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

的发酵单位已达到%—%。

许安等[13]利用离子注入技术选育出的2—KLG高产菌系IPPM—1028，其转化率较出发菌M—2980提高%，发酵周期为60—h，2—KLG浓度可达70 mg/mL左右，转化率为95%。

李越中[6] 采用含pUB 110质粒的小菌转化子（KmrSts）与Q132（KmsStr）大菌进行原生质体融合，获得可连续传代10代以上的小菌，这将为实现小菌的单独培养以及对小菌的遗传学研究打下基础。

陈建华等[14]用配对法筛选得一株氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter oxydans）10—3的优良伴生菌短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus）97002,L—山梨糖的转化率达90%左右。初步尝试两菌属间原生质体融合。

尽管有关二步发酵法第二步发酵过程的菌种选育的研究进行了很多，但仍处于实验室研究或小试阶段。

发酵工艺条件的研究

微生物发酵是一个极其复杂的生化反应过程。基质浓度、温度、PH等因素对微生物的生长和产物的形成都会产生直接影响。国内一些学者对二步发酵法工艺进行了深入的研究。

魏东芝等[9]研究了VC二步发酵过程的动力学，通过测定发酵中大小菌生长规律及基质和产物的变化，建立了简化的动力学模型，在一定程度上揭示了2KLG发酵系统的本质特征，为分析发酵过程，指导生产及实现生产连续自动化奠定了基础。

张忠泽[15]等通过优化通气、温度和金属离子等环境因子，显着改善了二菌协同共生效果，醇酸转化率提高了%，发酵周期缩短了。

针对L—山梨糖浓度不高的问题，尹光琳等[7]通过对新组合菌系SCB329—SCB933批加L—山梨糖技术的研究，既避免了高糖对菌体生长的抑制作用，又能利用菌株的优良特性，使底物浓度提高到14%。

康学真[16]等通过对VC二步发酵中大小菌的比例对产酸的影响，测定和分析了零级、一级、二级种子的生长曲线，得出了各级种子的最适培养时间、零级种子培养最初接种量及大小菌的接种比例，对实践有指导作用。

蒋宇扬、张成刚[17]研制了几种稀土元素化合物，考察了它们对2—酮基L—古龙酸还原酶（KGR）及在L—山梨糖发酵中对2—KLG产酸的影响，摇瓶试验结果表明，在L—山梨糖发酵中加入稀土元素化合物，发酵时间缩短6h，2—KLG产酸量提高超过6 mg/mL。

李越中[6]采用聚乙烯/海藻酸钙包埋对大、小菌进行固定化，获得高于游离菌的产酸量；并采取种子液活化的方法使固定化细胞半衰期延长至10批次。

提取工艺

二步发酵法两次发酵以后,发酵液中仅含8 %左右的2 - KLG,而残留菌丝体、蛋白质、多糖或悬浮微粒等杂质的含量却很高。这给2 - KLG的分离提纯带来了很大困难,致使后处理费用占总成本的比例较大。目前, VC工业生产中常用的2 - KLG的分离提纯方法有加热沉淀法、化学凝聚法和超滤法。

(1)加热沉淀法

加热沉淀法是2 - KLG分离提纯的传统工艺,分离手段较为落后。此工艺通用氢型树脂,调pH至蛋白质的等电点后加热除蛋白。采用此工艺会造成有效成分在高温下降解损失,且发酵液直接通过树脂柱,造成树脂表面污染,降低树脂的交换容量和收率。两次通过树脂柱带进了大量水分,也增大了浓缩耗能。

(2)化学凝聚法

化学凝聚法是通过加入化学絮凝剂来除去蛋白质、菌体、色素等杂质,避免了加热沉淀时有效成分的损失。季光辉等[ 18 ]采用化学凝聚法对VC发酵液进行预处理,使2 -KLG的滤液质量提高,提取前步收率提高5. 2% , VC总收率提高2. 5%以上。陈雷等[19 ]以壳聚糖为主凝剂,聚丙烯酰胺为助凝剂,通过化学凝聚法除蛋白工艺,提取收率由原来的76%提高到82% ,古龙酸优级品率由原来的35%提高到60% ,成本比原来降低20%。

