應用微生物合成維生素的研究進展

程音

【摘要】維生素是維持機體正常生長發(fā)育和生理功能所必須的物質，廣泛應用于醫(yī)療、藥品、食品、飼料等各個領域。維生素的生產多采用化學合成法，化學合成與生物轉化相結合的半合成法在維生素生產中得到了廣泛應用。目前可以用發(fā)酵法或半合成法生產的維生素有維生素C、維生素B12、維生素D、以及β-胡蘿卜素等。本文對以上幾種維生素微生物合成的研究進展進行綜述。

【關鍵詞】微生物;發(fā)酵;維生素

【中圖分類號】R969.3

【文獻標志碼】A

【文章編號】1005-0019（2020）15-297-01

維生素的生產多采用化學合成法，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。在此基礎上，化學合成與生物轉化相結合的半合成法在維生素生產中得到了廣泛應用。目前可以用發(fā)酵法或半合成法生產的維生素有維生素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的生產方法有化學合成法、化學合成與生物轉化并用的半合成法。微生物在維生素C的生產中，起到了不可或缺的作用?；瘜W合成法主要是萊氏法，萊氏法是1933年德國化學家Reichstein等發(fā)明的最早應用于工業(yè)生產維生素C的方法。20世紀30年代以前，維生素C主要從檸檬中分離提取，價格高昂，遠不能滿足人們的需要。1933年首次實現(xiàn)用L-木酮糖（L-xylosone）化學合成維生素C，在此基礎上Bremus等引入一步生物發(fā)酵將D-山梨醇（D-sorbitol）轉化為L-山梨糖（L-sorbose），實現(xiàn)從D-葡萄糖化學合成維生素C，并用于工業(yè)化生產。“萊氏法”經過大量的優(yōu)化改進，然而由于其高能耗，一些化學反應需要高溫、高壓條件，易造成環(huán)境污染等，各國學者一直致力于尋找更經濟、有效的替代工藝。于是，微生物轉化法的生物技術工藝逐漸被重視。上世紀70年代初，中國科學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過程，簡化了生產工藝，降低了生產成本，減少了“三廢”污染，多年以來一直為國內廠家所使用。二步發(fā)酵法生產維生素C可以分為發(fā)酵、提取和轉化三大步驟，即D-山梨醇先經細菌氧化為L-山梨糖，再通過細菌發(fā)酵生成維生素C前體2-KLG，最后用化學法將2-KLG轉化為維生素C。

目前，用于工業(yè)化生產維生素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，已經失去了維生素C生產的主導地位。而“二步發(fā)酵法”雖然解決了萊氏化學合成過程的“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，今后的研究重點是利用基因工程技術，重組構建新型工程菌株，實現(xiàn)以葡萄糖為底物直接生產維生素C的一步發(fā)酵途徑。

2微生物生產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，在人體和動物體內可以轉化為維生素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：化學合成法、植物提取法和微生物發(fā)酵法。其中，化學合成由于技術復雜而產品售價高難以作為工業(yè)化生產途徑，從植物中提取類胡蘿卜素也因為絕大多數(shù)植物的類胡蘿卜素含量很低，同時還受到氣候產地和運輸條件的限制而難以工業(yè)化生產。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氨基酸和維生素等，色素提取后，可以作為單細胞蛋白質加以綜合利用。因此，利用微生物發(fā)酵生產類胡蘿卜素成為工業(yè)化生產中的主要方式。可產生β-胡蘿卜素的菌種主要有酵母和真菌，酵母發(fā)酵的β-胡蘿卜素產量不高，真菌中的三孢布拉氏霉（B.trispora）是理想的生產菌株，資料報道，培養(yǎng)5～6d，胡蘿卜素產量在1000mg/L以上;H.J.Pepphler在800L發(fā)酵罐試驗中，β-胡蘿卜素產量為1112mg/L。微生物生產類胡蘿卜素具有相同的優(yōu)點，生物活性高、生產周期短、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。每升培養(yǎng)液中類胡蘿卜素的產量為：三孢布拉氏霉>紅酵母>杜氏藻>光合細菌，其中三孢布拉氏霉和杜氏藻已經開始產業(yè)化生產β-胡蘿卜素，紅酵母的生產周期較短，但國內的類胡蘿卜素產量還比較低，提高紅酵母的類胡蘿卜素產量成為了國內外的研究熱點，有望成為接下來實現(xiàn)產業(yè)化生產β-胡蘿卜素的微生物菌種。

3微生物生產維生素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，對健康關系較密切的是維生素D2和維生素D3。隨著對維生素D類藥物生理功能研究的深入，其應用更加廣泛，需求量也更多，目前以瑞士的羅氏公司產量最大。

活性維生素D類藥物作為一類高效原料藥，目前主要采用化學合成法?；瘜W合成法制備活性維生素D3，需進行多步的基團保護和脫保護，經光照反應，開環(huán)和異構化而得。合成步驟多，分離純化復雜，收率低，阻礙了其廣泛使用。而生物轉化法能完成一些化學合成難以進行的反應，具有較強的區(qū)域選擇性和立體選擇性，在溫和均一的條件下容易實現(xiàn)自動化和反應的重現(xiàn)性，且成本低，對環(huán)境的污染小。近幾年來對微生物轉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轉化能力的菌株還可以以維生素D2為底物，轉化生成25-OH維生素D2。Natsumi等通過基因克隆，在大腸桿菌中成功表達鏈霉菌P450SU-1。該蛋白除了可以將維生素D3轉化為1-α，25-二羥維生素D3外，還對維生素D2具有25-位羥基化作用。在其催化下，主要產物為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物維持生長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，能促進血液中有形物質的成熟，用于治療惡性貧血和其他細胞型貧血，具有去脂性，防止脂肪在肝中的沉積。在機體受到射線的作用后，B12能恢復造血功能。

維生素B12可從肝臟中提取，也可用化學合成法合成，但此兩種方法的生產成本高，不適應工業(yè)化生產。因而，目前主要用微生物法來生產，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）和費氏丙酸桿菌（Propionibacteriumfreudenreichil）是廣泛應用于工業(yè)生產的維生素B12生產菌。脫氮假單孢菌最早應用于生產，法國RPR（Rhone-PouleneRerer）實驗室利用統(tǒng)誘變育種方法和基因工程手段已經成功改造了脫氮假單孢菌，使其產量達到約300mg/L。費氏丙酸桿菌也具有有自己的優(yōu)點：符合美國FDA的GRAS要求，在生長過程中不產生內毒素和外毒素?？梢园踩珣糜卺t(yī)藥和食品添加劑工業(yè)。此外費氏丙酸柯菌發(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。

目前利用贊氏丙酸桿菌發(fā)酵生產維生素B12越來越引起人們關注。實質上混合培養(yǎng)發(fā)酵就是利用其它微生物分解費氏丙酸桿菌產生的自身代謝抑制物，促進費氏兩酸桿菌生長，從而提高維生素B12發(fā)酵產量。微生物發(fā)酵法生產維生素具有產量高、穩(wěn)定性強、污染小等特點，正因為這些特點近年來利用微生物發(fā)酵法生產各類維生素的研究引起了國內外學者的廣泛關注，對于這方面的研究也很多。在上述文章中，對微生物合成維生素C、維生素B2、維生素B12、維生素D、以及β-胡蘿卜素的研究進展進行了綜述，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)化生產的發(fā)展趨勢，需要國內外學者的共同努力來實現(xiàn)更大的進步。

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