生物加氢技术的现状与展望： 从科学突破到美妆原料革新

在美妆行业，追求“天然、高效、安全” 的技术驱动浪潮中，活性原料的 “分子纯度” 与 “精准功效” 已成为核心竞争力。《精准护肤科学体系专家共识（2025 年）》明确指出，精准护肤需以皮肤科学为基础，精准锁定分子靶点并适配活性成分。

 

在此行业发展背景下，以烯还原酶生物（Ene-reductases，ERs）为核心的生物加氢技术，正在不断突破传统化学合成瓶颈，以 “绿色科技” 破解手性分子构型难题，为美妆行业提供高纯度、高活性、高安全性的光学纯原料，树立行业前沿技术应用的新标杆。

 

图1. 科学期刊最新发表的《非活化烯烃的生物催化、不对称自由基加氢》，来源：参考文献2

2023年11月24日，瑞士科学家Rebecca Buller和Uwe Bornscheuer在国际顶级期刊《科学》杂志发表重磅综述《From nature to industry: Harnessing enzymes for biocatalysis》（从自然到工业：利用酶进行生物催化），系统揭示了酶工程领域的最新突破。这项由德国格赖夫斯瓦尔德大学主导的研究显示，AI技术正彻底改变酶催化领域。

研究团队指出，AlphaFold2等AI工具已能精准预测酶结构，配合微流控高通量筛选技术，使新酶开发效率提升千倍。最令人振奋的是，科学家成功将这一技术应用于多个重大领域：新冠口服药Molnupiravir的绿色合成、PET塑料的酶解回收（已实现工业化）、以及将CO₂直接转化为淀粉等突破性成果。

2025 年 10 月，《科学》期刊上再次发表了一项生物催化领域的重大突破。由美国加州理工学院Frances H. Arnold教授团队领衔的研究，题为《Biocatalytic asymmetric radical hydrogenation of unactivated alkenes》（未活化烯烃的生物催化不对称自由基氢化反应），首次利用改造后的血红素酶实现了传统方法难以完成的非活化烯烃高效氢化：通过定向进化将血红素蛋白改造为 HATR-5 突变体酶，采用 “氢原子转移” 机制，在常温常压下实现非活化烯烃高效氢化，对映选择性达 98%，无需高压氢气且能精准实现氘代标记，为绿色化学提供了高效生物加氢前沿技术方案。

 

生物加氢技术的核心价值：破解手性分子难题

手性分子，是自然界普遍存在的结构特征，如同 “左右手” 镜像对称，分子结构类似，但却无法完全重叠，这种化学结构细微差异，却会显著影响美妆原料的功效活性与安全性。

 

图2. 烯还原酶在生物催化中的前沿应用，来源：参考文献5

例如，仅特定手性构型的原料，可被皮肤高效识别吸收，发挥靶向功效；另一构型可能无效，甚至引发皮肤刺激。仅以维生素 E 为例，天然 d-α- 生育酚为单一手性构型，生物利用度优异；而人工合成的 dl-α 生育酚，却含有 8 种光学异构体，有效成分仅占 50%，功效会大幅折损。

传统化学合成法，难以控制手性构型，常产生 “左右手” 混合产物，还伴随重金属残留、高能耗问题；在医药领域，光学纯度不达标的活性物，功效差异甚至可达数千倍。而前沿生物加氢技术，以 “生物催化” 为核心，能精准锁定有效手性构型，解决传统技术痛点，成为美妆原料创新的关键方案。

 

生物加氢 vs 传统化学加氢：技术特征对比

传统金属催化的化学工艺加氢，与生物加氢技术在安全性、纯度、成本等维度存在显著差异。相对于传统化学加氢工艺，生物加氢技术的优势已成为行业共识。从还原剂与安全性来看，传统金属催化化学加氢依赖高压氢气，不仅存在易燃易爆的安全隐患，还对生产设备的耐压性提出极高要求；而生物加氢技术以 NAD (P) H 为还原剂，反应在常温常压下即可进行，无需使用氢气，从根本上规避了高压环境带来的安全风险。

产物纯度（ee 值）上，传统化学加氢的立体选择性较差，即便加入手性配体辅助，产物的对映体纯度（ee 值）仍难以保证，常出现手性异构体混合的情况；生物加氢技术的立体选择性极强，ee 值普遍能达到 95% 以上，部分优化后的工艺甚至可实现 99% 的高纯度。

反应条件方面，传统技术需在高温高压环境下才能推动反应进行，苛刻的条件不仅增加了能耗，还可能导致部分热敏性原料失活；生物加氢技术的反应条件温和，常温常压即可满足需求，能最大程度保留原料的天然活性。

