在龐大的維生素家族中，最為人所熟悉的恐怕就是維生素C了。
作為人體必需的維生素之一，維生素C因其具有的超強(qiáng)抗氧化能力、自由基清除能力和其它相關(guān)生理功能，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品和飼料等各個領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，全球每年的維生素C需求量約為22萬噸，超過其它所有維生素類產(chǎn)品的總和，而且還在以每年10%左右的增速持續(xù)增長。
然而很多人并不清楚的是，擁有著最大“群眾基礎(chǔ)”的維生素C，其合成工藝卻幾乎是同類型維生素中最復(fù)雜的。這一缺陷也在很大程度上制約了維生素C產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
對此，江南大學(xué)未來食品科學(xué)中心陳堅院士團(tuán)隊教授周景文課題組歷經(jīng)十余年的刻苦攻關(guān)，在維生素C的一步合成工藝開發(fā)方面獲得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究為維生素C一步發(fā)酵工藝的實現(xiàn)提供了元件和方向，為大幅度降低維生素C生產(chǎn)過程中的能耗和成本奠定了重要的基礎(chǔ)。
日前，相關(guān)研究分別發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》和《生物資源技術(shù)》。
最常見的維生素，源于最復(fù)雜的方法
與很多維生素不同，維生素C雖然是人體所必需的微量元素，但人體并不能自然合成，只能通過外部攝取。然而，過于活躍的化學(xué)性質(zhì)又導(dǎo)致維生素C無法長期穩(wěn)定地存在于復(fù)雜的液體環(huán)境中。
“正因如此，工業(yè)上都是以合成維生素C的前體物質(zhì)——2-酮基-L-古龍酸的方式，實現(xiàn)維生素C的大規(guī)模生產(chǎn)。”周景文告訴《中國科學(xué)報》，但即便是合成這種物質(zhì)，過程也十分復(fù)雜。
目前，2-酮基-L-古龍酸的通常合成程序被稱為“三菌兩步法”，即首先在山梨醇培養(yǎng)基中加入特定種類的發(fā)酵微生物，使其發(fā)酵成為山梨糖。然后在其中加入兩種其他的發(fā)酵微生物，通過這種“混菌”的發(fā)酵體系，使山梨糖轉(zhuǎn)化成為2-酮基-L-古龍酸。
“之所以不能將3種發(fā)酵菌同時加入山梨醇培養(yǎng)基中，是因為后兩種發(fā)酵微生物不僅可以和山梨糖發(fā)生反應(yīng)，也會和山梨醇發(fā)生反應(yīng)并生成其他物質(zhì)。這就會大大降低發(fā)酵效率。”周景文課題組成員、江南大學(xué)未來食品科學(xué)中心博士后秦志杰解釋說。
然而，增加了額外的發(fā)酵步驟同樣會降低維生素C的合成效率，提升合成成本。周景文說，比如每次加入不同發(fā)酵微生物之前，都需要對發(fā)酵液進(jìn)行高溫滅菌，這意味著需要在很短時間內(nèi)將發(fā)酵液加溫至121攝氏度，同時又需要在很短時間內(nèi)，對高溫滅菌后的發(fā)酵液進(jìn)行降溫。“這是一個既耗時、又耗能、又耗錢的過程。”
此外，在此過程中還需要將一兩百噸的發(fā)酵液從一個儲藏罐中轉(zhuǎn)到另外一個罐中，單單這一過程就需要耗費好幾個小時。
“據(jù)我所知，除維生素C外的其他維生素的生物合成過程，幾乎都可以做到‘一菌一步’，但只有維生素C這種最常見的維生素，卻只能用最復(fù)雜的發(fā)酵方法制作。”周景文說。
實現(xiàn)“一菌一步”
維生素C復(fù)雜合成工藝背后所存在的原理性障礙，早在上世紀(jì)90年代便已經(jīng)為業(yè)內(nèi)所熟知，但多年來卻始終未被攻破。“以至于如果有誰宣稱成功完成了維生素C的‘一菌一步’發(fā)酵，大概率會被認(rèn)為是騙子。”周景文笑著說。
然而從2006年開始，經(jīng)過十幾年的努力，周景文團(tuán)隊卻實打?qū)嵉貙崿F(xiàn)了這一目標(biāo)。
