核黃素及其生產(chǎn)工藝

天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 伍麗娜 孫 皓

核黃素及其生產(chǎn)工藝

天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 伍麗娜 孫 皓

一、核黃素概念

核黃素（維生素B2，vitamin B2，ribof avin）分子式為C17H20O6N4，分子量為376.36。其化學(xué)名稱為7，8 –二甲基 –10 – [（2S，3S，4R） –2，3，4，5 –四羥基戊基] – 3，10 –二氫苯并蝶啶– 2，4–二酮，系統(tǒng)命名為7，8 –二甲基–10 –（1’– D –核糖基）異咯嗪[7，8 – dimethy – 10 –（1’– D –ribityl）soalloxazine]。

二、核黃素的理化性質(zhì)

核黃素是黃色到橙黃色細(xì)針狀結(jié)晶，微臭，微苦，在278～282℃熔融并且分解（約在240 ℃時(shí)變色）。當(dāng)溫度在25～27.5 ℃時(shí)，核黃素在水中的溶解度為0.10～0.13 g/L；當(dāng)溫度在27.5 ℃時(shí)，在無水乙醇中為0.045 g/L。核黃素微溶于戊醇、環(huán)己醇、苯甲醇（芐醇）、乙酸戊酯和酚中，不溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯中；易溶于稀堿液中，但這種溶液不穩(wěn)定。

核黃素?zé)岱€(wěn)定性好，但在堿性或酸性溶液中易分解。核黃素的水溶液呈黃色并有綠色熒光，在特定波長(zhǎng)處有最大吸收峰。核黃素對(duì)酸類、空氣和普通氧化劑，例如溴素和硝酸（鉻酸、KMnO4和過硫酸鉀等除外）是穩(wěn)定的。核黃素可以與金屬形成鹽，也可以與Fe（Ⅱ/ Ⅲ）、Mn（Ⅴ/ Ⅵ）、Cu（Ⅰ/Ⅱ）和Ag（Ⅰ/Ⅱ）等形成金屬復(fù)合物。

核黃素結(jié)構(gòu)中有7，8 –二甲基異咯嗪雜環(huán)和D –核糖醇，其中異咯嗪環(huán)中的第一位和第十位兩個(gè)氮原子可被還原，在生物代謝過程中有遞氫作用，并與機(jī)體內(nèi)的ATP作用生成黃素單核苷酸（Flavin Mononucleotide，F(xiàn)MN）。FMN再與ATP作用，就生成黃素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide，F(xiàn)AD）。

核黃素是機(jī)體必需微量營養(yǎng)素之一，具有廣泛的生理機(jī)能，被世界衛(wèi)生組織（WHO）列為評(píng)價(jià)人體生長(zhǎng)發(fā)育和營養(yǎng)狀況的六大指標(biāo)之一。核黃素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑和飼料添加劑工業(yè)中。符合《美國藥典》要求的核黃素可制成供口服的片劑、供注射的水溶液，或者可以含有煙酰胺或其增溶劑。作為動(dòng)物飼料的一種添加劑，核黃素通常被加入28 mg/kg，其具體用量取決于動(dòng)物的種類和年齡。

三、核黃素的生產(chǎn)方法

核黃素主要有三種生產(chǎn)方法：一是生物發(fā)酵法，該法又分為傳統(tǒng)的酵母菌發(fā)酵法和新型的基因工程菌發(fā)酵法；二是化學(xué)合成法，以D –葡萄糖為原料，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)合成；三是化學(xué)半合成法，以D –葡萄糖為原料經(jīng)發(fā)酵生成D –核糖，再以D –核糖為原料進(jìn)行化學(xué)合成。目前，在工業(yè)上應(yīng)用較多的核黃素生產(chǎn)方法有酵母菌發(fā)酵法、基因工程菌發(fā)酵法、化學(xué)合成法和化學(xué)半合成法。

1. 酵母菌發(fā)酵法。酵母菌發(fā)酵法生產(chǎn)核黃素已有約60年的歷史，可代謝產(chǎn)生核黃素的微生物很多，但真正應(yīng)用于核黃素生產(chǎn)的菌種卻很有限。目前，工業(yè)生產(chǎn)中主要以棉病囊菌（Ashbya gossypii）、枯草芽孢桿菌（Bcillus subtiltis）和阿舒氏假囊酵母（Eremothecium ashbyii）等作為核黃素生產(chǎn)菌種。