但是,化学凝聚法也存在不足,主要表现在处理后的发酵液离心后所得的上清液中仍然存在一定量的蛋白,如发酵液染菌则处理的效果更不明显,上清液浑浊,严重影响产品的质量和收率。此外,所用的化学絮凝剂也可能对环境造成污染。

(3)超滤法

超滤是一种新兴的膜处理技术,此法具有操作方便、节能、不造成新的环境污染等优点,因此在2 - KLG的分离提纯中的应用日益广泛[ 20 ]。此法与加热沉淀法不同的是,可在常温下操作,可减少有效成分的损失; 在用膜除蛋白的过程中,无任何新的化学物质加入,可减少对树脂的污染和损耗,降低酸碱用量,减少三废排放。与化学凝聚法不同的是,在处理染菌的发酵液时仍可达到较好的处理效果。我国的东北制药厂1995 年从丹麦引进目前全国最大膜面积的平板超滤装置后, 2 - KLG的分离提纯成本比原先的化学凝聚法节约了600万元,其收率和生产的自动化、连续化程度也明显提高[ 21]。

随着新型膜材料技术的开发,如陶瓷膜、不锈钢膜等的应用,超滤法的应用效果会有进一步的提高。同时,国内外正在探索反渗透、纳滤等后序处理新工艺的应用,以完善工艺联结[22 ]。

(4)其它方法

除上述三种方法外,目前还有仍处于小试阶段的离子交换法和溶媒萃取法的研究报道。刘坐镇等[23]用离子交换法对发酵液中2 - KLG的提取工艺进行了研究,系统考察了四种大孔弱碱性阴离子交换树脂对2 - KLG的静态和动态吸附性能以及影响因素,并对洗脱条件进行了探索。钱卫国等[24]对溶媒萃取法的提取工艺进行了初步研究,筛选出了较为合适的萃取剂、稀释剂、助萃剂和反萃剂,考察了pH值、无机酸和相比对萃取性能的影响,并对三级逆流萃取过程进行了串联模拟。

转化工艺

无论是莱氏法还是二步发酵法制得的2 - KLG,目前在生产上都是通过化学反应过程转化为VC。根据所选试剂的不同,二步发酵法可分为酸转化法和碱转化法[ 25 ]。

(1)酸转化法

VC化学转化生产,自莱氏法建立以来就采用浓盐酸催化2 - KLG ,一步制得VC。国外有关学者对此法进行了许多研究。印度Ahmedbad Textile 工业研究协会研究表明,在以饱和氯代烃(如CHCl3 ) 、芳烃(如苯、甲苯)为溶剂,由2 - KLG与浓盐酸在60～75 ℃下反应4～6 h ,可制得纯度为90 %的粗VC[26 ]。美国学者YOD ICE 等[ 27 ] 于1985 年报道了2 - KLG 与浓盐酸在表面活性剂Me(CH2 ) 5N +Me3Cl的甲苯溶液中反应,可制得纯度超过99%的VC。近年来,关于一步酸转化法制VC的研究报道更是层出不穷。1999 年,美国有关专利指出,在氧化钴为催化剂的体系中, 2 - KLG与足量的次氯酸反应可制得高纯度的VC[ 28 ]。2000年,德国学者FECHTEL等[ 29]报道了2 -KLG与浓盐酸在4. 5Mpa的高压釜中于42 ℃反应3 h ,可制得VC,收率高达95 %。

