发酵法生产辅酶Q10研究进展*

郑 毅 王 娅 朱志春 邱婷玉 陈 燕

发酵法生产辅酶Q10研究进展*

郑 毅 王 娅 朱志春 邱婷玉 陈 燕

福建师范大学生命科学学院

辅酶Q10是一种重要的生化药物，主要生产方法有直接提取法、化学合成法与微生物发酵法，其中，微生物发酵法是最有前途的生产方法。该文综述了微生物发酵生产辅酶Q10的研究进展，内容包括辅酶Q10的生产菌种、高产菌株的选育手段、发酵培养基与发酵条件对辅酶Q10发酵的影响。

辅酶Q10微生物发酵法 研究进展

1 概述

辅酶Q10是一种脂溶性的醌类化合物，化学名称为2,3-二甲氧基-5-甲基-6-癸异戊烯基-1，4-二苯醌，别名癸烯醌、泛醌，分子式为C59H90O4，分子量为863.36，在室温下呈橙黄色结晶，无臭无味。辅酶Q10的生理功能与其两种生化作用密切相关：一是其具有的抗氧化能力，二是其在电子传递链上的角色，传递电子与质子，促进生成ATP。辅酶Q10还原态的、异戊二烯单体全为反式的结构比氧化态、异戊二烯单体全为顺式结构具有更高的活性和理化作用。目前辅酶Q10在医学上是一种很好的临床生化药物，常用于肝病、心血管疾病、癌症的综合治疗与提高机体的免疫力。在食品领域作为一种新型食品营养添加剂，具有增强体能与提高免疫力的作用。同时辅酶Q10对延缓衰老和提高机体免疫力有着不可代替的作用，被广泛应用于女性化妆品领域[1]。

2 辅酶Q10的生产方法

辅酶Q10的生产方法一般分为直接提取法、化学合成法、微生物发酵法等[2]。直接提取法主要从大豆、烟叶或动物内脏中进行分离和提取。提取法制备工艺较简单，但提取成本高，且受原料及季节等的限制，不适合于现代化工业大生产。化学合成法主要分为不以茄尼醇作为原料的全化学合成法、以茄尼醇作为原料的半化学合成法。化学合成法合成过程反应复杂、步骤多、转化效率低、往往还存在许多副产物，这些因素都影响了其产业化发展。微生物发酵法是目前生产辅酶Q10的最主要方法。该方法由于原料廉价丰富，产物分离过程相对简单，产物为天然品，不存在化合物手性问题，生物活性好，易被人体吸收，且可以通过发酵罐实现规模化工业化生产，因此成为最有发展潜力的辅酶Q10生产方法。

3 辅酶Q10主要产生菌及高产菌株选育

辅酶Q10产生菌大多为细菌[3]，主要包括荚膜红细菌、类球红细菌、浑球红细菌、沼泽红假单胞菌、深红红螺菌和根癌农杆菌等。通常微生物发酵产生辅酶Q10的产量在30～130mg/L，据估计要实现商业化生产，辅酶Q10的产量应该高于500mg/L[4]。在国际上，日本是最早开发辅酶Ｑ10的国家，报道的球红假单胞菌菌种生产水平达到770mg/L，收率达到70%以上，近几年来，韩国在辅酶Ｑ10领域的研究也较为深入，其中根癌农杆菌KCCM10413的发酵水平达到626mg/L。国内上世纪90年代开始发酵法辅酶Q10的研究，表1列出国内研究单位辅酶Q10主要菌种，目前我国多家企业参与开发和发酵生产，其中厦门金达威集团、神舟生物已经投入工业化生产，所生产的辅酶Q10产品已经占据市场相当大的份额。

辅酶Q10高产菌株主要选育方法是采用传统诱变选育辅酶Q10高产菌株，即将辅酶Q10的出发菌株经过一些诱变因子处理，如紫外诱变和NTG诱变，然后选育出营养缺陷型、抗反馈调节、抗葡萄糖分解阻遏的辅酶Q10高产菌株，表2列出国内成功选育的典例。近年也有采用基因工程育种与基因改组育种选育辅酶Q10高产菌株的相关报道[5-10]。

表1 国内开发辅酶Q10主要菌种

4 发酵培养基对辅酶Q10发酵的影响

4.1 碳、氮源对辅酶Q10发酵的影响

碳、氮源是微生物生长所需的重要营养因子，其中碳源是构成微生物细胞的骨架，为各种代谢提供能量；氮源提供微生物其它细胞结构的原材料。不同种类的蛋白质，其氨基酸的种类和含量具有一定的差异，培养基中部分氨基酸的浓度对其产物具有很大的影响，不同的微生物对碳、氮源的需求也不一样。吴祖芳等考察了玉米浆、蛋白胨、葡萄糖、酵母膏、糖蜜、蔗糖等几种碳氮源和添加物以及流加发酵生长因子对放射型根瘤菌WSH2601（WSH2601）的细胞生长和辅酶Q10合成的影响[5]，实验证明，最佳碳源为蔗糖，其次为糖蜜和葡萄糖；最佳氮源为玉米浆，其次为酵母膏，蛋白胨较差些。魏宝东等考察蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、可溶性淀粉对合成辅酶Q10的影响，结果表明最佳碳源为蔗糖，辅酶Q10产量为40.54mg/L，其次是葡萄糖。

