维生素及辅酶类药物概要.ppt

,28 维生素及辅酶类药物,28.1 维生素及辅酶,一、维生素的基本概念 维生素是生物体内一类量微、化学结构各异，具有特殊功能的小分子有机化合物，它们大多需从外界摄取。,维生素特点： （ 1）维生素是天然食物中的一种成分，而是一种活性物质，对机体代谢起调节和整合作用。 （2）维生素需求量很小 。（毫克级） （3）由于大多数维生素在体内不能合成，要从外界摄取。,（4）绝大多数维生素是通过辅酶或辅基的形式参与体内酶促反应体系，在代谢中起调节作用，少数维生素还具有一些特殊的生理功能。 （5）人体内维生素缺乏时，会发生“维生素缺乏症”。人体每日需要量是一定的，使用不当，反而会导致疾病。,维生素可分为脂溶性和水溶性两大类。 脂溶性：维生素A、D、E、K、Q和硫辛酸等。 水溶性：维生素B1、B2、B6、B12、烟酸、泛酸、叶酸、生物素和维生素C等,二、维生素与辅酶、辅基的关系 大部分维生素本身就是辅酶、辅基，或者是辅酶、辅基的组成部分，在机体的代谢中起着十分重要的作用。,28.2 维生素及辅酶类药物的一般生产方法 维生素及辅酶类药物在工业上大多数是通过化学合成法获得的，近年来发展起来的微生物发酵法代表着维生素生产的今后发展方向。从生物材料中直接提取的不多。,（1）化学合成法 近代的化学合成，常与酶促合成、酶拆分等结合在一起，以改进工艺条件，提高收率和经济效益。 （2）发酵法 （3）生物提取法,28.3 重要维生素及辅酶类药物,一、维生素及辅酶类药物的概述 生物化学的发展证明了维生素缺乏的临床表现是由于多种代谢功能的失调，大多数维生素是许多生化反应过程中酶的辅酶和辅基；有的维生素则在体内转变为激素。,二、重要的维生素及辅酶类药物 （一）维生素Bl（vitamin B1）,1、组成（结构）、性质 维生素B1又称硫胺素（Thiamine）。临床上使用的维生素B1是人工合成的硫胺素盐酸盐。,维生素B1具有维持正常糖代谢及神经传导的功能，在临床上主要用于治疗脚气病。,硫胺素焦磷酸（脱羧辅酶）缩写TPP或ThPP,羟乙基,2、生产工艺 （1）合成生产（见书）,（2）生物合成 根据专利报道，适宜为此目的来生产可采用的发酵的微生物为酵母属（Saccharo myees）S.Cerisiae Honsen DRM 159与S.Uvarum Beijerin ck（Syn . Sacch.carishergnsis Hansen）DBM 189等菌。,培养基 碳源：葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等， 或该类糖的糖蜜，麦芽膏（malt extract），水果浆、淀粉糖浆和纤维素水解液等。,氮源：液氨或铵盐（硫酸铵，磷酸铵）等。 无机盐：磷酸钾、硫酸镁、硫酸铁和氯化铁或氯化钠 等无机化合物存在。 生物素（biotin）：即维生素H和泛酸等可作为它们 的有机生长因子 （麦芽膏、酵母膏或玉米浆等天然培养基则其中已含有这类生长因子。） 过滤 硝酸银沉淀 发酵液 过滤 液 离子交换柱 解吸液 盐酸分解 成品,（二）维生素B2（vitamin B2） 1、组成（结构）、性质 维生素B2又称核黄素（Riboflavin），是两性化合物，极微溶于水，几乎不溶于乙醇和氯仿，不溶于丙酮、乙醚。在中性与酸性溶液中稳定，但在碱性溶液中易分解。,异咯嗪部分,戊糖基,维生素B2是构成黄素腺嘌呤单核核苷酸FMN和黄素腺嘌呤二核苷酸FAD重要成分。 