中国农业科学院甘人友研究团队：微生物中核黄素合成的生物技术策略丨Engineering
中国农业科学院甘人友研究团队：微生物中核黄素合成的生物技术策略丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第12卷 ，原文出自：Biotechnological Strategies of Riboflavin Biosynthesis in Microbes
引言
核黄素是一种人体必需的微量营养元素，且必须通过外源食物或营养补充剂获取。众多研究表明，核黄素在多种疾病的预防和治疗中均扮演着重要角色。核黄素的合成方法主要有三种，包括全化学合成法、化学半合成法和微生物发酵法，而微生物发酵法是目前核黄素的最佳生产方法。近几年来，产核黄素微生物受到了越来越多的关注。其中，真菌（阿舒假囊酵母和棉阿舒囊霉）和细菌（枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和乳酸菌）是理想的核黄素高产细胞工厂。因此，它们是增加发酵食品中核黄素含量或开发具有较高营养价值和人体健康益处的新型核黄素生物强化食品的优良候选菌株。在本研究中，中国农业科学院甘人友研究团队简述了核黄素在人体健康中的作用及其工业生产历史进程，详述了核黄素在细菌和真菌中的生物合成途径，并总结了利用现有的微生物发酵法高产核黄素的方法与策略，包括发酵条件的优化以及通过化学诱变和代谢工程技术构建核黄素高产菌株。本研究不仅可为核黄素的生物合成提供更新、更全面的理解，也将在一定程度上推进富含核黄素发酵食品的研发。
核黄素（riboflavin, RF），又称维生素B 2 （图1），是一种具有高热稳定性（熔点为280 ℃）的水溶性B族维生素，其在酸性或中性溶液中对热稳定，短时间内加热不会被破坏，然而在碱性溶液中加热却极易被破坏。同时，核黄素也一种光敏性物质，暴露于短波辐射（< 400 nm）条件下会发生光降解。 核黄素是人体必需的微量元素之一，具有广泛的生理功能 ，已被世界卫生组织（WHO）列为评估人体生长、发育和营养状况的六大指标之一。 一个健康成年人的核黄素日平均需求量为0.3~1.8 mg ，而当其日摄入量低于0.2~0.3 mg时，则会出现核黄素缺乏的症状。在某些特殊情况下，例如，重体力劳动、精神紧张、怀孕及青少年生长期，人体对核黄素的需求会增加。目前， 核黄素缺乏症已引起了全球许多国家的关注 。
图1. 核黄素的化学结构。
核黄素是维持细胞正常功能不可或缺的营养物质。 在被摄取后，核黄素在细胞内通过黄素激酶和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）合成酶的作用，分别被转化为黄素单核苷酸（FMN）和FAD。这两种核黄素的主要生物活性衍生物随后作为电子载体，以及部分催化氧化还原反应的酶类（如琥珀酸脱氢酶、细胞色素c还原酶、葡萄糖氧化酶、醛氧化酶和黄嘌呤氧化酶）的必需辅助因子，参与一系列对人体新陈代谢至关重要的氧化还原反应。动物研究发现， 核黄素能够影响铁离子的吸收和代谢，补充核黄素可以提高锌离子和铁离子的吸收。 鉴于这两种微量金属元素在细胞增殖中的关键作用，核黄素也将间接地对生长起到积极的作用。反之，核黄素缺乏则会降低铁离子的吸收、储存和利用，从而导致人体生长迟缓。此外， 核黄素缺乏或转运障碍可能引发白内障、神经系统疾病、心血管异常，甚至癌症 。因此，保证有规律的核黄素日常饮食获取对于核黄素缺乏相关疾病的预防是很有必要的。
核黄素与大多数维生素一样，无法在人体内合成。 因此，人体内的核黄素主要获取自日常饮食，也可能来源于人体肠道微生物菌群。核黄素以不同的含量天然存在于各种各样的食品中。与天然植物源性食品相比，动物源性食品是更好的核黄素来源，如内脏、牛奶和鸡蛋。此外，一些绿色蔬菜和豆类中也含有一定量的核黄素。虽然日常饮食中的核黄素易于吸收，但因其水溶性而无法在人体内大量储存，过量摄入的核黄素会随尿液和粪便排出体外。
在本研究中， 中国农业科学院甘人友研究团队综述了近年来在微生物高产核黄素方面取得的研究进展 ，主要集中于发酵条件的优化以及源自于化学诱变和代谢工程的核黄素高产菌株的使用。
研究结果表明， 与全化学合成法和化学半合成法相比，微生物发酵法生产核黄素更为经济、环保 。为了取代成本较高的化学合成工艺，近年来开发了许多基于枯草芽孢杆菌和棉阿舒囊霉菌使用的生物技术发酵工艺，其已被应用于工业生产。然而，由于每种微生物都有其优缺点，因此哪种微生物最具优势且能取代其他微生物，目前尚无定论。
尽管细菌的核黄素生产能力较低，但与传统的核黄素消耗型发酵剂相比，其更适合用作食品发酵的发酵剂。 富含核黄素的发酵食品不仅可以提高食品本身的营养价值以及商业价值 ，还可以消除人们对营养强化的需求 。此外，这种新型发酵食品食用将有望降低核黄素缺乏症的发生率。最后，利用精心挑选的菌株进行核黄素原位生产的理念，为开发面向不同或特定人群（如老年人、儿童、孕妇、运动员、素食者和青少年）的新型食品开辟一条途径。
关键词：维生素B 2 ；枯草芽孢杆菌；乳酸菌；真菌；微生物发酵
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.03.018
以上内容来自：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.