应用微生物合成维生素的研究进展
2020-10-19程音
程音
【摘要】维生素是维持机体正常生长发育和生理功能所必须的物质,广泛应用于医疗、药品、食品、饲料等各个领域。维生素的生产多采用化学合成法,化学合成与生物转化相结合的半合成法在维生素生产中得到了广泛应用。目前可以用发酵法或半合成法生产的维生素有维生素C、维生素B12、维生素D、以及β-胡萝卜素等。本文对以上几种维生素微生物合成的研究进展进行综述。
【关键词】微生物;发酵;维生素
【中图分类号】R969.3
【文献标志码】A
【文章编号】1005-0019(2020)15-297-01
维生素的生产多采用化学合成法,后来人们发现某些微生物可以完成维生素合成中的某些重要步骤。在此基础上,化学合成与生物转化相结合的半合成法在维生素生产中得到了广泛应用。目前可以用发酵法或半合成法生产的维生素有维生素C、维生素B12、维生素D、以及β-胡萝卜素等。
1微生物生产维生素C
维生素C(vitaminC)即L-抗坏血酸(L-ascorbicacid,L-AA),是一种水溶性维生素,最早从肾上腺中分离得到。人体中缺乏L-古龙酸-1,4-内酯氧化酶(L-gulono-1,4-lactoneoxidase),无法自身合成维生素C,必须依靠膳食摄取。
维生素C的生产方法有化学合成法、化学合成与生物转化并用的半合成法。微生物在维生素C的生产中,起到了不可或缺的作用。化学合成法主要是莱氏法,莱氏法是1933年德国化学家Reichstein等发明的最早应用于工业生产维生素C的方法。20世纪30年代以前,维生素C主要从柠檬中分离提取,价格高昂,远不能满足人们的需要。1933年首次实现用L-木酮糖(L-xylosone)化学合成维生素C,在此基础上Bremus等引入一步生物发酵将D-山梨醇(D-sorbitol)转化为L-山梨糖(L-sorbose),实现从D-葡萄糖化学合成维生素C,并用于工业化生产。“莱氏法”经过大量的优化改进,然而由于其高能耗,一些化学反应需要高温、高压条件,易造成环境污染等,各国学者一直致力于寻找更经济、有效的替代工艺。于是,微生物转化法的生物技术工艺逐渐被重视。上世纪70年代初,中国科学院微生物研究所和北京制药厂合作,研制成功了“二步发酵法”制备维生素C的新工艺。此法以生物氧化过程代替莱氏路线中的部分纯化学过程,简化了生产工艺,降低了生产成本,减少了“三废”污染,多年以来一直为国内厂家所使用。二步发酵法生产维生素C可以分为发酵、提取和转化三大步骤,即D-山梨醇先经细菌氧化为L-山梨糖,再通过细菌发酵生成维生素C前体2-KLG,最后用化学法将2-KLG转化为维生素C。
目前,用于工业化生产维生素C的方法主要是“莱氏法”和“二步发酵法”。“莱氏法”因其种种弊端,已经失去了维生素C生产的主导地位。而“二步发酵法”虽然解决了莱氏化学合成过程的“三废”等问题,但该方法涉及二步三种菌,菌种传代困难,操作工序繁琐,不能直接把葡萄糖作为发酵原料。因此,今后的研究重点是利用基因工程技术,重组构建新型工程菌株,实现以葡萄糖为底物直接生产维生素C的一步发酵途径。
2微生物生产β-胡萝卜素
β-胡萝卜素是橘黄色脂溶性化合物,它是自然界中最普遍存在也是最稳定的天然色素,在人体和动物体内可以转化为维生素A。β-胡萝卜素是类胡萝卜素中的一种,到目前为止,已知的类胡萝卜素有600多种。
目前类胡萝卜素可以通过三种方法生产:化学合成法、植物提取法和微生物发酵法。其中,化学合成由于技术复杂而产品售价高难以作为工业化生产途径,从植物中提取类胡萝卜素也因为绝大多数植物的类胡萝卜素含量很低,同时还受到气候产地和运输条件的限制而难以工业化生产。而利用微生物发酵类胡萝卜素,由于菌体含有丰富的蛋白质氨基酸和维生素等,色素提取后,可以作为单细胞蛋白质加以综合利用。因此,利用微生物发酵生产类胡萝卜素成为工业化生产中的主要方式。可产生β-胡萝卜素的菌种主要有酵母和真菌,酵母发酵的β-胡萝卜素产量不高,真菌中的三孢布拉氏霉(B.trispora)是理想的生产菌株,资料报道,培养5~6d,胡萝卜素产量在1000mg/L以上;H.J.Pepphler在800L发酵罐试验中,β-胡萝卜素产量为1112mg/L。微生物生产类胡萝卜素具有相同的优点,生物活性高、生产周期短、成本低等,但是不同微生物发酵培养略有不同,有其各自的特点。每升培养液中类胡萝卜素的产量为:三孢布拉氏霉>红酵母>杜氏藻>光合细菌,其中三孢布拉氏霉和杜氏藻已经开始产业化生产β-胡萝卜素,红酵母的生产周期较短,但国内的类胡萝卜素产量还比较低,提高红酵母的类胡萝卜素产量成为了国内外的研究热点,有望成为接下来实现产业化生产β-胡萝卜素的微生物菌种。
