核黄素及其生产工艺

天津渤海职业技术学院 伍丽娜 孙 皓

核黄素及其生产工艺

天津渤海职业技术学院 伍丽娜 孙 皓

一、核黄素概念

核黄素（维生素B2，vitamin B2，ribof avin）分子式为C17H20O6N4，分子量为376.36。其化学名称为7，8 –二甲基 –10 – [（2S，3S，4R） –2，3，4，5 –四羟基戊基] – 3，10 –二氢苯并蝶啶– 2，4–二酮，系统命名为7，8 –二甲基–10 –（1’– D –核糖基）异咯嗪[7，8 – dimethy – 10 –（1’– D –ribityl）soalloxazine]。

二、核黄素的理化性质

核黄素是黄色到橙黄色细针状结晶，微臭，微苦，在278～282℃熔融并且分解（约在240 ℃时变色）。当温度在25～27.5 ℃时，核黄素在水中的溶解度为0.10～0.13 g/L；当温度在27.5 ℃时，在无水乙醇中为0.045 g/L。核黄素微溶于戊醇、环己醇、苯甲醇（苄醇）、乙酸戊酯和酚中，不溶于乙醚、氯仿、丙酮、苯中；易溶于稀碱液中，但这种溶液不稳定。

核黄素热稳定性好，但在碱性或酸性溶液中易分解。核黄素的水溶液呈黄色并有绿色荧光，在特定波长处有最大吸收峰。核黄素对酸类、空气和普通氧化剂，例如溴素和硝酸（铬酸、KMnO4和过硫酸钾等除外）是稳定的。核黄素可以与金属形成盐，也可以与Fe（Ⅱ/ Ⅲ）、Mn（Ⅴ/ Ⅵ）、Cu（Ⅰ/Ⅱ）和Ag（Ⅰ/Ⅱ）等形成金属复合物。

核黄素结构中有7，8 –二甲基异咯嗪杂环和D –核糖醇，其中异咯嗪环中的第一位和第十位两个氮原子可被还原，在生物代谢过程中有递氢作用，并与机体内的ATP作用生成黄素单核苷酸（Flavin Mononucleotide，FMN）。FMN再与ATP作用，就生成黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide，FAD）。

核黄素是机体必需微量营养素之一，具有广泛的生理机能，被世界卫生组织（WHO）列为评价人体生长发育和营养状况的六大指标之一。核黄素被广泛应用于医药、食品营养强化剂和饲料添加剂工业中。符合《美国药典》要求的核黄素可制成供口服的片剂、供注射的水溶液，或者可以含有烟酰胺或其增溶剂。作为动物饲料的一种添加剂，核黄素通常被加入28 mg/kg，其具体用量取决于动物的种类和年龄。

三、核黄素的生产方法

核黄素主要有三种生产方法：一是生物发酵法，该法又分为传统的酵母菌发酵法和新型的基因工程菌发酵法；二是化学合成法，以D –葡萄糖为原料，经化学反应合成；三是化学半合成法，以D –葡萄糖为原料经发酵生成D –核糖，再以D –核糖为原料进行化学合成。目前，在工业上应用较多的核黄素生产方法有酵母菌发酵法、基因工程菌发酵法、化学合成法和化学半合成法。

1. 酵母菌发酵法。酵母菌发酵法生产核黄素已有约60年的历史，可代谢产生核黄素的微生物很多，但真正应用于核黄素生产的菌种却很有限。目前，工业生产中主要以棉病囊菌（Ashbya gossypii）、枯草芽孢杆菌（Bcillus subtiltis）和阿舒氏假囊酵母（Eremothecium ashbyii）等作为核黄素生产菌种。

核黄素发酵生产工序主要为：培养菌种→发酵→喷雾干燥→检验包装→成品。酵母菌发酵法生产核黄素，因具有生产工艺经济有效、易于自动化控制、产品无毒、纯度高等优点，被广泛用于核黄素的工业生产。酵母菌发酵法的发酵周期较长，发酵单位较低，其生产效率也低于半合成法。

德国的巴斯夫（BASF）公司是全球第二大维生素生产商，采用微生物发酵生产核黄素已经有十多年的历史；瑞士的罗氏公司用微生物发酵法取代化学合成法生产核黄素；我国的湖北广济药业公司也以微生物发酵法生产核黄素，年产量超过300 t。

2. 基因工程菌发酵法。随着生命科学技术的迅速发展，20世纪90年代以来，出现了一种利用基因工程菌发酵生产核黄素的新方法，即运用DNA重组技术构建出能够过量合成核黄素的基因工程菌，取代原先使用的酵母菌。通过基因工程菌发酵生产核黄素，基因工程菌的发酵周期短，发酵单位高，既有酵母菌发酵法产品质量好的特点，又有化学半合成法生产效率高的优势，代表了核黄素生产技术的发展方向。

世界上主要的核黄素生产公司目前都在转向采用基因工程菌发酵法生产核黄素。瑞士的Roche公司采用以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）为受体菌的基因工程菌，并已用于核黄素的工业化生产；德国的BASF公司正在开发以酵母菌为受体菌的基因工程菌，用来生产核黄素；日本除使用枯草芽孢杆菌为受体菌的基因工程菌外，还开发了以产氨棒状杆菌（Corynebactia aminogensis）为受体菌的产核黄素基因工程菌。

3. 化学合成法。核黄素是一个结构较复杂和庞大的异咯嗪分子。从化学合成角度剖析，其结构可分为核糖、二甲苯胺、巴比妥酸三部分。化学合成法一般以葡萄糖为起始原料，经过氧化、转化、内酯化，还原成核糖，与二甲苯胺缩合经氢化成核糖胺，再经偶合与巴比妥酸环合成核黄素。

目前，纯粹的化学合成方法已很少应用于核黄素的合成。该工艺的缺点不仅是核黄素的总收率较低，而且还在异构化作用中还形成大量的副产品，使分离提纯难以进行。同时,在汞齐的还原作用中采用大量的汞往往会造成产物和环境的严重污染。虽然核黄素化学合成的工艺经过多次改进，但随着基因工程菌核黄素发酵工艺的引入和核黄素前体D –核糖发酵产率的不断提高，化学合成法因步骤繁琐、分离提纯困难以及成本较高，目前已完全被取代。

4. 化学半合成法。采用微生物发酵法生产D –核糖，以D –核糖为原料通过合成法生产核黄素，称为核黄素半合成生产法。该法的关键在于D –核糖发酵水平的高低。在获得D –核糖后，从D –核糖开始，经氢化等各步反应获得核黄素的过程与化学合成法是一样的。

与全化学合成法相比，化学半合成法工艺简化、成本较低，长期以来是核黄素工业生产的主要方法之一。但是用此法生产核黄素也存在一些工艺问题。例如，偶合物含量测定用甲酸作溶剂，甲酸具有强烈的刺激性和腐蚀性，且价格昂贵；环合过程中所用催化剂冰醋酸是由生产过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为催化剂，这样冰醋酸的用量具有较大的不确定性。现行环合反应工艺是在115 ℃下反应9 h，从经济上综合考虑，是否为最佳反应温度和时间，还有待进一步确定。