中國農業科學院甘人友研究團隊：微生物中核黃素合成的生物技術策略丨Engineering
中國農業科學院甘人友研究團隊：微生物中核黃素合成的生物技術策略丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中國工程院院刊主刊，工程類綜合性期刊，旨在為全球提供一個高水平的工程科技重大成果發布交流平臺，報道全球工程前沿，促進工程科技進步，服務社會、造福人類。中國科技期刊卓越行動計劃領軍期刊。 中英文出版，全文開放獲取。
本文選自中國工程院院刊《Engineering》2022年第12卷 ，原文出自：Biotechnological Strategies of Riboflavin Biosynthesis in Microbes
引言
核黃素是一種人體必需的微量營養元素，且必須通過外源食物或營養補充劑獲取。眾多研究表明，核黃素在多種疾病的預防和治療中均扮演著重要角色。核黃素的合成方法主要有三種，包括全化學合成法、化學半合成法和微生物發酵法，而微生物發酵法是目前核黃素的最佳生產方法。近幾年來，產核黃素微生物受到了越來越多的關注。其中，真菌（阿舒假囊酵母和棉阿舒囊霉）和細菌（枯草芽孢桿菌、大腸桿菌和乳酸菌）是理想的核黃素高產細胞工廠。因此，它們是增加發酵食品中核黃素含量或開發具有較高營養價值和人體健康益處的新型核黃素生物強化食品的優良候選菌株。在本研究中，中國農業科學院甘人友研究團隊簡述了核黃素在人體健康中的作用及其工業生產歷史進程，詳述了核黃素在細菌和真菌中的生物合成途徑，并總結了利用現有的微生物發酵法高產核黃素的方法與策略，包括發酵條件的優化以及通過化學誘變和代謝工程技術構建核黃素高產菌株。本研究不僅可為核黃素的生物合成提供更新、更全面的理解，也將在一定程度上推進富含核黃素發酵食品的研發。
核黃素（riboflavin, RF），又稱維生素B 2 （圖1），是一種具有高熱穩定性（熔點為280 ℃）的水溶性B族維生素，其在酸性或中性溶液中對熱穩定，短時間內加熱不會被破壞，然而在堿性溶液中加熱卻極易被破壞。同時，核黃素也一種光敏性物質，暴露于短波輻射（< 400 nm）條件下會發生光降解。 核黃素是人體必需的微量元素之一，具有廣泛的生理功能 ，已被世界衛生組織（WHO）列為評估人體生長、發育和營養狀況的六大指標之一。 一個健康成年人的核黃素日平均需求量為0.3~1.8 mg ，而當其日攝入量低于0.2~0.3 mg時，則會出現核黃素缺乏的癥狀。在某些特殊情況下，例如，重體力勞動、精神緊張、懷孕及青少年生長期，人體對核黃素的需求會增加。目前， 核黃素缺乏癥已引起了全球許多國家的關注 。
圖1. 核黃素的化學結構。
核黃素是維持細胞正常功能不可或缺的營養物質。 在被攝取后，核黃素在細胞內通過黃素激酶和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）合成酶的作用，分別被轉化為黃素單核苷酸（FMN）和FAD。這兩種核黃素的主要生物活性衍生物隨后作為電子載體，以及部分催化氧化還原反應的酶類（如琥珀酸脫氫酶、細胞色素c還原酶、葡萄糖氧化酶、醛氧化酶和黃嘌呤氧化酶）的必需輔助因子，參與一系列對人體新陳代謝至關重要的氧化還原反應。動物研究發現， 核黃素能夠影響鐵離子的吸收和代謝，補充核黃素可以提高鋅離子和鐵離子的吸收。 鑒于這兩種微量金屬元素在細胞增殖中的關鍵作用，核黃素也將間接地對生長起到積極的作用。反之，核黃素缺乏則會降低鐵離子的吸收、儲存和利用，從而導致人體生長遲緩。此外， 核黃素缺乏或轉運障礙可能引發白內障、神經系統疾病、心血管異常，甚至癌癥 。因此，保證有規律的核黃素日常飲食獲取對于核黃素缺乏相關疾病的預防是很有必要的。
核黃素與大多數維生素一樣，無法在人體內合成。 因此，人體內的核黃素主要獲取自日常飲食，也可能來源于人體腸道微生物菌群。核黃素以不同的含量天然存在于各種各樣的食品中。與天然植物源性食品相比，動物源性食品是更好的核黃素來源，如內臟、牛奶和雞蛋。此外，一些綠色蔬菜和豆類中也含有一定量的核黃素。雖然日常飲食中的核黃素易于吸收，但因其水溶性而無法在人體內大量儲存，過量攝入的核黃素會隨尿液和糞便排出體外。
在本研究中， 中國農業科學院甘人友研究團隊綜述了近年來在微生物高產核黃素方面取得的研究進展 ，主要集中于發酵條件的優化以及源自于化學誘變和代謝工程的核黃素高產菌株的使用。
研究結果表明， 與全化學合成法和化學半合成法相比，微生物發酵法生產核黃素更為經濟、環保 。為了取代成本較高的化學合成工藝，近年來開發了許多基于枯草芽孢桿菌和棉阿舒囊霉菌使用的生物技術發酵工藝，其已被應用于工業生產。然而，由于每種微生物都有其優缺點，因此哪種微生物最具優勢且能取代其他微生物，目前尚無定論。
盡管細菌的核黃素生產能力較低，但與傳統的核黃素消耗型發酵劑相比，其更適合用作食品發酵的發酵劑。 富含核黃素的發酵食品不僅可以提高食品本身的營養價值以及商業價值 ，還可以消除人們對營養強化的需求 。此外，這種新型發酵食品食用將有望降低核黃素缺乏癥的發生率。最后，利用精心挑選的菌株進行核黃素原位生產的理念，為開發面向不同或特定人群（如老年人、兒童、孕婦、運動員、素食者和青少年）的新型食品開辟一條途徑。
關鍵詞：維生素B 2 ；枯草芽孢桿菌；乳酸菌；真菌；微生物發酵
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原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.03.018
以上內容來自：Jia-Rong Zhang, Ying-Ying Ge, Pin-He Liu, Ding-Tao Wu, Hong-Yan Liu, Hua-Bin Li, Harold Corke, Ren-You Gan. Biotechnological Strategies of Riboflavin Biosynthesis in Microbes [J]. Engineering, 2022, 12(5): 115-127.
