维生素C生产工艺综述

维生素C生产工艺综述

摘要:介绍了维生素C 的性质、功能和用途。综述了维生素C 生产技术的演变过程和发展趋势。着重探讨了微生物发酵法的生产工艺进展。介绍了二步发酵法的研发现状,探讨了2 - 酮基- L- 古龙酸的分离提取工艺。展望了我国维生素C 生产技术的前景。

关键词:维生素C ,功能,二步发酵法,发酵,2 - 酮基- L —古龙酸,分离提取

The Overview on the Production Process of Vitamin C Abstract : Characters , functions and uses of vitamin C are introduced. Developmental process and trend of industrial technology on vitamin C are reviewed. Advances in industrial technology of microbiological fermentation method are discussed emphatically. After present situation of R &D of the two steps fermentation method is introduced , the separation and purification processes of 2- keto-L- gluconic acid are discussed. The direction of industrial technology on vitamin C in China is previewed.

Key words : Vitamin C ,Function , Two steps fermentation method ,Fermentation , 2- keto-L-gluconic acid , Separation and extraction

维生素C(vitaminC ,以下简称Vc) 又名L - 抗坏血酸(L - ascorbicacid) ,是一种人体必需的水溶性维生素。Vc 广泛存在于生物组织中,在新鲜水果、蔬菜和动物肝脏等中的含量尤为丰富。绿色植物能够自己合成Vc ,而人和许多动物由于肝脏中缺少一种古洛内酯氧化酶,因而不能自己合成,必须从外界摄取。

1.维生素C 的性质、功能和用途

性质

纯维生素 C 在常温下为无色晶体,味酸,易溶于水。Vc 在结晶状态尚稳定,而在水溶液中则很不稳定,容易为加热、氧化所破坏。

L-抗坏血酸具有较强的还原性,在体内经抗坏血酸氧化酶的作用可脱氢氧化成L-脱氢抗坏血酸,该脱氢反应是一个可逆反应。还原型的L-抗坏血酸和氧化型的L-脱氢抗坏血酸均具有生理活性,它们构成的一对氧化- 还原系统,在细胞代谢中起着重要的生理作用[1 ]。

功能与用途

Vc 在人体中具有广泛的生理作用:1) 参与体内氧化还原反应[2 ] ;2) 对抗自由基损伤[3 ] ;3) 改善机体免疫功能[4 ] ; 4) 参与胶原蛋白和细胞间质的合成[2 ] ;5) 参与神经递质的合成[2 ] ;6) 参与氨基酸代谢与铁代谢[2 ] ;7) 抑制血小板及白细胞活化[2 ];等等。因此,Vc 在坏血病[5 ]、感冒、心血管缺陷、高胆固醇、糖尿病、精神抑郁症[6 ]、危重型克山病等疾病的临床治疗中均具有重要的用途。此外,Vc还可以用作食品添加剂、饲料添加剂、某些农作物的催熟剂、化妆品工业防锈剂[6 ] ,等等。

的生产方法

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VC的方法。该法以葡萄糖为原料,经催化加氢制取D - 山梨醇,然后用醋酸菌发酵生成L - 山梨糖,再经酮化和化学氧化,水解后得到2 - 酮基- L - 古洛糖酸(2 - KLG) ,再经盐酸酸化得到VC。莱氏法生产的VC产品质量好、收率高。由于生产原料廉价易得,中间产物的化学性质稳定,至今仍是许多国外VC生产商,如Roche公司、BASF / Takeda 公司和E. Merck公司等厂商采用的主要工艺方法。但是莱氏法也存在不少缺陷,诸如生产工序多、劳动强度较大,使用大量有毒、易燃化学药品,容易造成环境污染等。为此,自20世纪60年代起,各国学者一直致力于莱氏法的改进。其过程如图1所示：

H2/ Ni 醋酸杆菌丙酮/ H2SO4

D-葡萄糖D-山梨醇L-山梨糖双丙酮-L-山梨糖高压[O]