是氧化还原酶的电子受体。 过量无害，量少引起口角炎和皮炎等。 维生素B2大量存在于青菜、黄豆、动物肝脏、肾、心、乳中，但含量都低，不宜用提取法生产。,2、生产工艺,（1）菌种 菌种很多，主要是棉病囊霉和阿氏假囊酵母,（2）维生素B2的发酵： 培养基的配制 米糠油4%，玉米浆1.5%，骨胶1.8，鱼粉1.5，KH2PO4 0.1， NaC1 0.2， CaC12 0.1， （NH4）2SO4 0.02%。 维生素B2发酵,35-40h,保存菌种用的培养基：葡萄糖2%、蛋白胨0.1%、麦芽浸膏5%、琼脂2%、灭菌后用氢氧化钠溶液调PH至6.5,（3）维生素B2的提取与结晶： 用稀盐酸水解，加黄血盐和硫酸锌，除去蛋白质等杂质，加3-羟基-2-苯甲酸钠与核黄酸形成复盐进行分离精制。一般提取工艺流程如下：,（三）维生素C（vitamin c） 维生素C又名抗坏血酸（Ascorbic acid）是细胞氧化-还原反应中的催化剂，它释放两个氢原子后变成氧化型维生素C，有供氢体存在时，脱氢抗坏血酸可以接受两个氢原子变成抗坏血酸，参与机体新陈代谢，增加机体对感染的抵抗力。临床上用于坏血病、和严重肝染性疾病的治疗，并促进创伤、骨折、伤口的愈合。 1、组成（结构）与性质,脱氢 双键,维生素C为白色粉末，无臭、味酸、熔点190192，易溶于水，略溶于乙醇，不溶于乙醚，氯仿及石油醚等。它是一种还原剂，易受光、热、氧等破坏，尤其在碱液中或有微量金属离子存在时，分解更快，但干燥结晶较稳定。具有右旋光性。 2、生产工艺 （1）工艺路线；两步法,第一步：发酵山梨醇制备山梨糖 菌种：醋酸杆菌 发酵条件：温度26-30度，PH4.4-6.8；通气量1.8L/min;0.5%酵母膏作为营养源时，山梨醇浓度为19.8%；氮源必需为有机氮；用阳离子交换树脂去除原料中的金属离子，因其影响转化。30度时培养33小时，收率97.6%。,第二步发酵山梨糖制备2-酮基-L-古洛糖酸 菌种：假单胞杆菌、葡萄糖杆菌属、醋酸杆菌属，单独培养时，一般收率较低，混合培养时收率较高。,（四）叶酸（Folic acid）（合成生产） 在体内被还原为四氢叶酸（缩写THFA或THF），是一碳基团转移酶的辅酶。 双键解,N5 一碳单位 供给,（五）维生素B6（vitamin B6）（合成生产） 1、组成（结构），性质 三种维生素都是白色结晶，吡多醇易溶于水和乙醇，微溶于脂肪溶剂，对光敏感，对热稳定，但吡多醛和吡多胺在高温时迅速破坏。这三种形式都存在于自然界的食物中，但在体内则以吡多醛和吡哆胺形成存在，它们是转氨酶和脱羧酶的辅酶。 化学合成生产,（六）维生素B12（Cyahocobalamin）（发酵生产） 1、组成（结构）、性质（转位酶）,（七）维生素A和维生素A原（ -胡萝卜素 ） 1、合成生产维生素A 2、发酵法生产 ：菌丝体内，取其菌丝真空干燥,（八）维生素D2 1、组成（结构）、性质 维生素D种类很多，均系类固醇衍生物 。溶于大多数有机溶剂，不溶于水 ，性质稳定 。,其主要生化作用是维持钙、无机磷浓度，促进成骨作用。,2、生产工艺 （1）工艺路线：,（九）维生素K 1、组成（结构）、性质 维生素K是一类2甲基1，4萘醌的衍生物。其中以天然的维生素K2和K1以及人工合成的K3和K4较为常见。维生素K1呈黄色晶体。K3是与亚硫酸氢钠的化合物，为白色晶体，易吸潮，溶于乙醇，几乎不溶于苯和醚。维生素K4是与二分子乙酸缩合的二乙酰甲萘醌。 