维生素C合成，从“两步完成”到“一步到位”
在庞大的维生素家族中，最为人所熟悉的恐怕就是维生素C了。
作为人体必需的维生素之一，维生素C因其具有的超强抗氧化能力、自由基清除能力和其它相关生理功能，被广泛应用于医药、食品、化妆品和饲料等各个领域。据统计，全球每年的维生素C需求量约为22万吨，超过其它所有维生素类产品的总和，而且还在以每年10%左右的增速持续增长。
然而很多人并不清楚的是，拥有着最大“群众基础”的维生素C，其合成工艺却几乎是同类型维生素中最复杂的。这一缺陷也在很大程度上制约了维生素C产业的发展。
对此，江南大学未来食品科学中心陈坚院士团队教授周景文课题组历经十余年的刻苦攻关，在维生素C的一步合成工艺开发方面获得重要研究进展，相关研究为维生素C一步发酵工艺的实现提供了元件和方向，为大幅度降低维生素C生产过程中的能耗和成本奠定了重要的基础。
日前，相关研究分别发表于《先进科学》和《生物资源技术》。
最常见的维生素，源于最复杂的方法
与很多维生素不同，维生素C虽然是人体所必需的微量元素，但人体并不能自然合成，只能通过外部摄取。然而，过于活跃的化学性质又导致维生素C无法长期稳定地存在于复杂的液体环境中。
“正因如此，工业上都是以合成维生素C的前体物质——2-酮基-L-古龙酸的方式，实现维生素C的大规模生产。”周景文告诉《中国科学报》，但即便是合成这种物质，过程也十分复杂。
目前，2-酮基-L-古龙酸的通常合成程序被称为“三菌两步法”，即首先在山梨醇培养基中加入特定种类的发酵微生物，使其发酵成为山梨糖。然后在其中加入两种其他的发酵微生物，通过这种“混菌”的发酵体系，使山梨糖转化成为2-酮基-L-古龙酸。
“之所以不能将3种发酵菌同时加入山梨醇培养基中，是因为后两种发酵微生物不仅可以和山梨糖发生反应，也会和山梨醇发生反应并生成其他物质。这就会大大降低发酵效率。”周景文课题组成员、江南大学未来食品科学中心博士后秦志杰解释说。
然而，增加了额外的发酵步骤同样会降低维生素C的合成效率，提升合成成本。周景文说，比如每次加入不同发酵微生物之前，都需要对发酵液进行高温灭菌，这意味着需要在很短时间内将发酵液加温至121摄氏度，同时又需要在很短时间内，对高温灭菌后的发酵液进行降温。“这是一个既耗时、又耗能、又耗钱的过程。”
此外，在此过程中还需要将一两百吨的发酵液从一个储藏罐中转到另外一个罐中，单单这一过程就需要耗费好几个小时。
“据我所知，除维生素C外的其他维生素的生物合成过程，几乎都可以做到‘一菌一步’，但只有维生素C这种最常见的维生素，却只能用最复杂的发酵方法制作。”周景文说。
实现“一菌一步”
维生素C复杂合成工艺背后所存在的原理性障碍，早在上世纪90年代便已经为业内所熟知，但多年来却始终未被攻破。“以至于如果有谁宣称成功完成了维生素C的‘一菌一步’发酵，大概率会被认为是骗子。”周景文笑着说。
然而从2006年开始，经过十几年的努力，周景文团队却实打实地实现了这一目标。
在研究中，该团队以氧化葡萄糖酸杆菌为底盘菌株，通过引入山梨酮脱氢酶与山梨糖脱氢酶，成功构建出可以直接利用山梨醇一步发酵合成2-酮基-L-古龙酸的工程菌株，在这种工艺下，每升山梨醇溶液在168小时内可以生产出61.8克2-酮基-L-古龙酸。
同时，该团队还利用结构生物学，解析了山梨醇发酵过程中的关键限速酶——山梨酮脱氢酶的催化机制，并提升了它的活性，该成果也为一步发酵维生素C提供了优良的酶元件。
为了更快地解决维生素C一步合成问题，课题组同时对以葡萄糖为底物的单菌一步发酵合成维生素C途径进行了研究。
“合成2-酮基-L-古龙酸的最初原料——山梨醇是通过葡萄糖转化获得的。我们的这项研究旨在通过研发新型维生素C合成工艺，省略‘合成山梨醇’这一步，实现从葡萄糖到2-酮基-L-古龙酸的直接转化。”秦志杰说，目前他们已经可以实现在5升的葡萄糖发酵罐内，在62小时内使2-酮基-L-古龙酸产量达到30.6克/升，葡萄糖转化率达到40%。
理应把握的“先机”
虽然已经在维生素C合成领域取得了令人瞩目的成果，但周景文团队的研究并没有停止，他们目前研究的一个重点方向是该项成果的产业化应用。
“作为世界上需求量最大的维生素，仅仅在酸味剂领域，维生素C便已经是仅次于柠檬酸的第二大酸味剂原料，其应用领域之广泛由此可见一斑。”周景文说。
据海关数据统计，仅2023年8月，我国维生素C的出口量就达到14475.5吨，同比增20%。
“维生素C的生产还牵扯大量上下游产业链企业。这就意味着如果不是我们，而是其他国家在维生素C合成领域取得突破，并大大压缩相关生产成本，我们的产业必将受到非常严重的影响。”周景文说，根据估算，如果他们的成果进一步提升效率并最终产业化，将有可能使维生素C的制备成本降低50%。
值得一提的是，虽然目前维生素C的应用领域已经十分广泛，但如果制备成本大幅度下降，其应用范围仍可以继续扩展。
以赖氨酸为例，周景文介绍说，在其生产效率不高时，人们往往会选择直接将其摄入到体内，但随着赖氨酸生产效率的提升，人们开始转而将其加入到动物饲料中，并通过食用相关动物制品的方式补充赖氨酸。
“同样的道理，如果维生素C的生产效率和产量大幅度提升，其使用范围也可能会扩展至水产、养殖等领域。”周景文说，在这方面我们应把握先机。
相关论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202301955
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