核黃素及其生產工藝

天津渤海職業技術學院 伍麗娜 孫 皓

核黃素及其生產工藝

天津渤海職業技術學院 伍麗娜 孫 皓

一、核黃素概念

核黃素（維生素B2，vitamin B2，ribof avin）分子式為C17H20O6N4，分子量為376.36。其化學名稱為7，8 –二甲基 –10 – [（2S，3S，4R） –2，3，4，5 –四羥基戊基] – 3，10 –二氫苯并蝶啶– 2，4–二酮，系統命名為7，8 –二甲基–10 –（1’– D –核糖基）異咯嗪[7，8 – dimethy – 10 –（1’– D –ribityl）soalloxazine]。

二、核黃素的理化性質

核黃素是黃色到橙黃色細針狀結晶，微臭，微苦，在278～282℃熔融并且分解（約在240 ℃時變色）。當溫度在25～27.5 ℃時，核黃素在水中的溶解度為0.10～0.13 g/L；當溫度在27.5 ℃時，在無水乙醇中為0.045 g/L。核黃素微溶于戊醇、環己醇、苯甲醇（芐醇）、乙酸戊酯和酚中，不溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯中；易溶于稀堿液中，但這種溶液不穩定。

核黃素熱穩定性好，但在堿性或酸性溶液中易分解。核黃素的水溶液呈黃色并有綠色熒光，在特定波長處有最大吸收峰。核黃素對酸類、空氣和普通氧化劑，例如溴素和硝酸（鉻酸、KMnO4和過硫酸鉀等除外）是穩定的。核黃素可以與金屬形成鹽，也可以與Fe（Ⅱ/ Ⅲ）、Mn（Ⅴ/ Ⅵ）、Cu（Ⅰ/Ⅱ）和Ag（Ⅰ/Ⅱ）等形成金屬復合物。

核黃素結構中有7，8 –二甲基異咯嗪雜環和D –核糖醇，其中異咯嗪環中的第一位和第十位兩個氮原子可被還原，在生物代謝過程中有遞氫作用，并與機體內的ATP作用生成黃素單核苷酸（Flavin Mononucleotide，FMN）。FMN再與ATP作用，就生成黃素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide，FAD）。

核黃素是機體必需微量營養素之一，具有廣泛的生理機能，被世界衛生組織（WHO）列為評價人體生長發育和營養狀況的六大指標之一。核黃素被廣泛應用于醫藥、食品營養強化劑和飼料添加劑工業中。符合《美國藥典》要求的核黃素可制成供口服的片劑、供注射的水溶液，或者可以含有煙酰胺或其增溶劑。作為動物飼料的一種添加劑，核黃素通常被加入28 mg/kg，其具體用量取決于動物的種類和年齡。

三、核黃素的生產方法

核黃素主要有三種生產方法：一是生物發酵法，該法又分為傳統的酵母菌發酵法和新型的基因工程菌發酵法；二是化學合成法，以D –葡萄糖為原料，經化學反應合成；三是化學半合成法，以D –葡萄糖為原料經發酵生成D –核糖，再以D –核糖為原料進行化學合成。目前，在工業上應用較多的核黃素生產方法有酵母菌發酵法、基因工程菌發酵法、化學合成法和化學半合成法。

1. 酵母菌發酵法。酵母菌發酵法生產核黃素已有約60年的歷史，可代謝產生核黃素的微生物很多，但真正應用于核黃素生產的菌種卻很有限。目前，工業生產中主要以棉病囊菌（Ashbya gossypii）、枯草芽孢桿菌（Bcillus subtiltis）和阿舒氏假囊酵母（Eremothecium ashbyii）等作為核黃素生產菌種。

核黃素發酵生產工序主要為：培養菌種→發酵→噴霧干燥→檢驗包裝→成品。酵母菌發酵法生產核黃素，因具有生產工藝經濟有效、易于自動化控制、產品無毒、純度高等優點，被廣泛用于核黃素的工業生產。酵母菌發酵法的發酵周期較長，發酵單位較低，其生產效率也低于半合成法。

德國的巴斯夫（BASF）公司是全球第二大維生素生產商，采用微生物發酵生產核黃素已經有十多年的歷史；瑞士的羅氏公司用微生物發酵法取代化學合成法生產核黃素；我國的湖北廣濟藥業公司也以微生物發酵法生產核黃素，年產量超過300 t。

2. 基因工程菌發酵法。隨著生命科學技術的迅速發展，20世紀90年代以來，出現了一種利用基因工程菌發酵生產核黃素的新方法，即運用DNA重組技術構建出能夠過量合成核黃素的基因工程菌，取代原先使用的酵母菌。通過基因工程菌發酵生產核黃素，基因工程菌的發酵周期短，發酵單位高，既有酵母菌發酵法產品質量好的特點，又有化學半合成法生產效率高的優勢，代表了核黃素生產技術的發展方向。

世界上主要的核黃素生產公司目前都在轉向采用基因工程菌發酵法生產核黃素。瑞士的Roche公司采用以枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）為受體菌的基因工程菌，并已用于核黃素的工業化生產；德國的BASF公司正在開發以酵母菌為受體菌的基因工程菌，用來生產核黃素；日本除使用枯草芽孢桿菌為受體菌的基因工程菌外，還開發了以產氨棒狀桿菌（Corynebactia aminogensis）為受體菌的產核黃素基因工程菌。

3. 化學合成法。核黃素是一個結構較復雜和龐大的異咯嗪分子。從化學合成角度剖析，其結構可分為核糖、二甲苯胺、巴比妥酸三部分。化學合成法一般以葡萄糖為起始原料，經過氧化、轉化、內酯化，還原成核糖，與二甲苯胺縮合經氫化成核糖胺，再經偶合與巴比妥酸環合成核黃素。

目前，純粹的化學合成方法已很少應用于核黃素的合成。該工藝的缺點不僅是核黃素的總收率較低，而且還在異構化作用中還形成大量的副產品，使分離提純難以進行。同時,在汞齊的還原作用中采用大量的汞往往會造成產物和環境的嚴重污染。雖然核黃素化學合成的工藝經過多次改進，但隨著基因工程菌核黃素發酵工藝的引入和核黃素前體D –核糖發酵產率的不斷提高，化學合成法因步驟繁瑣、分離提純困難以及成本較高，目前已完全被取代。

4. 化學半合成法。采用微生物發酵法生產D –核糖，以D –核糖為原料通過合成法生產核黃素，稱為核黃素半合成生產法。該法的關鍵在于D –核糖發酵水平的高低。在獲得D –核糖后，從D –核糖開始，經氫化等各步反應獲得核黃素的過程與化學合成法是一樣的。

與全化學合成法相比，化學半合成法工藝簡化、成本較低，長期以來是核黃素工業生產的主要方法之一。但是用此法生產核黃素也存在一些工藝問題。例如，偶合物含量測定用甲酸作溶劑，甲酸具有強烈的刺激性和腐蝕性，且價格昂貴；環合過程中所用催化劑冰醋酸是由生產過程中回收的含有冰醋酸的醋酸丁酯和一部分新的冰醋酸作為催化劑，這樣冰醋酸的用量具有較大的不確定性。現行環合反應工藝是在115 ℃下反應9 h，從經濟上綜合考慮，是否為最佳反應溫度和時間，還有待進一步確定。