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188维生素维生素类生产工艺维生素是一类生物生长和代谢所必需的、具有特殊功能的小分子有机化合物，其既不是细胞的组成物质，也不是能量物质。一般分为脂溶性和水溶性两大类，脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。不同的维生素对物质代谢的调节作用是不同的。机体缺少某种维生素时，可使物质代谢过程发生障碍，从而使机体不能正常生长，以至发生不同的“维生素缺乏症”。例如，缺乏VBl可引起脚气病，缺乏VA会引起夜盲症，缺乏维生素VC会引起坏血病等，总之，维生素在维持机体的代谢中起着十分重要的作用。一、维生素C(VitaminC，VC)维生素C又名抗坏血酸(Ascorbicacid)，呈白色粉末，无臭，味酸，熔点190～192℃，易溶于水和甲醇，略溶于乙醇，不溶于乙醚、氯仿及石油醚等。具有较强的还原性，易受光、热、氧等破坏，在碱液中或有微量金属离子存在时，分解更快，但干燥结晶后较稳定。VC是一种人体必需的水溶性维生素，也是一种抗氧化剂，广泛应用于医药、食品、饲料等领域。维生素C的合成常通过化学或微生物方法获得，下面介绍主要的维生素C合成法。1.莱氏法1933年瑞士化学家莱齐特因等用化学合成方法合成维生素C取得成功，也称莱氏法。该法是最早生产维生素C的方法，也是国外采用的方法。工艺路线如图8-1所示。工艺流程如下：（1）菌种的获得以D-葡萄糖为原料，加氢催化生成D-山梨醇，再加入醋酸菌如Acetobactersuboxyclans、A．raucons、A．aceti、A．Xylinoides等将山梨醇氧化成山梨糖，D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨糖双丙酮-L-山梨糖双丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸2-KGA维生素CH2/催化剂发酵氧化丙酮/硫酸次氯酸钠硫酸镍H3O+化学转化图8-1莱氏法合成维生素C的工艺路线189常使用的是A．suboxyclan和A．melangenum，这是该工艺过程中关键的一步。（2）第一步发酵a.在进行发酵时采用的条件是温度为26～30℃，最适pH值为4.4～6.8。b．培养基的成分：0.5％酵母浸膏为主要营养源，山梨醇浓度为19.8％，通气量比1:1.8，30℃培养30～40h，收率可达97.6％。可采用流加山梨醇的方式发酵；有机氮提供氮源。发酵结束后经低温灭菌，得到无菌的发酵液用于第二步发酵。（3）第二步发酵将氧化葡萄杆菌或假单胞杆菌经过二级种子扩大培养转移至含有上述发酵液的培养基中，于发酵罐28～34℃培养60～72h，发酵液转化，精制，获得维生素C。注意在发酵过程需采用阳离子交换树脂将山梨醇中的金属离子去掉，因为Ni2+，Cu2+阻止菌的发育，Fe抑制发酵。该法生产的维生素C产品质量好、收率高，达60％，而且生产原料易获得，中间产物化学性质稳定，一直是国外生产维生素C的重要方法。此法也存在着很多缺陷，如生产工序繁多、劳动强度大、大量有机溶剂的使用易造成环境污染等。２.二步发酵法二步发酵工艺是中国科学院微生物研究所和北京制药厂于1975年合作发明的，此法进一步发展了维生素C的生产，是目前唯一成功应用于维生素C工业生产的微生物转化法。工艺路线如图8-2所示。生产过程如下：（1）第一步发酵以D-葡萄糖为原料，加氢催化生成D-山梨醇，再加入假单孢杆菌氧化获得L-山梨糖。（2）第二步发酵L-山梨糖通过小菌氧化葡萄糖酸杆菌和大菌巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等伴生菌混合发酵得维生素C前体2-酮基-L-古龙酸。（3）提取采用弱碱性离子交换树脂从发酵液中直接提取2-酮基-L-古龙酸，用甲醇-硫酸溶液洗脱,将洗脱液直接内酯化、烯醇化为维生素C。（4）精制将上述维生素C通过活性炭脱色，于结晶罐内加入晶种结晶，冷乙醇洗涤，低温干燥，即可获得精品维生素C。在生产中，第一步要严格控制反应过程的pH为8.0～8.5，避免葡萄糖的C-2位差向异构物被还原成甘露醇。整个发菌期间，要保持葡萄糖酸杆菌数量的一定，小菌将L-山梨糖转化为2-KLG，而大菌本身不产酸，是搭配菌，其作用仅是通过刺激小菌的生长而促进小菌产酸。2-酮基-L-古龙酸首先在甲酯中用浓硫酸催化酯化成2-酮基-L-古龙酸甲酯，再加入碳酸氢钠转化成维生素C盐，经离子交换树脂酸化，在50～55℃下减压烘干即得粗品。目前我国采用二步发酵法生产维生素C。3.新二步发酵法该法在工艺程序，原料方面都有所简化，收率高，应用前途广，但存在中间产物不稳定，生产效率较低、成本高等问题。实现工业化生产还需进一步完善。工艺路线如图8-3。图8-2二步发酵法合成维生素C的工艺路线D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨糖维生素CH2/催化黑醋酸菌内脂化、烯醇化大菌、小菌混合发酵第一步：第二步：L-山梨糖2-KGA1904.一步发酵法该法发展了新二步发酵法。通过一个基因工程菌将葡萄糖直接氧化生成维生素C前体2-酮基-L-古龙酸，技术路线简单。目前人们已经分离了棒状杆菌2，5-DKG还原酶基因并将该基因重组到欧文氏菌，从而使生产工艺简化为一步。随着重组技术的发展，一步发酵法将成为工业化生产VC的一条新途径。工艺路线如图8-4。在上述几种方法中，目前二步发酵法是我国生产维生素C的主要工艺方法。随着分子生物学技术手段的发展，新二步发酵法和一步发酵法将是生产维生素C的主要工艺方法。思考题：1．什么是维生素?根据溶解性质不同，维生素分为哪两大类?各包括哪些?2．简述“莱氏法”发酵生产维生素C的工艺流程及两步发酵法生产维生素C的优点。参考文献5．陈来同等.生物化学产品制备技术.北京：科学技术文献出版社，2004.16.宋文新，邵庆均.维生素C二步发酵合成法的研究进展[J]，中国饲料，2008，197.燕方龙.维生素C生产工艺研究进展[J]，医药综述，2007，10D-葡萄糖2，5-二酮-D-葡萄糖酸2-酮-L-古龙酸维生素C欧文菌棒杆菌菌图8-3新二步发酵法生产维生素C的工艺路线2-KGA维生素C工程菌D-葡萄糖图8-4一步发酵法生产维生素C的工艺路线