辅酶Q10的生产制备工艺的研究进展

辅酶Q10的生产制备工艺的研究进展作者：谢伟指导老师：陶志杰摘要:本文综述了辅酶Q10的生产制备工艺，并且分别介绍了辅酶Q10的结构特点和生理功能，及其制备方法，并着重介绍了微生物发酵法，阐述了其生产辅酶Q10的生产菌种，以及能提高辅酶Q10产量的基本方法，最后提出了今后对辅酶Q10的研究和发展方向。关键词:辅酶Q10；生理功能；制备方法CoenzymeQ10ProductionPreparationTechnologyResearchProgressAuthor:XieWeiTutor:TaoZhijieAbstract:ThepapersummarizedpreparationprocesscoenzymeQ10productionareintroduced,andthestructuralcharacteristicsandcoenzymeQ10physiologicalfunction,andpreparationmethods,andemphaticallyintroducesmicrobialfermentation,expoundsitsproductioncoenzymeQ10production,andcanimprovethebasicmethodofproductioncoenzymeQ10，finallythefutureoftheresearchanddevelopmentofcoenzymeQ10direction.Keyword:CoenzymeQ10；Physiologicalfunctions；Preparationmethods0前言近年来，我们经常可以看到科学家们在不断预测人类的寿命极限：120岁、150岁……甚至有美国科学家预测本世纪末我们能活到200岁。这些预测，让很多人产生了这样的疑问：人类到底能活多久？在科学理论上，从细胞分裂次数与分裂周期测算法推算，人类最高寿命至少是120岁；从性成熟期测算法推算，人类的最高自然寿命应是112-150岁；从生长期测算法推算，人类的自然寿命为100—175岁；从怀孕期测算法推算，人的自然寿命最高可达167岁。以上方法推算结果表明，人类正常的自然寿命也都在100岁以上。那么什么因素决定我们人类的寿命呢？寿命取决因素很多。常规的说法为：首先是家族遗传，如果家庭长辈里有长寿的，后代就有长寿基因；其次时生活环境，污染少的地方人肯定比污染重的地方人长寿；三是生活方式，良好的饮食习惯能使人长寿；四是适当锻炼，生命在于运动，但要因人而宜，因时而宜。破解生命密码，揭开长寿之谜。目前生命科学家终于有了惊人发现，原来决1定人类长寿与否的根本原因，就是一种叫做辅酶Q10的物质，它具有逆转抗衰、延年益寿之独特功效，被誉为“长寿因子”、“生命之源”。由此可见，开发生产辅酶Q10这一产品具有广阔的市场前景。1辅酶Q10辅酶Q10又名泛醌10，是一种脂溶性醌,其结构类似于维生素K，因其母核六位上的侧链——聚异戊烯基的聚合度为10而得名，是一种醌环类化合物。化学名2-(3,7,11,15,19,23,27,31,35,39-癸甲基-2,6,10,14,18,22,26,30,34,38-四十癸烯基)-5,6—二甲氧基-3-甲基-p-苯醌拼音名FUMEIQ10英文名COENZYMEQ10结构式辅酶Q10分子结构分子式C59H90O4分子量863.36辅酶Q10受光照易分解，而受温度、湿度影响则较小。辅酶Q10在脏器(心脏、肝脏、肾脏)、牛肉、豆油、沙丁鱼、鲭鱼和花生等食物中含量相对较高。摄入大约1斤沙丁鱼、2斤牛肉或3斤花生可分别提供约30mg辅酶Q10。辅酶Q10是1957年被发现，1958年被卡鲁福鲁卡斯博士认定了化学结构，并且获得了美国化学学会的最高荣誉PriestlyMedal。被称为辅酶Q10的研究之父，当时他提出辅酶Q10对心脏机能起着重要的作用。