糖酵解途径及三羧酸循环缺乏时，该途径可为细胞生长及其他代谢过程提供能量。

2) 甘油进入细胞内，在胞内甘油脱氢酶的催化下生成DHA，然后转变为磷酸二羟丙酮(DHAP)；也可在磷酸激酶催化下形成3-磷酸甘油，再经3-磷酸甘油脱氢酶催化生成DHAP，DHAP 进入磷酸戊糖循环途径，该过程需要ATP 及辅因子NAD+。此外，甘油在细胞膜上也可被膜结合乙醇脱氢酶催化形成甘油酸。

甘油在氧化葡萄糖酸杆菌中的代谢途

②第二种生化反应是以甲醇为底物，在二羟基丙酮合成酶的作用下形成。具有该功能的微生物包括两类：一类为仅包含DHA合成酶的甲醇营养型酵母，如多形汉逊酵母(Hansenula polymorpha)等；另一类是既能产生甘油脱氢酶又能产生DHA合成酶的甲醇营养型酵母，如膜璞毕赤酵母(Pichiamem branifaciens)。在甲醇营养型酵母中主要通过木糖单磷酸途径生成DHA，即甲醇首先氧化成甲醛，然后与5-磷酸木酮糖在DHA合成酶的作用下生成DHA和3-磷酸甘油醛。

甲醇营养型酵母中的代谢途径

③第三种生化反应以果糖为底物转化得到。该类反应存在于运动发酵单胞菌的ED途径，在代谢果糖生成乙醇的过程中会伴随副产物DHA的产生，其反应实质是3-P-甘油醛→磷酸二羟基丙酮→DHA。

（2）主要菌种改造：研究发现：氧化葡萄糖酸杆菌是一种革兰氏阴性专性好氧菌，属于醋酸杆菌家族，因该菌生产性能相对稳定，可通过膜结合甘油脱氢酶一步法转化甘油生成DHA，且DHA能快速释放到发酵液中，因此成为目前生产DHA的首选工业菌株。

当前，生物法转化甘油生产DHA存在以下几方面的问题：底物抑制、产物抑制和溶氧限制。研究发现，高浓度的底物甘油会影响菌株生长和甘油转化率。因此，生物转化过程中，溶氧影响着菌体的最终生物量和代谢产物的终浓度。目前，在氧化葡萄糖酸杆菌生产1,3-二羟基丙酮工艺上，国内外优势生产企业主要采用菌种改造（传统菌种选育、基因工程技术改造菌种）方法，克服以上问题。

（3）DHA 生物合成艺对比：甘油生物转化生产DHA 的生产工艺包括发酵法、静息细胞催化法、固定化细胞法等。这些方法各有优缺点，但都存在着底物抑制、产物抑制、溶氧限制等问题。

①传统发酵法：发酵法生产DHA 是在含有甘油的培养基中接入菌种，发酵后从发酵液中提取DHA。该方法优点是菌体生长与甘油转化相偶联、操作简单、易于控制，缺点是底物甘油存在抑制。

②静息细胞催化法：静息细胞催化法生产过程分为2个阶段：细胞培养阶段和甘油催化阶段。该方法可一定程度消除甘油对产物的抑制作用，缩短反应时间，便于分离纯化， 缺点是操作过程较复杂。

③固定化细胞法：固定化细胞法具有细胞可重复利用、易于产物分离、稳定性好、细胞活性可长期保持等优点，然而也存在氧气不易扩散、对介质依赖性大等缺点。

（4）DHA 提取分离方法对比：生物转化法生产DHA，由于DHA在水相溶解度大、热敏，因此分离提取成本高、能耗大。目前市场上DHA提取分离方法包括浓缩结晶法、溶剂萃取法、膜分离法、醇沉蒸发-结晶法等。

①浓缩结晶法：浓缩结晶法的难点在于DHA在水中溶解度大、处理液粘度大，另外菌体、蛋白质等杂质也对DHA后续结晶造成困难。

②溶剂萃取法：溶剂萃取法根据溶质在不同溶剂中分配比率的不同来进行分离。张小飞采用强酸性树脂，通过加入乙醛与DHA发生可逆缩醛反应，与甲苯同步萃取耦合实现了DHA的有效分离。溶剂萃取法能耗低、生产能力强、分离效率高等，但是萃取过程中产生的缩醛产物水解困难、收率低、催化剂易受发酵液中盐离子的影响。

③膜分离法：膜分离法利用具有选择性的特殊半透膜分开溶液中的某些组分。DHA是小分子物质，可透过半透膜与发酵液中的大分子物质分离。冯屏等利用膜生物反应器连续发酵生产DHA，在生产过程中及时分离出产物和菌体，获得了较高的催化稳定性和生产效率，简化了分离纯化步骤。

④醇沉-蒸发结晶法：醇沉工艺常被用来提取或去除核酸、蛋白、多糖等大分子，向发酵液中加入乙醇可以沉降大分子，同时可回收有机酸盐等小分子物质，减少了分离提取步骤，降低了分离提取成本。

（5）总结：目前，DHA 的工业化生产主要集中于美国、日本、德国等发达国家。虽然中国起步较晚，但近年来也在传统诱变及基因重组工程菌构建、静息细胞催化、发酵过程优化、反应器选择等方面取得了显著成效。但相关技术还有待完善。因此，专家建议未来国内1,3－二羟基丙酮生产企业在生产工艺上：①开发优势菌种，直接以粗甘油为底物高效生产DHA；②挖掘更多基因信息，研究影响菌种生产DHA 的调控机制(辅因子调控)，揭示生产菌种全局代谢过程，利用代谢工程技术改造已有代谢途径，构建新的代谢途径；③根据菌种特性，优化生产工艺，降低底物和产物对菌种的抑制，优化分离提纯工艺，降低生产成本。