3微生物生产维生素D
维生素D为固醇类衍生物,具抗佝偻病作用,又称抗佝偻病维生素。维生素D家族成员中最重要的成员是D2和D3。维生素D均为不同的维生素D原經紫外照射后的衍生物。植物性食物一般含维生素D极少,但往往含维生素D原。维生素D是一种脂溶性维生素,有五种化合物,对健康关系较密切的是维生素D2和维生素D3。随着对维生素D类药物生理功能研究的深入,其应用更加广泛,需求量也更多,目前以瑞士的罗氏公司产量最大。
活性维生素D类药物作为一类高效原料药,目前主要采用化学合成法。化学合成法制备活性维生素D3,需进行多步的基团保护和脱保护,经光照反应,开环和异构化而得。合成步骤多,分离纯化复杂,收率低,阻碍了其广泛使用。而生物转化法能完成一些化学合成难以进行的反应,具有较强的区域选择性和立体选择性,在温和均一的条件下容易实现自动化和反应的重现性,且成本低,对环境的污染小。近几年来对微生物转化法制备活性维生素D3的研究越来越多,尤其以日本研究最广。维生素D2与维生素D3同属甾体药物,研究还发现某些具有维生素D3转化能力的菌株还可以以维生素D2为底物,转化生成25-OH维生素D2。Natsumi等通过基因克隆,在大肠杆菌中成功表达链霉菌P450SU-1。该蛋白除了可以将维生素D3转化为1-α,25-二羟维生素D3外,还对维生素D2具有25-位羟基化作用。在其催化下,主要产物为25-OH维生素D2、24-OH维生素D2、27-OH维生素D2。
4微生物生产维生素B12
维生素B12又称钴胺素或氰钴素,是人类及其他一些动物维持生长和生血的一种最重要的维生素,它是造血过程的生物催化剂,能促进血液中有形物质的成熟,用于治疗恶性贫血和其他细胞型贫血,具有去脂性,防止脂肪在肝中的沉积。在机体受到射线的作用后,B12能恢复造血功能。
维生素B12可从肝脏中提取,也可用化学合成法合成,但此两种方法的生产成本高,不适应工业化生产。因而,目前主要用微生物法来生产,许多微生物在不同培养基中都能合成维生素B12。具备合成维生索B12能力的微生物主要为放线菌和细菌。此外酵母及某些霉菌也具有合成维生素B12的能力。脱氮假单孢菌(Pseudomonasdenitrificans)和费氏丙酸杆菌(Propionibacteriumfreudenreichil)是广泛应用于工业生产的维生素B12生产菌。脱氮假单孢菌最早应用于生产,法国RPR(Rhone-PouleneRerer)实验室利用统诱变育种方法和基因工程手段已经成功改造了脱氮假单孢菌,使其产量达到约300mg/L。费氏丙酸杆菌也具有有自己的优点:符合美国FDA的GRAS要求,在生长过程中不产生内毒素和外毒素。可以安全应用于医药和食品添加剂工业。此外费氏丙酸柯菌发酵过程中几乎不需要通气,具有能耗低、染菌概率小等优势。
目前利用赞氏丙酸杆菌发酵生产维生素B12越来越引起人们关注。实质上混合培养发酵就是利用其它微生物分解费氏丙酸杆菌产生的自身代谢抑制物,促进费氏两酸杆菌生长,从而提高维生素B12发酵产量。微生物发酵法生产维生素具有产量高、稳定性强、污染小等特点,正因为这些特点近年来利用微生物发酵法生产各类维生素的研究引起了国内外学者的广泛关注,对于这方面的研究也很多。在上述文章中,对微生物合成维生素C、维生素B2、维生素B12、维生素D、以及β-胡萝卜素的研究进展进行了综述,除此之外,微生物还能合成维生素E、维生素K等其他维生素。利用微生物合成维生素是维生素工业化生产的发展趋势,需要国内外学者的共同努力来实现更大的进步。
参考文献
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