水解化学转化

双丙酮-2-酮基-L-古洛糖酸2- KLC Vc

NiSO4

图1莱氏法生产Vc的工艺流程

二步发酵法

我国的混合菌发酵工艺是20 世纪70 年代由中国科学院微生物研究所和北京制药厂共同建立的，包括 2 个发酵步骤，故称两步发酵法。第一步是在醋酸杆菌作用下将D－山梨醇氧化为L－山梨糖，俗称醇糖转化，目前国外对其相关基因和转化机制的研究已经比较清楚；第二步是在一种混合菌系的作用下将L－山梨糖进一步氧化为KGA，俗称糖酸转化[7]。上述混合菌系包括2 种微生物，直接负责山梨糖生物氧化的微生物俗称小菌，最初曾被鉴定为氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans），最近Urbance等[8] 经系统分类学鉴定对其重新命名为普通酮古龙酸菌（Ketogulonigenium vulgare）。另一种微生物俗称大菌，本身不能转化山梨糖，作为伴生菌起到辅助小菌生长和产酸的作用。许多微生物具有这

种伴生菌的作用，生产中常用的有腊状芽孢杆菌（Bacillus cereus）、巨大芽孢杆菌（B．megaterium）、苏芸金芽孢杆菌（B．thuringiensis）等。目前国内Vc 生产厂家都采用混合菌发酵法，该法是惟一成功应用于大规模Vc 工业生产的微生物转化法，具有糖酸转化效率高的突出优势。目前我国Vc 生产规模占世界总生产规模的2 ／3，其中80％的产品用于出口，是我国医药领域的支柱产业。混合菌发酵法在国内的成功应用也引起了国外的广泛关注。1986 年，我国的两步发酵法向瑞士Hoffmann La－Roche 公司进行了技术转让。其过程如图2所示：

H2/ Cat 醋酸杆菌大菌、小菌

D - 葡萄糖 D - 山梨醇 D - 山梨糖 2 – KLG

混合发酵化学转化

Vc

图2二步发酵法生产Vc的工艺流程

大、小菌关系的研究进展

二步发酵法中的第二步发酵是由氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）和巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）混合发酵完成的，前者为产酸菌俗称小菌，但单独培养传代存活率及产酸能力较低。后者为伴生菌俗称大菌，它不产酸，混合培养时产酸显着提高。混合发酵中大小菌两者关系复杂，一直是国内外学者研究的热点。

魏东芝[9]曾提出大菌为小菌提供某种生长因子促进小菌生长的设想。

冯树等[10]研究证实，大菌胞内液和胞外液均可促进小菌生长，大菌胞外液中具有该作用的组分分子量在100kDa以上；大菌胞外液具有促进小菌产酸，其胞内液无该作用；大菌胞外液中具有该活性作用的组分为30-50kDa和大于100kDa 两个部分。其中前者是一种含铁和锌的蛋白质，该活性蛋白的形成规律和作用机制尚在探索中。

焦迎晖[11]等通过分析Vc二步发酵过程中活菌产酸量、糖酸转化活力等，证明了大菌的胞外液或胞内液对小菌休止细胞的糖酸转化活力并没有直接影响，即大菌的作用仅仅是促进小菌的生长，而对产酸的促进作用是因使小菌密度提高的结果。目前，大、小菌的详细混生机制尚未完全明了，仍需人们进一步探索。

菌种选育的研究

有关二步发酵法中的第二步发酵过程的菌种选育一直是微生物发酵法生产维生素C研究的热点课题之一，我国学者作了大量的工作。

尹光琳等[7]采用紫外照射、化学诱变和原生质体融合等方法选育得到的新组合菌系SCB 329—SCB 933的发酵周期仅40—50h，产酸达115—130mg/mL，转化率约为90%。

焦鹏等[12]运用SMA探针技术HB—HG影印技术筛选得到了一株蛭弧菌J26，摇瓶发酵产生2—KLG的发酵单位为50—60 mg/mL。通过优化发酵条件，该菌株