維生素C

研究簡史

公元前1500多年，古埃及的埃伯斯氏醫(yī)籍最早記載了和壞血病十分相似的疾病。據(jù)考證，古希臘哲學(xué)家希波克拉底的著作中記錄的一種病也是壞血病。因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們對疾病的認(rèn)識有限，人們把這種病歸入瘟疫。3

16世紀(jì)末、17世紀(jì)初，正值帝國主義開拓殖民地的時(shí)代，荷蘭和西班牙紛紛向海外派出大批船隊(duì)，船員在海洋中因缺乏維生素C而死亡者，每年數(shù)以萬計(jì)。有一次，一支西班牙帆船在海上漂浮，人們前去發(fā)現(xiàn)全船25人，均死于壞血病。后來另一支船隊(duì)的船員在瀕臨死亡之際，漂浮到一個(gè)有印第安人居住的島上，經(jīng)印第安人用樹葉汁救活而免于死亡，這才開始意識到維生素與人體的密切關(guān)系，這個(gè)事實(shí)引起了人們的普遍關(guān)注。3

19世紀(jì)初，英國海軍開始明文規(guī)定，每個(gè)海員每日必需配給檸檬汁。1911年波蘭的豐克在抗腳氣病物質(zhì)的系列研究中，提出了他的“維生素假說”，并將他提取到的物質(zhì)命名為“Vitam-ine”。公元1920年，Drummon統(tǒng)一了維生素的名稱，定為“Vitamin”（去掉了尾字母e）。3

1922年，圣捷爾吉（Albert Szent-Gy?rgyi）到荷蘭工作，開始研究水果的氧化變色問題（如蘋果切開后表面會變成黃褐色）。他發(fā)現(xiàn)卷心菜里含有一種物質(zhì)能防止這種發(fā)黃，另外在動物的腎上腺中也含有類似物質(zhì)，于是他就研究如何從水果和動物的腎上腺中提取這種物質(zhì)。1927年，圣捷爾吉應(yīng)邀到英國倫敦的化學(xué)家Frederick Gowland Hopkins實(shí)驗(yàn)室工作。在那里，他忙著從動植物組織里提取這種物質(zhì)。因?yàn)槌茸?、檸檬和卷心菜里的含量太低，而含量稍高的牛腎上腺又不容易得到，所以直到1928年他才成功地提取出極少量的這種物質(zhì)，并通過實(shí)驗(yàn)得出了化學(xué)經(jīng)驗(yàn)式C6H8O6。起初他并不知道這種物質(zhì)就是維生素C，定名己糖醛酸（L-Ascorbins?urc）。

1929年，圣捷爾吉到美國的Mayo醫(yī)院做研究，附近的屠宰場免費(fèi)提供給他大量牛副腎，他從中分離出了更多的維生素C，但是也只有25克。他將其中的一半送給英國的醣類化學(xué)家Walter H.Haworth進(jìn)行分析，可惜那時(shí)技術(shù)不成熟，Haworth沒有能確定其結(jié)構(gòu)。

1930年，圣捷爾吉于回到匈牙利，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐囊环N辣椒含有大量的己糖醛酸。他最終成功地從辣椒中分離出1公斤純的己糖醛酸，并再送一批給Haworth分析。Haworth終于確定了維生素C的正確化學(xué)結(jié)構(gòu)。后來，Tillmans，Vedder，Harris等也自各種食品中提取到了維生素C。1933年，維生素C開始人工合成。43

1937年，因?yàn)閷S生素C和人體內(nèi)氧化反應(yīng)的研究，圣捷爾吉獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。4

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

維生素C為白色粉末，分子量為176.12，通常是片狀，有時(shí)是針狀的單斜晶體。無臭，味酸，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚，氯仿、石油醚等有機(jī)溶劑。結(jié)構(gòu)上看，維生素C與糖類十分相似，分子中有兩個(gè)不對稱碳原子（C4，C5），能形成四個(gè)光學(xué)異構(gòu)體。12

|| || 維生素C的物理性質(zhì)

化學(xué)性質(zhì)

• 酸堿性

維生素C分子結(jié)構(gòu)中具有連二烯醇的結(jié)構(gòu)，水溶液呈酸性。將維生素C溶液用玻璃棒蘸取并滴在藍(lán)色石蕊試紙上，可觀察到試紙變紅；再用玻璃棒蘸取少量維生素C滴在PH試紙上，測出pH約為3；最后向維生素C溶液滴加2滴甲基橙試液，溶液變紅。15

因?yàn)镃-2上的羥基可與C-1的羰基形成分子內(nèi)氫鍵，所以C-2羥基的酸性較C-3上的羥基弱。C-3上羥基的酸性較強(qiáng)，可與碳酸氫鈉或稀氫氧化鈉溶液反應(yīng)，生成C-3烯醇鈉鹽。但在強(qiáng)堿如濃氫氧化鈉溶液中，內(nèi)酯環(huán)被破壞，生成酮酸鈉鹽。13

