发酵维生素

微生物发酵维生素的研究进展摘要：微生物是一类宝贵而又丰富的生物资源。它广泛应用于食品、发酵、制药、环保、冶金和农业等众多行业。这类资源如能进一步科学合理地开发，必将为人类创造出巨大的物质财富。微生物发酵技术以现代发酵技术为核心，利用微生物的代谢活动过程，经生物转化而大规模地制造各种工业发酵产品。维生素是维持人体正常生命活动所必需的一类有机化合物。在体内含量极微，但在机体的代谢、生长发育等过程中其重要作用。本文针对维生素在现实生活中的一些研究进展展开分析，并对该产业的研究进展作出了讨论。关键词：微生物；发酵；制药；维生素ResearchprogressofmicrobialfermentationofvitaminAbstract：Microorganismisakindofpreciousandrichbiologicalresources.Itiswidelyusedinfood,fermentation,pharmaceutical,environmentalprotection,metallurgyandagriculture,andmanyotherindustries.Thiskindofresourcesscientificallyandrationallytofurtherdevelopment,willcreatehugematerialwealthforhumanbeings.Microbialfermentationtechnologywithmodernfermentationtechnologyasthecore,theuseofmicrobialmetabolicactivityprocess,thebiologicaltransformationandmanufacturingallkindsofindustrialfermentationproductonalargescale.Vitaminsarenecessarytomaintainnormallifeactivitiesofaclassoforganiccompounds.Verymicrolevelsinthebody,butinthebody'smetabolism,growthanddevelopment,itsimportantroleintheprocess.Vitaminsinreallife,theauthorofthispaperanalyzessomeresearchprogress,andmadeadiscussionontheresearchprogressoftheindustry.Keywords:microbes;Thefermentation;Pharmaceutical;vitamin维生素是维持机体正常生长发育和生理功能所必须的一类低分子有机化合物，既是人体的营养物质，也是一类重要药物。临床上除了用于治疗和预防维生素缺乏症外，还用于某些急性严重疾病和长期慢性疾病的治疗。1生物发酵制维生素1.1微生物发酵利用微生物技术，通过高度工程化的新型综合技术，以利用微生物反应过程为基础，依赖于微生物机体在反应器内的生长繁殖及代谢过程来合成一定产物，通过分离纯化进行提取精制，并最终制剂成型来实现药物产品的生产。随着细胞融合技术和基因工程的问世，为微生物制药来源菌的获得提供了一种有效的手段。工程菌和融合子经发酵后产生原来微生物所不能生产的药物或提高生产效率。同时近年来发酵工艺及其控制的研究也得到了发展，利用计算机在线控制以及固定化细胞技术为微生物发酵制药工业带来了新的发展空间。1.2维生素概述维生素是六大生命要素之一,为整个生命活动所必需。这类物质在体内既不是构成身体组织的原料，也不是能量的来源，而是一类调节物质，在物质代谢中其重要作用。这类物质由于体内不能合成或合成量不足，所以虽然需要量很少，但必须经常由食物供给。