环保性上，传统化学加氢过程中易产生重金属的残留，这些残留不仅会污染环境，还可能影响最终产品的安全性，甚至引发皮肤刺激性；生物加氢技术无任何重金属残留，整个反应过程符合绿色化学原则，能有效减少对环境的污染。

在催化剂与成本方面，传统技术依赖钯、铑等贵金属作为催化剂，这类金属价格昂贵且回收难度大，直接推高了生产总成本；生物加氢技术则以微生物来源的加氢酶为催化剂，无需依赖贵金属，且酶催化剂可通过生物合成实现规模化制备，长期使用成本更低。

 

生物加氢技术的科学基础：烯还原酶的核心作用

烯还原酶是生物加氢技术的 “分子工匠”，其结构特性与催化机理决定了技术的精准性与高效性。

烯还原酶的分类与分子机制：ERs 家族以 Old Yellow Enzyme（OYE）及同源体为代表，广泛分布于微生物、植物及部分动物体内，以 FMN 或 FAD 为辅助因子，通过氧化还原循环实现底物 C=C 双键的区域 / 立体选择性还原。近年通过蛋白质工程，部分原本以羰基还原为主的中链/短链脱氢酶（MDR/SDR）变体被赋予C=C双键还原活性，拓展了非黄素依赖型烯还原催化的边界，但这类酶在天然状态下并不属于经典ER家族。

催化机理与选择性调控：ERs 的典型机理为：底物与酶结合后，FMN 或 FAD 辅酶从 NAD (P) H 接受电子，使底物共轭 C=C 双键原位还原；活性口袋的空间构型和极性，直接决定酶的底物谱与立体选择性。通过蛋白质工程改造，可实现 ERs 对底物进攻面的选择性调控，甚至对映异构体产物的反转。例如 OYE1 W116F、XenA C25G 等突变体，对同一底物的 R/S 选择反转度高达 99%。

 

生物加氢技术的关键突破：从实验室到产业化

近年来，国际科学界与企业在酶源挖掘、工程优化、工艺创新等领域持续突破，推动生物加氢技术从实验室走向规模化应用。生物加氢技术的产业化实现，需突破 “酶源适配”“成本控制”“纯度稳定” 三大难题，国内的生物科技创新企业，已逐步构建了国际领先的生物加氢技术平台，为后续规模化应用奠定基础。

在酶源适配方面，通过构建大规模加氢酶库，覆盖不同底物类型、功能基团与反应条件，结合蛋白质结构模拟与机器学习算法，可快速筛选适配酶种，甚至为特殊原料 “定制” 高效加氢酶；成本控制上，针对传统生物加氢依赖昂贵 NADPH 辅酶的问题，通过蛋白质工程改造加氢酶活性位点，实现 NADH 替代 NADPH，同时搭建辅酶循环再生系统，大幅提升辅酶重复利用率，降低整体成本；纯度稳定方面，自主研发多种高效分离纯化技术，从反应液中精准分离目标产物，保障原料纯度与批次稳定性。

目前，生物加氢技术已在医药中间体、香精香料、美妆活性成分等多个领域实现规模化应用。2024年7月5日，四川大学王娜教授团队在食品化学领域顶级期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》（JAFC）发表题为《Applications of Ene-Reductases in the Synthesis of Flavors and Fragrances》（烯还原酶在香精香料合成中的应用）的重要综述论文该研究系统梳理了近20年来烯还原酶在香精香料生物合成领域的研究进展，深入探讨了该技术的核心优势、现存挑战及未来发展方向，为绿色化学和可持续香料生产提供了重要理论指导和技术参考。

该综述重点分析了烯还原酶在以下三类香料合成中的成功案例——
1.萜烯类香料：香茅醛/香茅醇：ERs与醇脱氢酶（ADH）级联，实现柠檬醛高效转化为(R)-香茅醛（薄荷醇关键中间体）；二氢香芹酮：通过ERs选择性还原香芹酮，获得四种立体异构体，用于留兰香风味调配；二氢-β-紫罗兰酮：双酶系统（PhCCD1+DBR1）使产量提升5倍，用于桂花香精生产。

2.芳香族香料：铃兰醛：OYE家族ERs可高选择性合成(S)-构型（柔和百合香），优于化学法的混合产物。覆盆子酮：真菌来源ERs直接还原前体，避免传统工艺的强酸/强碱条件。

3.脂肪族香料：γ-丁内酯：ERs与ADH级联合成奶酪风味关键成分，产率显著提升。2-甲基四氢呋喃衍生物：双酶体系（OYE3+ADH）制备烤肉香分子，对映选择性>99%。