在研究中，該團(tuán)隊以氧化葡萄糖酸桿菌為底盤菌株，通過引入山梨酮脫氫酶與山梨糖脫氫酶，成功構(gòu)建出可以直接利用山梨醇一步發(fā)酵合成2-酮基-L-古龍酸的工程菌株，在這種工藝下，每升山梨醇溶液在168小時內(nèi)可以生產(chǎn)出61.8克2-酮基-L-古龍酸。
同時，該團(tuán)隊還利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)，解析了山梨醇發(fā)酵過程中的關(guān)鍵限速酶——山梨酮脫氫酶的催化機(jī)制，并提升了它的活性，該成果也為一步發(fā)酵維生素C提供了優(yōu)良的酶元件。
為了更快地解決維生素C一步合成問題，課題組同時對以葡萄糖為底物的單菌一步發(fā)酵合成維生素C途徑進(jìn)行了研究。
“合成2-酮基-L-古龍酸的最初原料——山梨醇是通過葡萄糖轉(zhuǎn)化獲得的。我們的這項研究旨在通過研發(fā)新型維生素C合成工藝，省略‘合成山梨醇’這一步，實現(xiàn)從葡萄糖到2-酮基-L-古龍酸的直接轉(zhuǎn)化。”秦志杰說，目前他們已經(jīng)可以實現(xiàn)在5升的葡萄糖發(fā)酵罐內(nèi)，在62小時內(nèi)使2-酮基-L-古龍酸產(chǎn)量達(dá)到30.6克/升，葡萄糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到40%。
理應(yīng)把握的“先機(jī)”
雖然已經(jīng)在維生素C合成領(lǐng)域取得了令人矚目的成果，但周景文團(tuán)隊的研究并沒有停止，他們目前研究的一個重點方向是該項成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
“作為世界上需求量最大的維生素，僅僅在酸味劑領(lǐng)域，維生素C便已經(jīng)是僅次于檸檬酸的第二大酸味劑原料，其應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛由此可見一斑。”周景文說。
據(jù)海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，僅2023年8月，我國維生素C的出口量就達(dá)到14475.5噸，同比增20%。
“維生素C的生產(chǎn)還牽扯大量上下游產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。這就意味著如果不是我們，而是其他國家在維生素C合成領(lǐng)域取得突破，并大大壓縮相關(guān)生產(chǎn)成本，我們的產(chǎn)業(yè)必將受到非常嚴(yán)重的影響。”周景文說，根據(jù)估算，如果他們的成果進(jìn)一步提升效率并最終產(chǎn)業(yè)化，將有可能使維生素C的制備成本降低50%。
值得一提的是，雖然目前維生素C的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)十分廣泛，但如果制備成本大幅度下降，其應(yīng)用范圍仍可以繼續(xù)擴(kuò)展。
以賴氨酸為例，周景文介紹說，在其生產(chǎn)效率不高時，人們往往會選擇直接將其攝入到體內(nèi)，但隨著賴氨酸生產(chǎn)效率的提升，人們開始轉(zhuǎn)而將其加入到動物飼料中，并通過食用相關(guān)動物制品的方式補(bǔ)充賴氨酸。
“同樣的道理，如果維生素C的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量大幅度提升，其使用范圍也可能會擴(kuò)展至水產(chǎn)、養(yǎng)殖等領(lǐng)域。”周景文說，在這方面我們應(yīng)把握先機(jī)。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202301955
本文鏈接：維生素C合成，從“兩步完成”到“一步到位”http://m.lensthegame.com/show-11-1768-0.html
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