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因其具有的超強抗氧化能力、自由基清除能力和其它相關生理功能，被廣泛應用于醫藥、食品、化妝品和飼料等各個領域。據統計，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品的總和，而且還在以每年10%左右的增速持續增長。
然而很多人并不清楚的是，擁有著最大“群眾基礎”的維生素C，其合成工藝卻幾乎是同類型維生素中最復雜的。這一缺陷也在很大程度上制約了維生素C產業的發展。
對此，江南大學未來食品科學中心陳堅院士團隊教授周景文課題組歷經十余年的刻苦攻關，在維生素C的一步合成工藝開發方面獲得重要研究進展，相關研究為維生素C一步發酵工藝的實現提供了元件和方向，為大幅度降低維生素C生產過程中的能耗和成本奠定了重要的基礎。
日前，相關研究分別發表于《先進科學》和《生物資源技術》。
最常見的維生素，源于最復雜的方法
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，過于活躍的化學性質又導致維生素C無法長期穩定地存在于復雜的液體環境中。
“正因如此，工業上都是以合成維生素C的前體物質——2-酮基-L-古龍酸的方式，實現維生素C的大規模生產。”周景文告訴《中國科學報》，但即便是合成這種物質，過程也十分復雜。
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基中加入特定種類的發酵微生物，使其發酵成為山梨糖。然后在其中加入兩種其他的發酵微生物，通過這種“混菌”的發酵體系，使山梨糖轉化成為2-酮基-L-古龍酸。
“之所以不能將3種發酵菌同時加入山梨醇培養基中，是因為后兩種發酵微生物不僅可以和山梨糖發生反應，也會和山梨醇發生反應并生成其他物質。這就會大大降低發酵效率。”周景文課題組成員、江南大學未來食品科學中心博士后秦志杰解釋說。
然而，增加了額外的發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酵微生物之前，都需要對發酵液進行高溫滅菌，這意味著需要在很短時間內將發酵液加溫至121攝氏度，同時又需要在很短時間內，對高溫滅菌后的發酵液進行降溫。“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酵液從一個儲藏罐中轉到另外一個罐中，單單這一過程就需要耗費好幾個小時。
“據我所知，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，卻只能用最復雜的發酵方法制作。”周景文說。
實現“一菌一步”
維生素C復雜合成工藝背后所存在的原理性障礙，早在上世紀90年代便已經為業內所熟知，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’發酵，大概率會被認為是騙子。”周景文笑著說。
然而從2006年開始，經過十幾年的努力，周景文團隊卻實打實地實現了這一目標。
在研究中，該團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，成功構建出可以直接利用山梨醇一步發酵合成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小時內可以生產出61.8克2-酮基-L-古龍酸。
同時，該團隊還利用結構生物學，解析了山梨醇發酵過程中的關鍵限速酶——山梨酮脫氫酶的催化機制，并提升了它的活性，該成果也為一步發酵維生素C提供了優良的酶元件。
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酵合成維生素C途徑進行了研究。
“合成2-酮基-L-古龍酸的最初原料——山梨醇是通過葡萄糖轉化獲得的。我們的這項研究旨在通過研發新型維生素C合成工藝，省略‘合成山梨醇’這一步，實現從葡萄糖到2-酮基-L-古龍酸的直接轉化。”秦志杰說，目前他們已經可以實現在5升的葡萄糖發酵罐內，在62小時內使2-酮基-L-古龍酸產量達到30.6克/升，葡萄糖轉化率達到40%。
理應把握的“先機”
雖然已經在維生素C合成領域取得了令人矚目的成果，但周景文團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業化應用。
“作為世界上需求量最大的維生素，僅僅在酸味劑領域，維生素C便已經是僅次于檸檬酸的第二大酸味劑原料，其應用領域之廣泛由此可見一斑。”周景文說。
據海關數據統計，僅2023年8月，我國維生素C的出口量就達到14475.5噸，同比增20%。
“維生素C的生產還牽扯大量上下游產業鏈企業。這就意味著如果不是我們，而是其他國家在維生素C合成領域取得突破，并大大壓縮相關生產成本，我們的產業必將受到非常嚴重的影響。”周景文說，根據估算，如果他們的成果進一步提升效率并最終產業化，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的應用領域已經十分廣泛，但如果制備成本大幅度下降，其應用范圍仍可以繼續擴展。
以賴氨酸為例，周景文介紹說，在其生產效率不高時，人們往往會選擇直接將其攝入到體內，但隨著賴氨酸生產效率的提升，人們開始轉而將其加入到動物飼料中，并通過食用相關動物制品的方式補充賴氨酸。
“同樣的道理，如果維生素C的生產效率和產量大幅度提升，其使用范圍也可能會擴展至水產、養殖等領域。”周景文說，在這方面我們應把握先機。
相關論文鏈接：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://www.lensthegame.com/show-11-1768-0.html
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