程音

【摘要】維生素是維持機(jī)體正常生長(zhǎng)發(fā)育和生理功能所必須的物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、藥品、食品、飼料等各個(gè)領(lǐng)域。維生素的生產(chǎn)多采用化學(xué)合成法，化學(xué)合成與生物轉(zhuǎn)化相結(jié)合的半合成法在維生素生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前可以用發(fā)酵法或半合成法生產(chǎn)的維生素有維生素C、維生素B12、維生素D、以及β-胡蘿卜素等。本文對(duì)以上幾種維生素微生物合成的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

【關(guān)鍵詞】微生物;發(fā)酵;維生素

【中圖分類號(hào)】R969.3

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【文章編號(hào)】1005-0019（2020）15-297-01

維生素的生產(chǎn)多采用化學(xué)合成法，后來人們發(fā)現(xiàn)某些微生物可以完成維生素合成中的某些重要步驟。在此基礎(chǔ)上，化學(xué)合成與生物轉(zhuǎn)化相結(jié)合的半合成法在維生素生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前可以用發(fā)酵法或半合成法生產(chǎn)的維生素有維生素C、維生素B12、維生素D、以及β-胡蘿卜素等。

1微生物生產(chǎn)維生素C

維生素C（vitaminC）即L-抗壞血酸（L-ascorbicacid，L-AA），是一種水溶性維生素，最早從腎上腺中分離得到。人體中缺乏L-古龍酸-1，4-內(nèi)酯氧化酶（L-gulono-1，4-lactoneoxidase），無法自身合成維生素C，必須依靠膳食攝取。

維生素C的生產(chǎn)方法有化學(xué)合成法、化學(xué)合成與生物轉(zhuǎn)化并用的半合成法。微生物在維生素C的生產(chǎn)中，起到了不可或缺的作用?；瘜W(xué)合成法主要是萊氏法，萊氏法是1933年德國化學(xué)家Reichstein等發(fā)明的最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)維生素C的方法。20世紀(jì)30年代以前，維生素C主要從檸檬中分離提取，價(jià)格高昂，遠(yuǎn)不能滿足人們的需要。1933年首次實(shí)現(xiàn)用L-木酮糖（L-xylosone）化學(xué)合成維生素C，在此基礎(chǔ)上Bremus等引入一步生物發(fā)酵將D-山梨醇（D-sorbitol）轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)-山梨糖（L-sorbose），實(shí)現(xiàn)從D-葡萄糖化學(xué)合成維生素C，并用于工業(yè)化生產(chǎn)?！叭R氏法”經(jīng)過大量的優(yōu)化改進(jìn)，然而由于其高能耗，一些化學(xué)反應(yīng)需要高溫、高壓條件，易造成環(huán)境污染等，各國學(xué)者一直致力于尋找更經(jīng)濟(jì)、有效的替代工藝。于是，微生物轉(zhuǎn)化法的生物技術(shù)工藝逐漸被重視。上世紀(jì)70年代初，中國科學(xué)院微生物研究所和北京制藥廠合作，研制成功了“二步發(fā)酵法”制備維生素C的新工藝。此法以生物氧化過程代替萊氏路線中的部分純化學(xué)過程，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，減少了“三廢”污染，多年以來一直為國內(nèi)廠家所使用。二步發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C可以分為發(fā)酵、提取和轉(zhuǎn)化三大步驟，即D-山梨醇先經(jīng)細(xì)菌氧化為L(zhǎng)-山梨糖，再通過細(xì)菌發(fā)酵生成維生素C前體2-KLG，最后用化學(xué)法將2-KLG轉(zhuǎn)化為維生素C。

目前，用于工業(yè)化生產(chǎn)維生素C的方法主要是“萊氏法”和“二步發(fā)酵法”?！叭R氏法”因其種種弊端，已經(jīng)失去了維生素C生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。而“二步發(fā)酵法”雖然解決了萊氏化學(xué)合成過程的“三廢”等問題，但該方法涉及二步三種菌，菌種傳代困難，操作工序繁瑣，不能直接把葡萄糖作為發(fā)酵原料。因此，今后的研究重點(diǎn)是利用基因工程技術(shù)，重組構(gòu)建新型工程菌株，實(shí)現(xiàn)以葡萄糖為底物直接生產(chǎn)維生素C的一步發(fā)酵途徑。