β-胡萝卜素、VC、VE是目前应用最为广泛，效果最为显著的三种维生素，它们的作用分别是：β-胡萝卜素是强力抗氧化剂,有抑制癌细胞增殖和提高机体免疫力等作用。[1]VC和VE均是抗氧化剂,前者可阻止、破坏自由基形成，还具有激活免疫系统细胞的活力，刺激机体产生干扰素以抵御外来侵染因子。至于VE可产生抗体，增强机体免疫力。维生素在体内的含量很少，但不可或缺1.3维生素分类及作用1.3.1脂溶性维生素⑴维生素A：维持正常视力，预防夜盲症；维持上皮细胞组织健康；促进生长发育；增加对传染病的抵抗力；预防和治疗干眼病。⑵维生素D：调节人体内钙和磷的代谢，促进吸收利用，促进骨骼成长。⑶维生素E：维持正常的生殖能力和肌肉正常代谢；维持中枢神经和血管系统的完整。⑷维生素K：止血。它不但是凝血酶原的主要成分，而且还能促使肝脏制造凝血酶原。小儿维生素K缺乏症[2]。1.3.2水溶性维生素⑴维生素B1：保持循环、消化、神经和肌内正常功能；调整胃肠道的功能；构成脱羧酶的辅酶，参加糖的代谢；能预防脚气病。⑵维生素B2：又叫核黄素。核典素是体内许多重要辅酶类的组成成分，这些酶能在体内物质代谢过程中传递氢，它还是蛋白质、糖、脂肪酸代谢和能量利用与组成所必需的物质。能促进生长发育，保护眼睛、皮肤的健康。⑶泛酸(维生素B5)：抗应激、抗寒冷、抗感染、防止某些抗生素的毒性，消除术后腹胀。⑷维生素B6：在蛋白质代谢中起重要作用。治疗神经衰弱、眩晕、动脉粥样硬化等。⑸维生素B12：抗脂肪肝，促进维生素A在肝中的贮存；促进细胞发育成熟和机体代谢；治疗恶性贫血。[3]2维生素研究进展2.1维生素C维生素C（VitaminC，AscorbicAcid）又叫L-抗坏血酸，是一种水溶性维生素。食物中的维生素C被人体小肠上段吸收。一旦吸收，就分布到体内所有的水溶性结构中，正常成人体内的维生素C代谢活性池中约有1500mg维生素C，最高储存峰值为3000mg维生素C。正常情况下，维生素C绝大部分在体内经代谢分解成草酸或与硫酸结合生成抗坏血酸-2-硫酸由尿排出；另一部分可直接由尿排出体外[4]。维生素C又称抗坏血酸(ascorbicacid)，能参与人体内多种代谢过程，使组织产生胶原质，影响毛细血管的渗透性及血浆的凝固，刺激人体造血功能，增强机体的免疫力。另外，由于它具有较强的还原能力，可作为抗氧化剂，已在医药、食品工业等方面获得广泛应用[5]。2.1.1维生素C的功效⑴治疗坏血病：血管壁的强度和VC有很大关系。微血管是所有血管中最细小的，管壁可能只有一个细胞的厚度，其强度、弹性是由负责连接细胞具有胶泥作用的胶原蛋白所决定。当体内VC不足，微血管容易破裂，血液流到邻近组织。这种情况在皮肤表面发生，则产生淤血、紫癍；在体内发生则引起疼痛和关节涨痛。严重情况在胃、肠道、鼻、肾脏及骨膜下面均可有出血现象，乃至死亡。[6]⑵预防动脉硬化：可促进胆固醇的排泄，防止胆固醇在动脉内壁沉积，甚至可以使沉积的粥样斑块溶解。⑶治疗贫血：使难以吸收利用的三价铁还原成二价铁，促进肠道对铁的吸收，提高肝脏对铁的利用率，有助于治疗缺铁性贫血。⑷防癌：丰富的胶原蛋白有助于防止癌细胞的扩散；VC的抗氧化作用可以抵御自由基对细胞的伤害防止细胞的变异；阻断亚硝酸盐和仲胺形成强致癌物亚硝胺。曾有人对因癌症死亡病人解剖发现病人体内的VC含量几乎为零。⑸提高人体的免疫力：白细胞含有丰富的VC，当机体感染时白细胞内的VC急剧减少。VC可增强中性粒细胞的趋化性和变形能力，提高杀菌能力。[7]2.1.2维生素C生产方式维生素C的化学合成方法一般指莱氏法，后来人们改用微生物脱氢代替化学合成中L一山梨糖中间产物的生成，使山梨糖的得率提高一倍，我国进一步利用另一种微生物将L一山梨糖转化为2一酮基L一古龙酸，再经化学转化生产维生素C，称为两步法发酵工艺。维生素C一种水溶性维生素,在新鲜蔬菜和水果中含量丰富。可利用弱氧化葡糖酸杆菌、生黑葡糖酸杆菌和醋酸杆菌属的某些菌株进行由D-山梨醇到L-山梨糖的氧化(通称一步发酵法)。