酸转化法工艺简单,操作步骤少,但反应过程中选用浓盐酸对设备腐蚀严重。另外,由于在反应体系中引入了惰性溶剂或表面活性剂,使后期的分离造成不便。

(2)碱转化法

我国VC生产厂家均采用碱法转化2 - KLG生产VC。东北制药总厂等生产单位将2 - KLG与甲醇在浓硫酸催化下生成2 - 酮基- L - 古龙酸甲酯,该酯在NaHCO3 作用下发生内酯化反应生成VC钠盐。该法避免了酸催化的上述缺点,且操作工艺简单,反应条件温和,适合于规模化生产,但是在生产中的反应周期过长,甲醇单耗高[30]。有些单位尝试用CH3ONa代替NaHCO3 进行碱转化,转化率可高达92. 6 % ,但产品质量较差,且甲醇钠价格贵,造成生产成本较高[31 ]。

国外学者对碱转化的研究也一直在进行。Bottcher等[32 ]用丁醇代替甲醇,采用浓硫酸催化,在真空度0. 02MPa 、85 ℃的条件下与2 - KLG进行反应, 2 h后蒸去多余的丁醇及生成的水,向反应体系中加入氯乙烯和盐酸,在72～75 ℃加热17 h,过滤后得到纯度为98 %的VC。

Veits[ 33 ]用离子交换树脂作催化剂,使2 - KLG与甲醇的反应液于80 ℃下在树脂柱中停留10～120 min,然后将酯化液与NaHCO3 作用得到纯度为98 %的粗VC钠盐。美国Fastman化学公司的研究人员将模拟流动床( SMB)反应器应用于该酯化反应,通过SMB反应器脱水以促进酯化反应的进行[ 34 ]。Oklobdzu等[ 35 ]通过二步酯化过程促进酯化反应的进行,有效地实现了分离反应产物和反应过程中生成的水。

由VC钠盐制备VC所采取的主要方法是硫酸酸化法和树脂交换法[36 ]。硫酸酸化法操作简单,但需妥善控制甲醇的浓度和pH值,才能使硫酸钠与VC得以分离。氢型离子树脂交换法设备庞大,操作复杂,且需经常再生树脂,增加了酸耗,酸液大量排放容易对环境造成威胁。目前,人们正在积极探索使用双极性膜(BipolarMembrane Electrodial2ysis,BME)来代替传统的酸化工艺[ 37～39 ] ,其工作原理为:在直流电场作用下, 双极性膜中的水被离解成H+和OH- ,H +替换VC钠盐中的Na +结合成离解度小的VC,原VC钠盐中的Na +在电场的作用下通过阳离子交换膜从VC钠盐中分离出来, 并和OH- 结合生成NaOH。双极性膜电渗析法无需

外加物料可将VC钠盐转化成VC,过程简单,能耗低,投资少,转化率高,其副产品和NaOH稀溶液也可被有效利用,对环境无污染,有望应用到实际生产中。

新二步发酵法

新二步发酵法最先是由日本盐野义制药公司园天高康等发明的，也称葡萄糖串联发酵法[40]，其工艺流程如图3所示。

欧文氏菌 帮杆菌 化学转化 D - 葡萄糖 2 ,5 – DKG 2 - KL G Vc

图3 新二步发酵法工艺流程

园天高康等[41]用欧文氏菌SHS 2006突变株和棒状杆菌SHS 2007的突变株进行10t串联发酵的中间实验表明，由葡萄糖到2—KLG的总转化率为84%。

我国的尹光琳[7]等20于20世纪90年代初已经开始进行这方面的研究，他们诱变选育出欧文氏菌（Er-winiasp.）SCB 247产2,5—DKG的能力提高了%，所得到棒状杆菌诱变株SCB 3058具有较高的产2—KLG能力（mL）。另外，

张刚等[42]对SCB 247和SCB 3058串联发酵产2—KLG的工艺条件也做了研究，得出了类似的结果。这些研究为进一步简化的生产工艺打下了基础。

新二步发酵法省去了D—葡萄糖加氢生成D—山梨醇的步骤，大大简化了生产工序，收率也很高，很有应用前途。但这种方法还存在许多问题，如中间产物2，5—DKG对热不稳定，转化效率低，成本高。其在反应条件、菌体利用等方面，与工业生产还具有一定的距离。