2微生物生產(chǎn)β-胡蘿卜素

β-胡蘿卜素是橘黃色脂溶性化合物，它是自然界中最普遍存在也是最穩(wěn)定的天然色素，在人體和動(dòng)物體內(nèi)可以轉(zhuǎn)化為維生素A。β-胡蘿卜素是類胡蘿卜素中的一種，到目前為止，已知的類胡蘿卜素有600多種。

目前類胡蘿卜素可以通過三種方法生產(chǎn)：化學(xué)合成法、植物提取法和微生物發(fā)酵法。其中，化學(xué)合成由于技術(shù)復(fù)雜而產(chǎn)品售價(jià)高難以作為工業(yè)化生產(chǎn)途徑，從植物中提取類胡蘿卜素也因?yàn)榻^大多數(shù)植物的類胡蘿卜素含量很低，同時(shí)還受到氣候產(chǎn)地和運(yùn)輸條件的限制而難以工業(yè)化生產(chǎn)。而利用微生物發(fā)酵類胡蘿卜素，由于菌體含有豐富的蛋白質(zhì)氨基酸和維生素等，色素提取后，可以作為單細(xì)胞蛋白質(zhì)加以綜合利用。因此，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)類胡蘿卜素成為工業(yè)化生產(chǎn)中的主要方式。可產(chǎn)生β-胡蘿卜素的菌種主要有酵母和真菌，酵母發(fā)酵的β-胡蘿卜素產(chǎn)量不高，真菌中的三孢布拉氏霉（B.trispora）是理想的生產(chǎn)菌株，資料報(bào)道，培養(yǎng)5～6d，胡蘿卜素產(chǎn)量在1000mg/L以上;H.J.Pepphler在800L發(fā)酵罐試驗(yàn)中，β-胡蘿卜素產(chǎn)量為1112mg/L。微生物生產(chǎn)類胡蘿卜素具有相同的優(yōu)點(diǎn)，生物活性高、生產(chǎn)周期短、成本低等，但是不同微生物發(fā)酵培養(yǎng)略有不同，有其各自的特點(diǎn)。每升培養(yǎng)液中類胡蘿卜素的產(chǎn)量為：三孢布拉氏霉>紅酵母>杜氏藻>光合細(xì)菌，其中三孢布拉氏霉和杜氏藻已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)β-胡蘿卜素，紅酵母的生產(chǎn)周期較短，但國內(nèi)的類胡蘿卜素產(chǎn)量還比較低，提高紅酵母的類胡蘿卜素產(chǎn)量成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，有望成為接下來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)β-胡蘿卜素的微生物菌種。

3微生物生產(chǎn)維生素D

維生素D為固醇類衍生物，具抗佝僂病作用，又稱抗佝僂病維生素。維生素D家族成員中最重要的成員是D2和D3。維生素D均為不同的維生素D原經(jīng)紫外照射后的衍生物。植物性食物一般含維生素D極少，但往往含維生素D原。維生素D是一種脂溶性維生素，有五種化合物，對(duì)健康關(guān)系較密切的是維生素D2和維生素D3。隨著對(duì)維生素D類藥物生理功能研究的深入，其應(yīng)用更加廣泛，需求量也更多，目前以瑞士的羅氏公司產(chǎn)量最大。

活性維生素D類藥物作為一類高效原料藥，目前主要采用化學(xué)合成法?；瘜W(xué)合成法制備活性維生素D3，需進(jìn)行多步的基團(tuán)保護(hù)和脫保護(hù)，經(jīng)光照反應(yīng)，開環(huán)和異構(gòu)化而得。合成步驟多，分離純化復(fù)雜，收率低，阻礙了其廣泛使用。而生物轉(zhuǎn)化法能完成一些化學(xué)合成難以進(jìn)行的反應(yīng)，具有較強(qiáng)的區(qū)域選擇性和立體選擇性，在溫和均一的條件下容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和反應(yīng)的重現(xiàn)性，且成本低，對(duì)環(huán)境的污染小。近幾年來對(duì)微生物轉(zhuǎn)化法制備活性維生素D3的研究越來越多，尤其以日本研究最廣。維生素D2與維生素D3同屬甾體藥物，研究還發(fā)現(xiàn)某些具有維生素D3轉(zhuǎn)化能力的菌株還可以以維生素D2為底物，轉(zhuǎn)化生成25-OH維生素D2。Natsumi等通過基因克隆，在大腸桿菌中成功表達(dá)鏈霉菌P450SU-1。該蛋白除了可以將維生素D3轉(zhuǎn)化為1-α，25-二羥維生素D3外，還對(duì)維生素D2具有25-位羥基化作用。在其催化下，主要產(chǎn)物為25-OH維生素D2、24-OH維生素D2、27-OH維生素D2。