在实际生活中，卡鲁福鲁卡斯博士40年来一直服用辅酶Q10，直到91岁去世为止，他一直都是现役教授精力充沛的从事科研活动。2生理功能2.1心脑的保护神辅酶Q10对心血管系统具有抗氧化性，使其在动脉粥样硬化的形成和发展过程中具有很好的抑制作用，不但能改进心肌的代谢，治疗由冠状动脉窄化所造成的胸腔痛，还能减少心绞痛的发生，加强心脏的跳动功能，治疗充血性心脏衰竭，2是防治心脏最佳奇迹营养素，尤其在治疗心脏衰竭、心脏无力上疗效特佳。最近阿根廷神经科学研究所研究显示，辅酶Q10在大大地促进心脏健康的同时，还可以显著保护大脑，增强大脑活力。2.2降压的新曙光[1]辅酶Q10可增加ATP的合成，清除自由基而降低血管过氧化状态，减少内皮细胞和血管平滑肌细胞的超氧化物，保护并减轻血管内皮细胞损伤，降低胞浆NADH水平，促进血管内皮细释放NO、PGI2，舒张外周血管并降低外周阻力，从而起到降压作用。2.3衰老的防火墙辅酶Q10是人类的长生因子，能够增强免疫系统，保护心、肝、肾的功能，免受自由基损害，从而为人们的健康长寿提供保证。（1）强而有力的抗氧化剂，对延缓人体老化效果显著；（2）强化免疫力，消灭侵入体内的病菌；（3）有效改善肌肤灰暗、黄气、色素沉淀问题；（4）能激活人体细胞和细胞能量，具有提高人体免疫力、增强抗氧化能力、延缓衰老和增强人体活力。2.4精神的原动力辅酶Q10是人体自行合成的营养素。其合成量会在我们年届20岁之后便持续降减，到了50岁时，我们体内的辅酶Q10数量会比20岁时减少50%，年届70岁时则减少60%。人体的Q10产量也会因为种种不利因素而进一步衰减。辅酶Q10能够加速细胞更新，激发细胞活性，从而大大促进细胞摄取营养的能力，为人的精神活力添加源源不断的动力支持。因此，辅酶Q10被专家誉为“生命的加油站”。2.5癌症的新克星临床研究表明，辅酶Q10有抗肿瘤作用及免疫调节作用，对防治癌症，慢性感染、念珠病菌，爱滋病病毒，大有助益。丹麦的研究已表明，辅酶Q10在与某些癌症作斗争中也确有疗效。在涉及到32位乳腺癌患者的试验中，用大剂量辅酶Q10加到常规的治疗中，显示出较高的补充的有益的作用。在试验中，肿瘤没有退化的两位患者，当他们的辅酶Q10剂量分别增加到390mg/day，结果他们的肿瘤在三个月内完全地消失。辅酶Q10的补充对于经历象阿霉素和thralines这样的心脏毒性药物的化疗的癌症患者也很重要。3制备方法3目前辅酶Q10的制备方法[2]主要有：生物提取法、化学合生法和微生物发酵法3种。3.1生物提取法生物提取法是制备辅酶Q10最传统的生产工艺，也是国内较多采用的方法。原料有动物心肝脏、玉米芽、菠菜等，提取方法有皂化法、溶剂萃取法和吸附层析法[3,4]。3.1.1皂化法[2]皂化法分为醇碱皂化法、碱皂化法。将氢氧化钠一乙醇济液或氢氧化钠溶液加人含有辅酶Q10的组织或细胞溶液中，再经过一系列后处理如硅胶吸附、石油醚洗脱等工序，最终获得辅酶Q10产品。3.1.2溶剂萃取法溶剂萃取法将原料与特定的溶剂混合，经过滤、萃取、浓缩等过程，得到辅酶Q10产品。3.1.3吸附层析法将原料与乙醇溶液混合，再经正己烷洗脱、浓缩等步骤，可获得辅酶Q10产品。由于生物提取法得到的辅酶Q10是侧链双键全反式构型的天然产物，故易被人体吸收，产品纯度高，质量好；不足之处是动植物中辅酶Q10含量低、各种化学成分复杂、原料来源受限制，因此产品成本高、价格昂贵规模化生产受到了一定的限制。3.2化学合成法最早用合成方法得到辅酶Q10的是日本的Nisshin公司。我国也从20世纪7O年代开始进行研究。目前该化合物的合成方法主要分为两类:其一是母核化合物上引人癸异戊二烯醇基，另一种方法是首先于母核化合物上引人较短的侧链，然后再引人所期望的长链。3.2.1侧链直接引人法1959年RueggR等报道合成辅酶Q10的路线[5]，虽得到了产物，但产率只有20%，且由于茄尼醇制得的烯丙基化试剂是顺、反异构体的混合物，需分离，因此这种方法的应用受到了限制。