核黃素發(fā)酵生產(chǎn)工序主要為：培養(yǎng)菌種→發(fā)酵→噴霧干燥→檢驗(yàn)包裝→成品。酵母菌發(fā)酵法生產(chǎn)核黃素，因具有生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)有效、易于自動(dòng)化控制、產(chǎn)品無毒、純度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于核黃素的工業(yè)生產(chǎn)。酵母菌發(fā)酵法的發(fā)酵周期較長(zhǎng)，發(fā)酵單位較低，其生產(chǎn)效率也低于半合成法。

德國的巴斯夫（BASF）公司是全球第二大維生素生產(chǎn)商，采用微生物發(fā)酵生產(chǎn)核黃素已經(jīng)有十多年的歷史；瑞士的羅氏公司用微生物發(fā)酵法取代化學(xué)合成法生產(chǎn)核黃素；我國的湖北廣濟(jì)藥業(yè)公司也以微生物發(fā)酵法生產(chǎn)核黃素，年產(chǎn)量超過300 t。

2. 基因工程菌發(fā)酵法。隨著生命科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)90年代以來，出現(xiàn)了一種利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)核黃素的新方法，即運(yùn)用DNA重組技術(shù)構(gòu)建出能夠過量合成核黃素的基因工程菌，取代原先使用的酵母菌。通過基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)核黃素，基因工程菌的發(fā)酵周期短，發(fā)酵單位高，既有酵母菌發(fā)酵法產(chǎn)品質(zhì)量好的特點(diǎn)，又有化學(xué)半合成法生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)，代表了核黃素生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展方向。

世界上主要的核黃素生產(chǎn)公司目前都在轉(zhuǎn)向采用基因工程菌發(fā)酵法生產(chǎn)核黃素。瑞士的Roche公司采用以枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）為受體菌的基因工程菌，并已用于核黃素的工業(yè)化生產(chǎn)；德國的BASF公司正在開發(fā)以酵母菌為受體菌的基因工程菌，用來生產(chǎn)核黃素；日本除使用枯草芽孢桿菌為受體菌的基因工程菌外，還開發(fā)了以產(chǎn)氨棒狀桿菌（Corynebactia aminogensis）為受體菌的產(chǎn)核黃素基因工程菌。

3. 化學(xué)合成法。核黃素是一個(gè)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜和龐大的異咯嗪分子。從化學(xué)合成角度剖析，其結(jié)構(gòu)可分為核糖、二甲苯胺、巴比妥酸三部分?；瘜W(xué)合成法一般以葡萄糖為起始原料，經(jīng)過氧化、轉(zhuǎn)化、內(nèi)酯化，還原成核糖，與二甲苯胺縮合經(jīng)氫化成核糖胺，再經(jīng)偶合與巴比妥酸環(huán)合成核黃素。

目前，純粹的化學(xué)合成方法已很少應(yīng)用于核黃素的合成。該工藝的缺點(diǎn)不僅是核黃素的總收率較低，而且還在異構(gòu)化作用中還形成大量的副產(chǎn)品，使分離提純難以進(jìn)行。同時(shí),在汞齊的還原作用中采用大量的汞往往會(huì)造成產(chǎn)物和環(huán)境的嚴(yán)重污染。雖然核黃素化學(xué)合成的工藝經(jīng)過多次改進(jìn)，但隨著基因工程菌核黃素發(fā)酵工藝的引入和核黃素前體D –核糖發(fā)酵產(chǎn)率的不斷提高，化學(xué)合成法因步驟繁瑣、分離提純困難以及成本較高，目前已完全被取代。

4. 化學(xué)半合成法。采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)D –核糖，以D –核糖為原料通過合成法生產(chǎn)核黃素，稱為核黃素半合成生產(chǎn)法。該法的關(guān)鍵在于D –核糖發(fā)酵水平的高低。在獲得D –核糖后，從D –核糖開始，經(jīng)氫化等各步反應(yīng)獲得核黃素的過程與化學(xué)合成法是一樣的。

與全化學(xué)合成法相比，化學(xué)半合成法工藝簡(jiǎn)化、成本較低，長(zhǎng)期以來是核黃素工業(yè)生產(chǎn)的主要方法之一。但是用此法生產(chǎn)核黃素也存在一些工藝問題。例如，偶合物含量測(cè)定用甲酸作溶劑，甲酸具有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性，且價(jià)格昂貴；環(huán)合過程中所用催化劑冰醋酸是由生產(chǎn)過程中回收的含有冰醋酸的醋酸丁酯和一部分新的冰醋酸作為催化劑，這樣冰醋酸的用量具有較大的不確定性?，F(xiàn)行環(huán)合反應(yīng)工藝是在115 ℃下反應(yīng)9 h，從經(jīng)濟(jì)上綜合考慮，是否為最佳反應(yīng)溫度和時(shí)間，還有待進(jìn)一步確定。