4微生物生產(chǎn)維生素B12

維生素B12又稱鈷胺素或氰鈷素，是人類及其他一些動(dòng)物維持生長(zhǎng)和生血的一種最重要的維生素，它是造血過程的生物催化劑，能促進(jìn)血液中有形物質(zhì)的成熟，用于治療惡性貧血和其他細(xì)胞型貧血，具有去脂性，防止脂肪在肝中的沉積。在機(jī)體受到射線的作用后，B12能恢復(fù)造血功能。

維生素B12可從肝臟中提取，也可用化學(xué)合成法合成，但此兩種方法的生產(chǎn)成本高，不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)。因而，目前主要用微生物法來生產(chǎn)，許多微生物在不同培養(yǎng)基中都能合成維生素B12。具備合成維生索B12能力的微生物主要為放線菌和細(xì)菌。此外酵母及某些霉菌也具有合成維生素B12的能力。脫氮假單孢菌（Pseudomonasdenitrificans）和費(fèi)氏丙酸桿菌（Propionibacteriumfreudenreichil）是廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的維生素B12生產(chǎn)菌。脫氮假單孢菌最早應(yīng)用于生產(chǎn)，法國RPR（Rhone-PouleneRerer）實(shí)驗(yàn)室利用統(tǒng)誘變育種方法和基因工程手段已經(jīng)成功改造了脫氮假單孢菌，使其產(chǎn)量達(dá)到約300mg/L。費(fèi)氏丙酸桿菌也具有有自己的優(yōu)點(diǎn)：符合美國FDA的GRAS要求，在生長(zhǎng)過程中不產(chǎn)生內(nèi)毒素和外毒素?？梢园踩珣?yīng)用于醫(yī)藥和食品添加劑工業(yè)。此外費(fèi)氏丙酸柯菌發(fā)酵過程中幾乎不需要通氣，具有能耗低、染菌概率小等優(yōu)勢(shì)。

目前利用贊氏丙酸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)維生素B12越來越引起人們關(guān)注。實(shí)質(zhì)上混合培養(yǎng)發(fā)酵就是利用其它微生物分解費(fèi)氏丙酸桿菌產(chǎn)生的自身代謝抑制物，促進(jìn)費(fèi)氏兩酸桿菌生長(zhǎng)，從而提高維生素B12發(fā)酵產(chǎn)量。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)維生素具有產(chǎn)量高、穩(wěn)定性強(qiáng)、污染小等特點(diǎn)，正因?yàn)檫@些特點(diǎn)近年來利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)各類維生素的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，對(duì)于這方面的研究也很多。在上述文章中，對(duì)微生物合成維生素C、維生素B2、維生素B12、維生素D、以及β-胡蘿卜素的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，除此之外，微生物還能合成維生素E、維生素K等其他維生素。利用微生物合成維生素是維生素工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，需要國內(nèi)外學(xué)者的共同努力來實(shí)現(xiàn)更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]張劍鋒，陳建華.應(yīng)用真核微生物合成維生素C的研究進(jìn)展[J].中國生化藥物雜志，2009，30（5）：354-356.

[2]程朝彬，陳建華.應(yīng)用微生物生產(chǎn)維生素C的研究進(jìn)展[J].中國醫(yī)藥生物技術(shù)，2011，6（4）：287-290.

[3]王海，申華，孫亞光等.核黃素制備研究進(jìn)展[J].化學(xué)世界，2012，53（5）：54-57.

[4]呂淑霞，張?jiān)弃Q，白玲等.維生素C前體2-酮基-L-古龍酸二步混菌發(fā)酵研究新進(jìn)展[J].微生物學(xué)雜志，2015，（3）：1-8.

[5]石志斌，趙靜，朱貴冠.日糧添加大豆油、硒和維生素E對(duì)肉牛瘤胃代謝和體內(nèi)脂肪酸含量的影響[J].中國飼料，2020，（6）：76-80.