1979年NarutaY等报道了将异戊二烯部分制成锡烷[5]，利用锡烷的强亲核性与醒反应，并以BF3OEt2作催化剂，在低温条件下反应，最后得到了几何构型较满意的产品(E/Z=85/15),但产率以异戊二烯锡烷计算也只有51%。从以上合成路线可以看出，此类方法都是用母核化合物与聚异戊二烯基化合4物反应，但这一关键步骤产率都不太高。3.2.2侧链延长法早在于1978年，TeraoS就利用辅酶认合成辅酶Q7合成辅酶Q10[5],因原料辅酶Q7认价格十分昂贵，所以此路线实用价值不大。MohriM小组对此作了大量的研究，于1986年报道了他们的成果，去(对甲基)苯磺酸基反应中以LiHBEt3作还原剂，以PdCl2作催化剂，产率为86%,Ag2O作氧化剂，产率为94%(E/Z=95/5)[5]。以上两种方法类似，都先在母核上增加一个异戊二烯，再增加一个由茄尼醇制得的化合物。1988年，EronD等报道了以香叶醇为原料制备辅酶Q10的全合成路线[6,7]。该方法路线简单，原料易得，中间体易制备，产率高，是很有前途的合成方法。3.3微生物发酵法微生物发酵法是目前认为最具发展前景的辅酶Q10生产方法。该方法生产的辅酶Q10产物活性好，可通过规模放大生产能力。其技术关键是辅酶Q10产生菌的生产能力及分离纯化方法。由于受菌种、发酵工艺以及下游提取的工艺的限制，微生物法生产得到的辅酶Q10的产量不高，目前还无法满足工业化生产的要求。通过诱变育种、构建工程菌、优化发酵工艺、优化提取纯化工艺等策略，能最大限度地提高辅酶Q10的产量，有望实现辅酶Q10的工业化生产。3.3.1辅酶Q10的生产菌种能够产辅酶Q10的微生物种类较多，真核和原核微生物都能够作为辅酶Q10的生产菌种。所涉及的微生物超过34个属，包括假单胞菌属(Pseudomonasaeruginosa)、土壤杆菌属(Agrobacteriumsp.)、氧化葡糖杆菌属(Gluconobacteroxydans)、英膜红细菌属(R.capsulatus)、浑球红细菌属(R.sphaeroides)、脱氮副球菌属(Paracocusdenitrificans)、热带假丝酵母属(Candidatropicalis)和脱氮假单孢菌属(Paracoccusdenitrificans)等。这些菌种都可以直接从自然界中筛选得到，但不同菌种的辅酶Q10产量相差较大。Yoshida等[8]通过摇床培养试验鉴定了34株细菌菌株产辅酶Q10。的情况，其中29株可以产辅酶Q10，并且A.tumefaciensKY-3085,A.radiobacterKY-3086和R.sphaeroidesKY-4113所产的辅酶Q10超过60mg／L。3.3.2提高辅酶Q10产量的基本方法影响辅酶Q10产量的因素较多，一般从自然界中筛选到的野生型菌种产量都比较低，不能满足生产的需要。通常可以利用各种手段对原始菌株进行遗传改造，突破微生物自身的代谢调控机制，从而提高微生物的产量。例如通过选育具有结构类似物抗性、营养缺陷型突变株或将某些关键酶基因进行克隆，构建目的工程菌株。再通过进一步优化生产菌种的发酵工艺从而极大地提高原始菌种辅酶Q10的产量。3.3.2.1传统诱变育种使用诱变手段对野生型菌株进行基因突变，再通过适当的筛选方法，得到5产量显著提高或者发酵特性显著改善的突变株如营养缺陷型或抗结构类似物突变株等。Yoshida[8]发现与R.sphaeroidesKY-4113相比用A.tumefaciensKY-3085作为辅酶Q10的生产菌株有很多不足，如菌落光滑不易收集菌体，发酵液的黏度大，辅酶Q10产量低。以NTG为诱变剂，A.tumefaciensKY-3085为出发菌株。筛选到了一株菌落粗糙的突变株A.tumefaciensA-9，且该突变株的培养液黏度得到显著改善。再以A.tumefaciensA-9为出发菌株经过诱变，用乙硫氨基酪酸、道诺霉素、维生素K3以及X-gal作为筛选压力筛选到了一系列结构类似物抗性