除了以上香料成分的生物合成，生物加氢技术也同时在功效护肤高纯度活性成分的合成中发挥着巨大的科学价值。以二氢槲皮素（花旗松素）为例，其本身也是天然黄酮类化合物，具有优异的抗氧化、修护功效，广泛应用于高端美妆产品。但天然植物提取过程中，高温处理易导致分子构型异构化，无法保证（2R,3R）- 天然构型的纯度；传统化学合成法产物为多构型混合物，生物活性大幅降低。

2025年7月15日，国家药监局官网官宣（2R,3R）- 二氢槲皮素通过了新原料备案。该新原料是国内首款与天然来源一致的高光学纯结构的二氢斛皮素。该新原料来自佳嘉乐生物，是基于精准生物加氢技术核心，首次实现高光学纯的（2R,3R）- 二氢槲皮素的产业化成果。

二氢槲皮素（Dihydroquercetin）又称为花旗松素(Taxifolin)，是一种天然黄酮类化合物，主要存在于花旗松和落叶松中。二氢槲皮素是一种应用广泛的生物活性剂，与其他的黄酮类化合物一样，在人体中具有多种生物活性，包括抗肿瘤、抗氧化、清除自由基、抗病毒、抗发炎、抗菌、抑制酪氨酸酶等多种生理作用，其抗氧化能力显著优于维生素C和辅酶Q10等经典抗氧化剂。

天然的二氢槲皮素为（2R,3R）构型，但传统的植物提取过程大多涉及高温，会导致分子的构型发生改变，难以保证产品光学纯度和批次一致性。佳嘉乐生物通过自建酶库生物银行（2024 年 5 月被认证为杭州市级生物加氢技术高新技术研发中心），目前构建的生物银行酶库涵盖 15000 余种加氢酶。

 

图3. （2R,3R）- 二氢槲皮素的化学结构，来源：网络报道

通过自有 15000 + 酶库筛选锁定专一催化（2R,3R）- 构型的加氢酶，结合蛋白质工程改造优化酶活性；最终产物不仅纯度达 98% 以上，且在 589nm 室温条件下，比旋光度稳定为 + 14.5°，与落叶松天然提取的（2R,3R）- 二氢槲皮素构型完全一致。这一过程不仅大幅提升了效率，更充分确保了原料的卓越品质与批次稳定性。稳定的比旋光度是产品光学纯度与构型一致性的直接证明。

 

挑战与未来展望

当前行业仍面临多重瓶颈。大规模生产阶段，酶的稳定性、底物与产物的耐受性，以及协同辅酶循环效率都有待提升。例如，当底物浓度过高或体系中含有有机试剂时，烯还原酶的活性中心可能受损，导致催化效率下降。对于多取代烯烃、含杂原子的复杂分子底物，酶促加氢反应的适配性仍显不足，这一问题需要更深入的酶—底物相互作用机制研究来解决。即便辅酶循环系统已有所优化，在高负荷工业反应中，辅酶的降解与补充如何维持动态平衡，仍是降低成本的关键挑战之一。

未来的突破方向正在形成。从技术层面看，蛋白质工程与人工智能辅助设计正成为核心驱动力。借助 AlphaFold2 等结构预测工具，可实现烯还原酶活性口袋的定向改造，获得更具稳定性与广谱活性的变体。在工艺创新上，多酶级联与“一锅法”反应将加速与连续流工艺、微结构反应器的融合，固定化酶与微流控技术的结合也为反应与分离一体化的智能化生产提供可能。与此同时，光催化与电化学等新能源路径正在进入酶催化体系，可利用可见光驱动辅酶再生，为生物加氢反应带来更绿色的升级方向。最终，这些进展将推动“原料研发—配方设计—产业化生产”一体化服务体系的形成，为美妆企业提供从高纯度原料到 ODM 配方的全流程解决方案，并带动天然油脂产业链的绿色转型。

 

结论

过去十年，依托蛋白工程、系统生物学、分子设计等多学科融合，生物加氢技术已从实验室工具跃迁为工业级绿色催化技术。从手性香料成分的生物合成到高光学纯度的功效活性成分生物加氢精制，其高效、专一、绿色环保的特性正推动医药、香料、美妆原料等行业向 “可持续- 智能- 绿色”的技术路径转型。

环顾全球，当前全球科学界与产业界正处于生物加氢技术突破的关键窗口期，中国企业在酶库构建、产业化应用等领域已逐步形成竞争优势。未来，随着技术持续迭代，生物加氢技术必将成为引领美妆行业 “精准、高效、安全” 升级的核心动力，让光学纯原料成为美妆产品的核心竞争力，为消费者带来更优质的美妆体验！

 

参考资料：
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作者：陈迪（Daniel Chen）
                   美丽面面观科普自媒体主理人、前欧莱雅集团抗衰老科研带头人

 

来源：荣格-《国际个人护理品生产商情》

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