4.2 生长因子和无机盐对辅酶Q10发酵的影响

不同的生长因子对产物形成的影响具有一定的差异，如氨基酸、核酸碱基、维生素和天然氮化物在不同菌种中影响大小不同。潘春梅等[9]研究了几种促进剂对放射型根瘤菌细胞生长及其辅酶Q10发酵的影响，结果表明：VB1对辅酶Q10的合成起明显促进作用，当VB1添加量为10mg/L，乙酸钠2g/L，花生油2g/L时，辅酶Q10产量达到50.7mg/L，比对照组分别提高33%。

一些金属离子也能提高辅酶Q10的产量，袁静等[10]研究表明适当浓度的Co2+、Fe2+、Mg2+等对辅酶Q10的合成具有一定的促进作用，Mg2+是辅酶Q10合成过程中的关键酶的辅基，Fe2+起着电子传递的作用[10]。

5 发酵条件对辅酶Q10发酵的影响

5.1 溶氧对辅酶Q10发酵的影响

据文献报道，通气量是辅酶Q10发酵的一个重要影响因素，大多数的辅酶Q10发酵都为有氧发酵。对于某些菌体而言，较高的溶氧有利于辅酶Q10的合成，有些菌种低氧有利于辅酶Q10的合成。Hajime Yoshidat研究表明，低通气量时可以促进和辅酶Q10的合成，高通气量抑制了辅酶Q10的合成[11]。吴祖芳等[8]研究表明，发酵的不同时期溶氧对辅酶Q10的合成具有不同的影响，前期菌体的快速生长，溶氧应高些，在细胞稳定期后，应控制为低氧，有利于辅酶Q10的合成。

5.2 pH对辅酶Q10发酵的影响

pH是微生物发酵代谢活动中一个重要的综合指标，是发酵中一个重要的参考参数。pH对菌体的生长和代谢产物的积累有很大的影响。在生产中通过检测和控制适当的生产pH，可以促进菌体合成辅酶Q10。在实际生产发酵中调节pH具有以下几个手段：（1）用碳酸钙作为缓冲剂；（2）用氨水来调节pH；（3）控制补糖的速率。许激扬等[12]研究表明，酵母菌SY-3在pH=4时辅酶Q10较高。叶博等[13]研究表明黄色隐球酵母菌在pH=6.5时辅酶Q10产量最大。

5.3 发酵温度对辅酶Q10发酵的影响

温度对辅酶Q10的积累具有一定的影响，主要体现在两个方面：（1）温度既影响菌体的生长，同时也对辅酶Q10的生物合成具有影响，比如影响代谢途径的方向。（2）温度影响发酵液的粘稠度，影响溶解氧的传递和基质的溶解。陈亮等[14]研究表明，粉红掷孢酵母最适合菌体生长和发酵温度为28～32℃，当温度在30℃时，辅酶Q10含量达到最高。姜剑文等[15]研究表明，根癌农杆菌最适发酵温度为32℃。

6 展望

随着辅酶Q10的需求量不断攀升，利用微生物发酵法生产辅酶Q10显得愈发重要。为了进一步降低生产成本，一方面要加快高产菌株的选育进程，采用分子生物学技术的新型育种手段，应用代谢工程的方法选育高产菌株，构建工程菌株。另一方面，要进一步深入研究辅酶Q10发酵过程生化研究，优化发酵过程各个参数的工艺控制，同时建立自动化控制模式，从而实现工程菌的高效表达。

[1] 韩少英, 窦洁, 周长林. 发酵法生产辅酶Q10的研究进展[J]. 药物生物技术, 2006, (03):227-232.

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[13] 叶博, 刘玲, 李革. 黄色隐球酵母生产辅酶Q10发酵条件的优化[J]. 微生物学杂志, 2005(4):60-63.

[14] 陈亮, 朱振华, 陈五岭等. 辅酶Q10的高产菌种筛选及发酵工艺优化[J]. 西北大学学报(自然科学版), 2007(3):429-432.

[15] 姜剑文, 陈光, 王立梅等. 根癌农杆菌发酵生产辅酶Q10的培养条件优化[J]. 安徽农业科学, 2010(12):6128-6130.

* 福建省教育厅资助项目，编号JA10067。