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维生素发酵微生物

讲述了维生素的作用和目前仅有维生素C、维生素B2、维生素B12、维生素D、β-胡萝卜素等少数几种维生素可完全或部分地利用微生物进行工业生产。

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维生素发酵微生物

microorganisms of vitamin fermentation

用于发酵合成及其前体的微生物。

生命活动必需的要素

维生素是人体生命活动必需的要素,主要以辅酶或辅基的形式参与生物体各种化合反应。维生素在医疗中发挥了重要作用,如维生素B族用于治疗神经炎、角膜炎等多种炎症,维生素D是治疗侗偻病的重要药物等等。维生素还应用于畜牧业及饲料工业中。

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、B2。B12、D、以及β一胡萝卜素等。

维生素C又称抗坏血

维生素C又称抗坏血酸(ascorbic acid),能参与人体内多种代谢过程,使组织产生胶原质,影响毛细血管的渗透性及血浆的凝固,刺激人体造血功能,增强机体的免疫力。另外,由于它具有较强的还原能力,可作为抗氧化剂,已在医药、食品工业等方面获得广泛应用。维生素C的化学合成方法一般指莱氏法,后来人们改用微生物脱氢代替化学合成中L一山梨糖中间产物的生成,使山梨糖的得率提高一倍,我国进一步利用另一种微生物将L一山梨糖转化为2一酮基L一古龙酸,再经化学转化生产维生素C,称为两步法发酵工艺。

维生素C

维生素C 一种水溶性维生素,在新鲜蔬菜和水果中含量丰富。可利用弱氧化葡糖酸杆菌、生黑葡糖酸杆菌和醋酸杆菌属的某些菌株进行由D-山梨醇到L-山梨糖的氧化(通称一步发酵法)。被用作底物的D-山梨醇由D-葡萄糖媒促还原制备。L-山梨糖经化学氧化生成L-抗坏血酸,需先生产L-酮基-L-古洛糖酸,然后加酸处理,才可转化为维生素C。1933年,化学家T.赖希施泰因首先提出这一方法,并用于工业生产。因反应过程长,并需要大量强氧化剂,所以污染严重,连续操作困难。20世纪60年代以来,美国、日本、法国和联邦德国以某些种的葡糖酸杆菌、假单胞菌、欧文氏菌、短杆菌和棒杆菌,分别利用D-葡萄糖、D-山梨醇或L-山梨糖作底物,发酵产生2-酮基-L-古洛糖酸,但至今还未用于工业生产。

中国科学院微生物研究所和北京制药厂协作,曾于1970年筛选到可将 L-山梨糖氧化成2-酮基-L-古洛糖酸的、由两种细菌组成的自然组合共栖菌株N1197A。两种细菌是条纹假单胞杆菌和氧化葡糖酸杆菌,在单独培养时,前者不产酸,后者产酸微弱。采用上述的氧化葡糖酸杆菌与芽孢杆菌属或假单胞杆菌属的菌株混合培养,可以产生维生素C的前体,即2-酮基-L-古洛糖酸。这是维生素C的二步发酵法。

维生素C一步和二步发酵法

第一步发酵是生黑葡糖杆菌(或弱氧化醋杆菌)经过二级种子扩大培养,种子液质量达到转种液标准时,将其转移至含有山梨醇、玉米粉、磷酸盐、碳酸钙等组分的发酵培养基中,在28~34℃下进行发酵培养。在发酵过程中可采用流加山梨醇的方式,其发酵收率达95-,培养基山梨醇浓度达到25-时也能继续发酵。发酵结束,发酵液经低温灭菌,得到无菌的含有山梨糖的发酵液,作为第二步发酵的原料。

第二步发酵是氧化葡糖杆菌(或假单胞杆菌)经过二级种子扩大培养,种子液达到标准后,转移至含有第一步发酵液的发酵培养基中,在28~34℃下培养60~72h。最后发酵液浓缩,经化学转化和精制获得维生素C。