化学合成法生产,（十）维生素E 1、组成（结构），性质,维生素E又称生育酚，多存在于植物组织中，如麦胚油，豆类等含量十分丰富。 由于环上的甲基位置和数目不同，有、生育酚等，天然的生育酚都是D型。维生素E为油状物，在无氧条件下，对热稳定。易溶于有机溶剂，不溶于水。维生素E对氧敏感，所以常用来保护比它不易氧化的物质免受氧化，因而具有抗氧化剂的作用。临床上用于治疗习惯性流产和女性不育症。是优良的抗氧剂和抗衰老剂。,（十一）辅酶I（脱氢酶的辅酶） CoI是具有较强吸湿性的白色粉末，易溶于水或生理盐水，不溶于丙酮等有机溶剂，为两性分子，等电点pH3，在干燥状态和低温下稳定。,在生物氧化过程中作为氢的受体或供体，起传递氢的作用，可加强体内物质的氧化并供给能量。为两性分子，等电点pH3 。 广泛存在于动植物中，如酵母、谷类、豆类、动物的肝脏、肉类等。,（十二）辅酶Q 1、组成（结构）、性质 自然界存在的辅酶Q（CoQ），不同生物来源的CoQ侧链的n值为610，人体辅酶Q的n10，即为CoQ10，不同一般。 辅酶Q10又称为泛醌Q10，为黄色或淡橙黄色、无臭、无味结晶性粉末，易溶于氯仿、苯、四氯化碳，溶于丙酮、乙醚、石油醚；微溶于乙醇，实际上不溶于水和甲醇。定，熔点49。,2、生产工艺 （1）技术路线（以猪心为原料）,皂化想法有趣：皂化脂背景,（十三）辅酶A 1、组成（结构）、性质,具有典型的硫醇味，易溶于水，不溶于丙酮、乙醚和乙醇中，是一种强酸。,第一节 概述,一、化学结构式 二、理化性质 水溶性 酸性 还原性 水解性,第二节 合成路线,一、莱氏法 D-山梨醇为原料，经醋酸菌一步发酵得L-山梨糖，丙酮酮醇缩合、次氯酸钠氧化剂盐酸转化等5步,第二节 合成路线,优点 工艺成熟、产品质量好 生产周期短，总收率高（66%） 缺点 工序多，耗用原料多 有易燃易爆有机溶剂 对劳动保护和安全生产要求高,第二节 合成路线,二、两步发酵法 简化缩短的莱氏法 优点 缩短工序 降低了原料成本 节约了大量有机溶剂，减少了“三废” 多数是液体物料，有利于机械化和自动化生产 缺点 总收率较低（45-48%） 发酵单位体积产率低（60mg/100mL） 设备体积大，能耗大,第二节 合成路线,三、全化学合成方法 三步法：将葡萄糖或葡萄糖醛酸内酯丙酮化、催化、氧化、水解还原成维生素 葡萄糖为原料的缺点：丙酮用量大、须用昂贵的铂金属催化剂、收率低（25-28%） 四、其他方法 GLC技术 DNA重组菌种,第三节 生产工艺原理和过程,一、莱氏法生产维生素C的工艺原理和过程 D-山梨醇的制备 L-山梨糖的制备 2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖（双丙酮糖）的制备 2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备 粗品维生素C的制备 粗品维生素C的精制,1、 D-山梨醇的制备,（1）工艺原理 控制压力、氢做还原剂、镍作催化剂,1、 D-山梨醇的制备,（2）工艺过程 在70-75下加水溶解葡萄糖，50%溶液 氢气纯度99.3%、压强0.04MPa时，将糖液冲入釜内 加入活性镍催化剂 加碱液调pH8.2-8.4，通蒸汽，并搅拌 温度升至120-135时关闭蒸汽 控制温度在150-155 ，压强3.8-4.0MPa 反应至不吸收氢气为反应终点 0.2-0.3MPa压强下压料至沉淀缸、过滤、树脂交换处理 收率95%,1、 D-山梨醇的制备,（3）反应条件及影响因素 pH值 葡萄糖水pH8.0-8.5 偏高或偏低会使甘露醇（副产物）含量增加 设备材质 山梨醇能溶解多种金属 避免使用铁、铝或铜制设备，而用不锈钢 副产物影响 甘露醇影响产物比旋度 残糖含量影响产物比旋度氢化反应的终点指标,1、 D-山梨醇的制备,（4）注意事项及三废处理 车间进行还原反应时氢气自制，故配有氢气柜。