一步发酵法

不能以葡萄糖作为直接发酵原料是二步发酵法的最大缺陷之一。以D - 葡萄糖高压加氢转化生成D - 山梨醇,不仅需要大量的能源和设备,操作上也存在很大的危险性。考虑若能将欧文氏菌和棒状杆菌相关的特性结合于一种微生物中,构建VC“基因工程菌”,就可实现从D - 葡萄糖到2 - KLG的一步发酵。近年来,基因工程菌的研究已成为世界上热点课题之一,美国、瑞士、法国、日本等许多国家都着力开展了此方面的研究。其过程如图4所示：

工程菌 化学转化

D - 葡萄糖 2 - KL G Vc

图4 一步发酵法工艺流程

1985 年,美国Genen2tech 公司Anderson 等人[ 43 ] 成功地分离纯化了棒杆菌(Corynebacterium sp. ) ATCC31090的2, 5 - DKG还原酶,并分析了该酶N - 端的40个氨基酸序列,用原位杂交法从部分基因文库中筛选到一个基因片段,再以已知片段为探针得到了完整基因,最终该基因被重组到了另一株发酵生产菌草生欧文氏菌( E. herbicola ATCC21998)中,得以有效表达,从而实现了从D - 葡萄糖到2 - KLG

的一步发酵。该法的合成效率很低,只有5%左右,主要是由于合成2, 5 -DKG的3种关键酶D - 葡萄糖脱氢酶、D - 葡萄糖酸脱氢酶、2 - 酮基- D - 古龙酸脱氢酶(存在于周质中)与2, 5 -DKG还原酶(存在于胞质)在细胞中所处位置的较大差异造成。后来Grindley等[ 44 ] 经过改进, 将棒杆菌的2, 5 -DKG还原酶的基因在E. citreus 上表达, 将收率提高至49%。国内部分VC生产厂家以及中科院上海生物工程研究中心也在进行此项课题的研究,并取得了很大的进展。陈策实等[ 45 ]从棒状杆菌SCB 3058中初步纯化得到的2个2, 5 - DKG还原酶,将2, 5 - DKG还原酶I基因片段在大肠杆菌中得到表达。所有这些都为最终构建基因工程菌打下了基础。

由于至今尚未找到使葡萄糖直接发酵产生VC的微生物菌种,目前发酵产生的2 - KLG到VC的转化仍是通过化学方法。为了得到完整的使用细菌合成VC的生物转化途径,各国学者都在寻找能够利用2 - KLG合成VC的菌种。目前, Asakura 等人[ 46] 已从Zymomonas mobilis, Es -cherichia coli以及Fusarium oxysporum 中分离出了内酯化酶,可以用于2 - KLG到VC的转化,但是反应效率极低,尚有待进一步研究。

3.展望

VC是我国自主知识产权开发的首批西药之一,也是我国最主要的出口创汇原料药之一。二步发酵法是我国VC生产的主要工艺方法,然而该法不能直接以葡萄糖为发酵原料,且涉及二步发酵三种菌,工序繁琐。采用基因工程等先进技术,选育直接以葡萄糖为发酵原料的优良菌株和优化发酵条件将是我国VC生产技术研究的主要方向。此外,目前世界上很多国家正尝试以真核生物为研究对象,利用它们合成VC的代谢途径开发更加环保的生物合成方法[ 47～49 ]。从我国的二步发酵法推广后逐步取代莱氏法这一过程可以预测,随着生物技术的不断发展和更具优势的生物合成VC方法的不断涌现,生物法必将完全取代化学法在VC生产中的地位。为了保持我国在世界VC生产上的优势地位,必须加强VC生产的基础研究工作。

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