在用维生素C一步和二步发酵法生产中,起主要氧化作用的葡糖酸杆菌对作用底物(D-山梨醇或L-山梨糖)的分子结构进行特异性改变,是典型的微生物转化:

[ 1737-01][1737-02]葡糖酸杆菌革兰氏阴性,细胞呈长或短杆状,极生鞭毛或不具鞭毛,能在pH4.5时生长,可氧化葡糖生成葡糖酸并具有多元醇生酮作用。最适生长温度30~35℃(弱氧化葡糖酸杆菌)或18~21℃(氧化葡糖酸杆菌)。

中国首先使用二步发酵法进行维生素 C的工业生产,生成的2-酮基-L-古洛糖酸转化率为80-,维生素C总收率在45-以上。

维生素 又名核黄素,为水溶性维生素,是一种咯嗪衍生物,奶、鸡蛋、禾本科植物胚芽以及动物肝、肾、心脏中大量存在。很多微生物可生成维生素,用于工业生产主要是棉阿舒囊霉和阿舒假囊酵母。此外,许多种的假丝酵母,多种霉菌和细菌也能少量形成维生素。

棉病囊菌又称棉针孢酵母,是一种子囊菌,在它的生活史中,先由营养细胞生成营养菌丝,到达具有孢子囊的阶段,孢子囊成熟后释放出孢子。而孢子囊是同宗配合形成的,与异宗配合的阿舒假囊酵母不同。这两种子囊菌在核黄素制备中都有重要价值。

核黄素发酵所用碳源除碳水化合物外,还有液体的油脂。美、日、英、苏、德国已用微生物发酵法生产核黄素。中国1960年开始用阿舒假囊酵母固体发酵法制造核黄素,作为奶糕的营养添加物。使用深层培养法,核黄素的最高产量可达7000微克/毫升以上。

生素 又称钴胺素,是具有抗恶性贫血特殊效应的化合物。很多种细菌都能合成维生素。最初采用的生产菌株是从粪便中分离到的黄杆菌和诺卡尔氏菌等。某些酵母菌和丝状真菌也都具有合成维生素的能力。在工业生产中,采用巨大芽孢杆菌、费氏丙酸杆菌、舒氏丙酸杆菌、橄榄色链霉菌以及某些种的节杆菌合成维生素。钴是维生素合成的必要元素,在基质中最适浓度的钴能提高的产量。

维生素也可从生产抗生素的多种链霉菌发酵菌线中提取。在污水、活性污泥中维生素的含量很多。

β-胡萝卜素 即维生素A原,它在人的肠粘膜中转变成维生素 A。接合霉、好食脉孢菌以及菌核青霉等都能合成 β-胡萝卜素。目前适合于工业生产的只有三孢布拉氏霉的正、负菌株。此外,某些绿藻中合成类胡萝卜素的量也很高,可用于生产叶黄素。β-胡萝卜素还可以由铜绿假单孢菌在pH7.0时转变成维生素A。

麦角甾醇 维生素的原维生素,它大量存在于各种高等真菌的子实体、青霉、曲霉和各种菌丝以及多种酵母的细胞中。先使细胞质壁分离再抽提脂肪,从中即可获得麦角甾醇。此法已用于工业生产。

其他如生物素 即维生素H,可由棒杆菌、分枝杆菌及毛霉等许多属的微生物合成,白喉杆菌和黑曲霉可利用庚二酸合成生物素,酵母和脉孢菌则可利用脱硫生物素合成。对氨基苯甲酸可由某些金黄色葡萄球菌制备。有许多细菌可用于合成另一种重要的维生素──叶酸。另外,硫胺素(维生素)可由大肠杆菌和酵母菌合成,硫胺素作为工业酒精发酵的副产物和某些肠道细菌具有合成维生素K(萘醌化合物)的能力;某些假丝酵母、根霉通过外消旋缩合反应,可以分离得到-生育酚(维生素E)的异构体。

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