• 還原性

維生素C分子中的連二烯醇的結(jié)構(gòu)，容易釋放出H原子而具有很強(qiáng)的還原性。在水溶液中易被空氣中的氧氧化，生成去氫抗壞血酸。二者可以相互轉(zhuǎn)化，故維生素C有氧化型和還原型兩種形式，二者有同等的生物學(xué)活性。去、維生素C被硝酸銀、三氯化鐵、堿性酒石酸銅、碘、碘酸鹽及2,6-二氯靛酚等氧化，生成去氫抗壞血酸。去氫抗壞血酸在硫化氫、氫碘酸等還原劑的作用下，可逆轉(zhuǎn)為維生素C。由于去氫抗壞血酸分子中的共輒系統(tǒng)被破壞，使得去氫抗壞血酸比維生素C更易被水解，生成2,3-二酮古洛糖酸，并可進(jìn)一步氧化生成蘇阿糖酸和草酸而失去活性。在水溶液中的氧化速度由pH和氧氣的濃度決定，重金屬離子等可催化上述反應(yīng)。13

• 不穩(wěn)定性

維生素C在水溶液中不穩(wěn)定，很快被氧化成脫氫抗壞血酸，尤其是在中性或堿性溶液中更快被氧化，遇光、熱、鐵和銅等金屬離子均會加速氧化，能形成穩(wěn)定的金屬鹽；維生素C為相對強(qiáng)的還原劑，貯存日久色變深，成不同程度的淺黃色。15

• 鑒別反應(yīng)

維生素C的水溶液中加入硝酸銀試液，產(chǎn)生黑色的銀沉淀；若加入2,6-二氯靛酚試液作用（試液本身為青色，在酸性溶液中為紅色），可使其褪色。此兩反應(yīng)可用于維生素C的鑒別。13

維生素C結(jié)構(gòu)與糖類相似，具有糖類的性質(zhì)，可在三氯醋酸或鹽酸存在下，經(jīng)水解、脫羧、失水等反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成糠醛，再與吡咯在50℃反應(yīng)，生成藍(lán)色，這個(gè)反應(yīng)也可用于鑒別維生素C。14

制備方法

工業(yè)制備

維生素C的生產(chǎn)方法大致可分為3類，即化學(xué)合成法、化學(xué)合成結(jié)合生物合成（發(fā)酵）法（有時(shí)也稱為半合成法）和生物合成（發(fā)酵）法。近來發(fā)現(xiàn)的酵母發(fā)酵法合成維生素C則是唯一不需要經(jīng)過中間化合物的生物合成法，雖然具有很大的吸引力，但遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的水平。1617

• 化學(xué)合成法

1933年，Reichstein和Ault兩個(gè)研究小組分別發(fā)表了維生素C化學(xué)合成的方法，但由于合成路線長、收率低，并沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1617

• 化學(xué)合成結(jié)合生物合成法

從1937年起，以Reichstein和Grussner的發(fā)明為基礎(chǔ)，建立了從葡萄糖出發(fā)，用化學(xué)法結(jié)合發(fā)酵法生產(chǎn)維生素C的“萊氏法”（Reichstein procedure）。從此，維生素C進(jìn)入了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)階段。這一方法后經(jīng)不斷改進(jìn)和完善，在世界上得以廣泛應(yīng)用。萊氏法工業(yè)生產(chǎn)的總收率超過60%。由于葡萄糖原料便宜且易得，中間化合物尤其是雙丙酮-L-山梨糖的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，以及工藝流程的不斷改進(jìn)，且產(chǎn)品質(zhì)量好等原因，在國外“萊氏法”仍是維生素C生產(chǎn)的主要方法。該方法以D-山梨醇作原料，需經(jīng)4大步反應(yīng)，才能得到維生素C產(chǎn)品。16

1. D-山梨醇經(jīng)生黑葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter melanogenus，簡稱黑醋菌）或弱氧化醋酸桿（Acetobacter subox ydans）發(fā)酵得L-山梨糖。
2. L-山梨糖和丙酮反應(yīng)制得二丙酮-L-山梨糖。
3. 二丙酮-L-山梨糖氧化得二丙酮-2-酮-L-古龍酸鈉，再經(jīng)酸化得二丙酮-2-酮-L-古龍酸。
4. 二丙酮-2-酮-L-古龍酸經(jīng)轉(zhuǎn)化得維生素C。

由于“萊氏法”的反應(yīng)步驟多，“三廢”嚴(yán)重，從20世紀(jì)60年代初開始，雖然有許多研究者進(jìn)行了改進(jìn)，縮短了“萊氏法”的反應(yīng)步驟，但都沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。1617

