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云展览微科普
走进中国科学院创新成果展
（十）维生素C发酵及环境友好生产新技术
地理大发现时期
远行的海员常会患上坏血病
原因是长期吃不到新鲜蔬果
引发体内缺乏维生素C
维生素C是人体不可缺少的有机物质
但我们自身却无法合成
只能从外部摄取
中国科学院利用维生素发酵工艺
以及环境友好的生产新技术
为我们的生产生活提供保障
“云展览微科普”
本期讲述维生素C的故事
快来看看下面的视频吧
维生素C生产技术成果短视频
1.什么是维生素C?
维生素C（VitaminC，简称Vc）是一种结构类似葡萄糖的六碳多羟基化合物，其化学名称为2,3,5,6-四羟基-2-己烯-4-内酯，分子式C6H8O6，分子量.12。Vc分子中有两个手性碳原子，故有四种旋光异构体。Vc分子结构中第2和3位上两个相邻的烯醇式羟基极易解离而释放出H+，具有酸的性质，又叫L-抗坏血酸。它具有很强的还原性，是一种水溶性维生素。
图1.维生素C的化学结构式
2.人体为什么要摄入维生素C？
Vc广泛存在于新鲜水果（如猕猴桃、柑桔、柠檬等）及蔬菜（如西兰花、辣椒、卷心菜等）中。大多数哺乳动物都能靠肝脏来合成Vc，但人类等少数动物缺乏Vc合成的关键酶—L-古洛糖酸内酯氧化酶，所以无法自身合成，必须从日常饮食中获取。根据《中国居民膳食指南版》，我国普通成年人Vc推荐摄入量为mg/天，而多数文献认为成年人的最佳摄入量为-mg/天。
3.维生素C有哪些功能与作用？
Vc在动物体内参与许多重要的代谢反应。它参与体内的羟化作用，促进胶原蛋白的合成；参与胆固醇的转化及芳香族氨基酸的代谢；有助于食物蛋白质中的胱氨酸还原为半胱氨酸，进而促进抗体形成；能促进叶酸还原为四氢叶酸后发挥作用，对巨幼红细胞性贫血有一定疗效；可以缓解铅、汞、镉、砷等重金属对机体的毒害作用；它有抗肿瘤、抗病毒作用，促进淋巴细胞生成、提高吞噬细胞吞噬能力、促进免疫球蛋白合成，从而提高机体抗肿瘤、抗病毒的能力；通过逐级供给电子而转变为半脱氢抗坏血酸和脱氢抗坏血酸的过程清除体内超负氧离子（O2-）、羟自由基(OH-)、有机自由基（R-）和有机过氧基（ROO-）等自由基。总之，维生素C具有抗氧化、解毒、提高免疫力、促进伤口愈合等多种重要功能。
4.维生素C的应用与市场？
因为Vc生物学功能多样，所以被广泛应用于医药、食品、化妆品、饲料等领域，市场需求巨大。Vc年产销量超过12万吨，是世界上销量最大、应用范围最广的维生素产品。世界上工业化生产的Vc均产自我国，是我国出口量最大的原料药。
5.维生素C的工业化生产技术？
Vc的工业化生产技术，经历了浓缩提取法、化学合成法和生物发酵法三个阶段。现在Vc工业化生产全部采用我国在上世纪七十年代开发的“两步生物发酵法”。该方法由中国科学院微生物研究所和北京制药厂合作研发，从余株菌种中筛选到高效菌株，实现L-山梨糖到2-酮基-L-古龙酸（以其为底物，经酯化转化后合成Vc）的生物转化，替代原化学转化过程，省去了大量有毒有害试剂，并大幅降低生产成本，是目前唯一应用于工业化生产的方法。
图2.Vc二步发酵法工艺流程示图
6.维生素C工业生产中需解决的难题？