应杜绝火源，以免氢气发生爆炸 废镍催化剂可压制成块，冶炼回收 再生废液中的镍经沉淀后可回收 废酸、废碱经中和后放入下水道,2、L-山梨糖的制备,（1）工艺原理 选择性地使C2位的羟基氧化成羰基 生物氧化 黑醋菌,2、L-山梨糖的制备,（2）工艺过程 菌种部分 斜面培养基中菌种活化传代24h后，产糖量达到100mg/mL。 在30 培养48h，镜检菌体正常、无杂菌 放0-5 冰箱保存备用。 发酵部分 投料。D-山梨醇浓度为16%-20% 培养基控制pH5.4-5.6，120 灭菌0.5h 在发酵罐中培养（温度30-32 ；压力0.03-0.05MPa）,2、L-山梨糖的制备,一级种子罐发酵率40%以上，二级种子罐发酵率50%以上 发酵培养的山梨醇的投料浓度为25% 当发酵率在95%以上时，温度略高（31-33）；pH7.2左右，即为发酵终点 控制真空度在0.05MPa以上，温度60 以下，减压浓缩结晶即得L-山梨糖 （3）反应条件及影响因素 山梨醇的纯度影响收率 山梨醇浓度影响氧化速率 金属离子会抑制细菌的脱氢活性 生物催化剂能促进细菌生长，提高发酵率,2、L-山梨糖的制备,空气流量影响深层发酵。一般为0.7-1VVM 细菌接种量影响氧化速率 （4）注意事项 尽量减少染菌途径 其途径有 种子或发酵罐带菌 接种时罐压低于大气压 培养基消毒不彻底 操作中染菌 阀门泄露,3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备,（1）工艺原理 保护2，3，4，6位羟基,3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备,（2）工艺过程 配料比 L-山梨糖：丙酮：发烟硫酸：氢氧化钠 = 1:9:0.4:0.6 步骤 5 下压入丙酮、发烟硫酸，加入山梨糖 15-20 下溶糖6h 降温至-8 ，保持6-7h得酮化液。 25 ，加入18%-22%的氢氧化钠溶液，中和至pH8.0-8.5 下层硫酸钠用丙酮洗涤，回收单丙酮糖,上层清液常压蒸馏至100 ，减压蒸馏至90 为终点 苯提取蒸馏后剩余溶液，减压蒸馏得双丙酮糖 收率88% （3）反应条件及影响因素 缩酮化反应有多种副产物 温度高、水分多、时间过长、硫酸过多则副反应增多，双酮糖收率降低 酮化反应温度 低于20 高于20 将有利于单酮糖的生产，收率降低,3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备,（4）注意事项 双酮糖在酸性中不稳定，碱性中较温定。因此中和时，必须保持碱性和低温条件 加料的先后顺序，先加入丙酮古龙酸与盐酸，易于结块，造成搅拌困难,3、2,3,4,6-双酮基-L-山梨糖的制备,4、2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备,（1）工艺原理,4、2,3,4,6-双酮基-L-古龙酸（双丙酮古龙酸）的制备,（2）工艺过程 次氯酸钠的制造新鲜配制 14.5%-15.5%的氢氧化钠溶液通入液氯， 以有效氯浓度9.5-9.7%，余碱浓度2.8-3.2%为终点 双丙酮酸的氧化 配料比 双丙酮糖：次氯酸钠：硫酸镍 = 1：10：0.04 投料，40保温搅拌30min 静止片刻，抽滤 滤液冷至0-5，用盐酸中和（pH7、3、1.5） 过滤、水洗、过滤。