[8]被用作底物的D-山梨醇由D-葡萄糖媒促还原制备。L-山梨糖经化学氧化生成L-抗坏血酸，需先生产L-酮基-L-古洛糖酸，然后加酸处理,才可转化为维生素C。1933年,化学家T.赖希施泰因首先提出这一方法，并用于工业生产。因反应过程长，并需要大量强氧化剂,所以污染严重,连续操作困难。20世纪60年代以来，美国、日本、法国和联邦德国以某些种的葡糖酸杆菌、假单胞菌、欧文氏菌、短杆菌和棒杆菌，分别利用D-葡萄糖、D-山梨醇或L-山梨糖作底物，发酵产生2-酮基-L-古洛糖酸，但至今还未用于工业生产。[9]2.2维生素E维生素E（VitaminE）是一种脂溶性维生素，其水解产物为生育酚，是最主要的抗氧化剂之一。[1]溶于脂肪和乙醇等有机溶剂中，不溶于水，对热、酸稳定，对碱不稳定，对氧敏感，对热不敏感，但油炸时维生素E活性明显降低。维生素E主要是通过天然的植物提取或精炼植物油生产，该工艺已经成熟，维生素E的产量也是众多维生素中发展最快的，1997年，世界天然维生素E的产量约为3500t，2000年约为5300t[7]。由于高等植物作为维生素E总含量低，高活性形式的α-生育酚比例也低，近年来，许多科学家把目光投向微生物生产生育酚。微生物是天然生育酚很好的来源，然而只有微藻等光合藻类能合成生育酚。在目前检测的56属285个微藻品种中，裸藻中生育酚含量最高，达1.12~7.35mg/L以干重计，仅一生育酚可达生育酚总量的97%以上[8]且裸藻无细胞壁，因此生育酚提取相对容易；[9]等用光能异养的方法培养裸藻，6d内细胞浓度可达19．7g/L，生育酚含量可达1.19mg/L。2.2.1维生素E的功效⑴有效减少皱纹的产生，保持青春的容貌。⑵减少细胞耗氧量，使人更有耐久力，有助减轻腿抽筋和手足僵硬的状况。⑶抗衰老和抗癌，预防器质性衰退疾病的佳品⑷强化肝细胞膜、保护肺泡细胞，降低肺部及呼吸系统遭受感染的几率。⑸可有效对抗自由基，抑制过氧化脂质生成，祛除黄褐斑；抑制酪氨酸酶的活性，从而减少黑色素生成⑹促进性激素分泌，使男子精子活力和数量增加;使女子雌性激素浓度增高，提高生育能力，预防流产。2.2.2维生素E的生产现状世界合成VE的生产主要集中在西欧和日本。长期以来,世界VE市场基本被德国巴斯夫公司、瑞士的罗氏公司、法国罗纳—普朗克公司和日本高砂香料公司所垄断。长期以来,由于合成VE的中间体国内没有生产技术,因而不能生产,主要依赖进口,产品成本高,VE产量较低,限制了VE的应用。因此合成VE中间体的生产成为制约我国VE发展的“瓶颈”。[11]近年来我国合成VE的两个关键性原料三甲基氢醌和异植物醇的生产技术取得了一定的突破,合成VE得以迅速发展。由于合成VE具有良好的市场前景,目前三甲基氢醌和异植物醇在技术、产量和规模上均远远不能满足日益发展的VE生产的需求。由于我国目前的合成VE生产主要依赖于中间体三甲基氢醌和异植物醇的发展水平,因此本文着重介绍这两种中间体的生产工艺进展及生产现状。[12]2.3β-胡萝卜素β-胡萝卜素主要是由三孢布拉霉菌生产，在1998年，陈涛等[1]已经针对三孢布拉霉菌的特点，优化发酵工艺，在3M3的发酵罐中发酵120h，生产的β-胡萝卜素产量已达到1146.5mg/L。虽然，传统的工艺生产β-胡萝卜素的产量高，生产周期比较短，但是传统的工艺复杂，成本过高，不利于大规模工业化生产。故,目前许多课题组专注于开发新的生产β-胡萝卜素的菌种或改进传统工艺。据近年所发表的期刊文献，目前，采用红酵母发酵生产β-胡萝卜素是一种工艺简单，成本低廉的方法，虽然在产量方面较传统方法的低很多，但是该方法仍具有很大的发展潜力。[13]2.3.1β-胡萝卜素的功效⑴维持皮肤粘膜层的完整性，防止皮肤干燥，粗糙；⑵促进生长发育，有效促进健康及细胞发育，预防先天不足。促进骨骼及牙齿健康成长；⑶维持和促进免疫功能。数据介绍，胡萝卜具有预防和抑制肺癌的作用。胡萝卜所含的胡萝卜素进入人体后，会转化成维生素A。每一个胡萝卜分子可以转化成