Vc两步生物发酵法的突出特征是其第二步发酵（L-山梨糖到2-酮基-L-古龙酸的生物转化）为两种菌的混合发酵，一种为产酸菌（普通生酮基古龙酸杆菌），具备完整的转化酶系，但单独培养时生长缓慢，发酵效率极低，需依赖另外一种菌（伴生菌）的伴生才能快速生长和产酸。伴生菌不能单独产古龙酸，但能为产酸菌的生长和产酸提供保障，成为产酸菌的依赖菌。因此，Vc的第二步发酵过程实为“伴生菌依赖性混菌发酵”。
在这种混菌发酵过程中，两种菌在营养和空间上存在激烈竞争，但在实际混菌发酵控制中极难平衡两菌的各自需求，往往顾此失彼，导致混菌关系失衡，使发酵效率低下甚至发酵失败，严重影响了生产的高效稳定运行，是阻碍Vc发酵效率进一步提升的技术瓶颈问题。
图3.混菌过程难以调节是制约发酵效率提升的瓶颈问题
另外，我国Vc发酵工业年排放废古龙酸母液约4万吨和废菌渣约12万吨。废古龙酸母液化学需氧量（ChemicalOxygenDemand，COD）值高达80-万mg/L（约为生活污水COD值的0倍）且pH值小于1.0，难以处理；废菌渣COD值达10万mg/L，呈溶胶态难以沉淀。这两种废弃物排放量巨大且COD值极高，此前尚无有效的资源化利用途径，给企业带来巨大环保压力，是Vc产业亟待解决的另一个技术瓶颈问题。
图4.维C生产排放大宗废弃物
废菌渣（左）和废母液（右）
7.解除伴生依赖性的Vc发酵新技术？
针对伴生依赖性制约发酵效率提升问题，中国科学院沈阳应用生态研究所联合东北制药集团股份有限公司和沈阳农业大学，历时十余年，对Vc混菌发酵机理、伴生活性物质、关键代谢酶、发酵过程调控等方面开展系统深入研究。从分子水平上揭示了混菌发酵中伴生菌和产酸菌间的相互作用规律和机理，确认伴生活性物质为一个3.6万道尔顿的酸性单亚基蛋白质。进一步研发出简便、廉价的伴生活性制剂制备技术与工艺，通过以特定方式添加伴生活性物质替代伴生菌，结合山梨糖→古龙酸的酶促催化双平台控制手段，最终首次创建了伴生依赖性解除的Vc发酵新技术及其工艺。
新发酵技术较传统混菌发酵技术的古龙酸收率提高了4.3个百分点，发酵周期缩短了17.5%，同时节省原材料和能耗16.4%，整体发酵效率提升27%。
项目成果已在东北制药集团股份有限公司实现生产应用，取得了显著的经济和环境效益。
图5.东北制药集团基于新技术的维C发酵车间
8.Vc发酵大宗废弃物的资源化利用技术
Vc废菌渣呈高稳定胶体性状，极难沉淀和干燥。中国科学院沈阳应用生态研究所对废菌渣的组成和特性进行了系统研究，创建出高温和常温聚凝技术，将菌体蛋白成功分离并制成饲料蛋白/农用菌剂，同时使废菌渣COD减排77%。
图6.Vc废菌渣高温、常温脱水技术
（左图：废菌渣处理前后比较；右图：脱水后得到的菌渣滤饼）
废母液中含25%古龙酸，因杂质种类多、数量大，难以回收利用。项目团队利用专利技术使古龙酸回收率达75%并将其制成高附加值Vc-Na。提取后的剩余残液进一步开发成具有提高作物产量的新型生物肥料，实现废古龙酸母液的%资源化。
图7.废母液资源化技术
总之，本项目首先创建了解除伴生依赖性的Vc混菌发酵新技术，大幅提高了Vc工业发酵整体效率。其次，本项目将Vc大宗废弃物变废为宝，成为饲料和肥料用于农业生产，大幅减少COD排放，推动我国Vc产业绿色可持续发展。
特别感谢
中国科学院沈阳应用生态研究所
杨伟超助理研究员
徐慧研究员
提供以上内容
鸣谢
中国科学院科技促进发展局
中国科学院沈阳应用生态研究所
文章来源：“院史天地”