得结晶，收率86%。,5、粗品维生素C的制备,（1）工艺原理,5、粗品维生素C的制备,（2）工艺过程 配料比 双丙酮古龙酸（折纯）：精制盐酸（38%）：乙醇 = 1.0：0.27：0.31 步骤 加部分双丙酮古龙酸，搅拌加盐酸，再加余下的古龙酸 蒸汽加温，升至37左右关蒸汽， 自然升温至52-54 ，保温5-7h。 50-52 保温20h，然后通水降温1h 加适量乙醇，冷却至-2 ,5、粗品维生素C的制备,放料，甩滤0.5h 乙醇洗涤，甩滤3-3.5h 干燥得粗品维生素C，收率88% （3）注意事项 加料的先后次序 先加双丙酮古龙酸与盐酸，易结块，搅拌困难 先加丙酮，使之与双丙酮古龙酸形成悬浮液，易搅拌 盐酸浓度不能过低（38%），否则催化效果降低，收率降低 析出温度的影响,5、粗品维生素C的制备,析出期为转化反应的剧烈期 析出期温差太小，为1，说明反应不剧烈，放热小，不完全 温差太大，为5，则反应放热太多，反应太剧烈，热量不能很快传递出去，加速副反应发生，严重时会引起烧料 最佳温差2.5 ，析出温度不能高于59 如遇突然停电，应选关蒸汽，后关搅拌 来电后，先开搅拌，后开蒸汽，缓慢升温,6、粗品维生素C的精制,配料比 粗维生素C(折纯)：蒸馏水：活性炭：乙醇 = 1：1.1:0.06:0.6 步骤 粗品（85%）真空干燥（50-55，20-30min） 除去挥发性杂质（盐酸、丙酮） 投入热水（68-70 ）中溶解 加入活性炭搅拌5-10min 保温压滤 结晶罐中降温至45-50 ,6、粗品维生素C的精制,加入晶种，缓慢冷却至-2 ，结晶 晶体离心甩滤，冰乙醇洗涤 甩滤，低温干燥（43-45 ，1.5h） 得精制维生素C（m.p.190-192 ）收率91% 总收率60%（对D-山梨醇计）,二、两步发酵法生产维生素C的工艺原理及过程,D-山梨醇的制备 2-酮基-L-古龙酸的制备（两步发酵） L-山梨糖的制备（第一步发酵） 2-酮基-L-古龙酸的制备（第二步发酵） 粗维生素的制备 维生素C的精制,2-酮基-L-古龙酸的制备,（1）工艺原理 微生物氧化法 （2）工艺过程 菌种部分 菌种活化、分离、混合培养 移入三角瓶种液培养基，29-33 振荡培养24h， 产酸量在6-9mg/mL，pH降至7以下，镜检正常无杂菌 发酵部分 一级种子罐加料,2-酮基-L-古龙酸的制备,控温29-30 ，压强0.05MPa，pH6.7-7.0 二级种子罐培养， 发酵终点：温度31-33，pH7.2，残糖量0.8mg/mL 两步发酵收率78.5% 提取部分 一次交换 盐酸酸化，调菌体蛋白等电点，沉降4h以上 上清液以2-3m3/h的流速压入阳离子交换柱 当流出液pH为3.5时，收集交换液，控制pH 交换完，纯水冲柱,2-酮基-L-古龙酸的制备,加热过滤 合并流出液和洗液 调pH至蛋白等电点 加热至70，加0.3%活性炭 升温至90-95，保温10-15min，使蛋白凝结 停止搅拌，快速冷却，高速离心 二次交换 上清液打入二次交换柱 洗脱，至流出液pH=1.5时，收集交换液 控制pH1.5-1.7之间。 交换完毕，洗柱,2-酮基-L-古龙酸的制备,减压浓缩 二次交换液进行一级浓缩 控制真空度、内温，至浓缩液的相对密度达1.2 出料 同样条件二次浓缩，至尽量干 加少量乙醇，冷却结晶 甩滤，冰乙醇洗涤 得2-酮基-L-古龙酸（m.p.158-162） 收率80%,2-酮基-L-古龙酸的制备,（3）反应条件及影响因素 山梨糖的影响 山梨糖初浓度过高，将抑制菌体生长，使发酵收率降低 从生产角度考虑，保证尽可能高的酸度，需山梨糖初浓度越高越好 较适宜为80mg/mL 可以采用滴加或待菌体生长正常后一次性补加的方法，来提高产物的浓度。 溶解氧浓度的影响 溶解氧浓度影响好氧菌的活性,2-酮基-L-古龙酸的制备,产酸前期应处于高溶氧浓度 产酸中期，溶氧浓度为3.5-6.0mg/mL 产酸后期，耗氧量减少。 pH的影响 pH过低（6.4）不利于发酵 控制pH6.7-7.9 （4）注意事项及“三废”处理 调好等电点是凝聚菌体蛋白的重要因素 树脂再生的好坏直接影响2-酮基-L-古龙酸的提取，其标准为进出酸差在1%以下，无Cl-,2-酮基-L-古龙酸的制备,浓缩时，温度控制在45左右较好，以防止跑料和炭化 三废处理。 母液回收、浓缩、结晶甩滤，提高收率 废盐酸回收后可再用于第一次交换,（三）粗维生素C的制备,酸转化、碱转化、酶转化 1、酸转化 （1）工艺原理 （2）工艺过程 配料比 2-酮基-L-古龙酸：38%盐酸：丙酮 = 1:0.4:0.3 先将丙酮和一半古龙酸加入转化罐，搅拌 再加入盐酸和余下的古龙酸 蒸汽加热，升温至30-38 ，,（三）粗维生素C的制备,关闭蒸汽，自然升温至52-54 ，保温5h 达到反应高潮，保持温度50-52，至总反应时间20h， 冷却过滤、冷乙醇洗涤， 得维生素C粗品，收率88% （3）反应条件及影响因素 盐酸浓度的影响 若盐酸浓度偏低，则转化不完全，收率低 若盐酸浓度偏高，则分解成许多杂质，使反应物颜色较深,（三）粗维生素C的制备,丙酮的影响 酸性条件下，产物容易分解为糠醛，进一步聚合成水和醇不溶的糠醛树脂。 加入丙酮可以溶解糠醛，降低其活性而阻止其聚合,（三）粗维生素C的制备,2、碱转化 （1）工艺原理,（三）粗维生素C的制备,（4）工艺过程 酯化 加入甲醇、浓硫酸和干燥的古龙酸 搅拌加热，升温至66-68， 反应4h左右即为酯化终点 冷却，加入碳酸氢钠 升温至66左右，回流10h后，即为转化终点 冷却至0，离心分离，得维生素C钠盐 母液回收,（三）粗维生素C的制备,酸化 将维C钠盐和一母干品、甲醇加入罐中，搅拌 硫酸调反应液pH为2.2-2.4 在40左右保温1.5h 冷却，离心分离，弃去硫酸钠 加少量活性炭，冷却压滤 真空减压浓缩，蒸出甲醇 浓缩液冷却结晶，离心分离,（三）粗维生素C的制备,3、改进后的转化工艺 旧工艺的缺点 带入大量钠离子，影响维生素C的质量 转化后母液中产生大量硫酸钠，严重影响母液套用及成品质量 劳动生产强度大 碱转化的新工艺 有机胺代替碳酸氢钠,（三）粗维生素C的制备,工艺原理,（三）粗维生素C的制备,工艺过程 将2-酮基-L-古龙酸甲酯加入到甲醇中 搅拌、升温、回流、溶解 在惰性气体中滴加胺，回流、搅拌 浓缩、蒸馏水溶解油状物 有机溶媒提取、分离 有机层用硫酸钠干燥后，回收套用 水层经浓缩、结晶得维生素C晶体,（三）粗维生素C的制备,优点 提高产品质量和收率 有机溶剂回收套用率高 反应条件、温度要求不高 大量使用液体投料，有利于自动化控制 缺点 反应在惰性气体（氮气、氩气）保护下进行,（三）粗维生素C的制备,酸转化新工艺 工艺