• 生物合成（發(fā)酵）法

2-酮-L-古龍酸（2-keto-L-gulonicacid,2-KGA）是合成維生素C的直接前體，在維生素C生產(chǎn)中，由2-酮-L-古龍酸到維生素C的最后一步均為化學(xué)轉(zhuǎn)化。從葡萄糖出發(fā)，產(chǎn)生2-酮-L-古龍酸的途徑已知至少有6條：①D-山梨醇途徑；②L-山梨糖途徑（即二步發(fā)酵法）；③L-艾杜糖酸（或L-古龍酸）途徑；④2-酮-D-葡萄糖酸途徑；⑤2,5-二酮-D-葡萄糖酸途徑；⑥直接從葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生2-酮-L-古龍酸的途徑。在這6條合成途徑中，只有第2條途徑已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，即中國自行開發(fā)的“二步發(fā)酵法”，過程如下。17

D山梨醇的化學(xué)合成

山梨醇和葡萄糖都是6碳糖類化合物，而且二者的差別在于C-1基團(tuán)。因此將D-葡萄糖C-1上的醛基還原成醇基，即得D-山梨醇。工業(yè)生產(chǎn)中，采用催化氫化D-葡萄糖，控制壓力，在氫作還原劑、鎳作催化劑的條件下，將醛基還原成醇羥基，從而制備D-山梨醇。將50%葡萄糖溶液在75℃下加入活性炭，除去雜質(zhì)。用石灰乳液調(diào)節(jié)pH8.4，壓入氫化反應(yīng)器，加入鎳催化劑，通入氫氣，在3.43×103kPa、140℃下反應(yīng)，不吸收氫氣時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)過程嚴(yán)格控制pH8.0-8.5，否則葡萄糖的C-2位差向異構(gòu)化產(chǎn)物甘露糖會被還原形成甘露醇。反應(yīng)結(jié)束后，靜置沉降除去催化劑，反應(yīng)液經(jīng)過離子交換樹脂、活性炭處理后，減壓濃縮、得到含量60%-70%的D-山梨醇，為無色透明或微黃色透明黏稠液體，收率在97%左右。16

2-酮基-L-古龍酸的微生物發(fā)酵

采用兩種微生物進(jìn)行兩步生物轉(zhuǎn)化，制備2-酮基-L-古龍酸。首先將D山梨醇轉(zhuǎn)化成L-山梨糖，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為2-酮基-L-古龍酸。

第一步發(fā)酵：從D-山梨醇到L-山梨糖只是把C-2位的羥基氧化為默基，保持其他基團(tuán)不發(fā)生變化，這個(gè)反應(yīng)的特異性可通過微生物轉(zhuǎn)化得以實(shí)現(xiàn)。雖然多種醋酸桿菌都可作為轉(zhuǎn)化菌，但黑醋酸桿更好。醋酸桿菌經(jīng)種子擴(kuò)大培養(yǎng)，接入發(fā)酵罐，種子和發(fā)酵培養(yǎng)基主要包括山梨醇、玉米漿、泡敵、酵母膏、碳酸鈣等成分，pH 5.0-5.2。山梨醇濃度控制在24%-27%，培養(yǎng)溫度29-30℃，通氣比為1∶1-0.7VVM。測定發(fā)酵液中山梨糖，當(dāng)濃度不再增加時(shí)，結(jié)束發(fā)酵，約10h。D-山梨醇轉(zhuǎn)化為L-山梨糖的生物轉(zhuǎn)化率達(dá)98%以上。發(fā)酵液經(jīng)低溫60℃滅菌20min，冷卻至30℃，作為第二步發(fā)酵的原料。

第二步發(fā)酵：從L-山梨糖到2-酮基-L-古龍酸需要將C-1位羥基氧化為羧基，保持其他基團(tuán)不發(fā)生變化。許多微生物，包括假單胞桿菌、葡萄糖酸桿菌、醋酸桿菌、氣桿菌、芽孢桿菌等能使L-山梨糖轉(zhuǎn)化為2-酮基-L-古龍酸。其中醋酸桿菌、葡萄糖酸桿菌和芽孢桿菌的轉(zhuǎn)化活力最強(qiáng)，而且，搭配使用兩種混合菌，產(chǎn)物的收率達(dá)到最高水平。單獨(dú)使用一種菌，一般產(chǎn)量很低。葡萄糖酸桿菌，細(xì)胞呈長或短桿狀，生鞭毛或不具鞭毛，能在pH4.5時(shí)生長，可氧化葡萄糖生成葡萄糖酸并具有多元醇生酮作用。最適生長溫度30-35℃（弱氧化葡萄糖酸桿菌）或18-21℃（氧化葡萄糖酸桿菌）。工業(yè)生產(chǎn)中，采用氧化葡萄糖酸桿菌（Gluconobacter orydans，俗稱小菌）和巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium，俗稱大菌）混合培養(yǎng)。前者為產(chǎn)酸菌，后者為搭配菌。可能的機(jī)理是前者把L-山梨糖轉(zhuǎn)化為L-艾杜糖（把C-1位羥基氧化為醛基），后者進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為2-酮基-L-古龍酸（把C-1位醛基氧化為羧基）。

生產(chǎn)維生素C的發(fā)酵罐均在100m3以上，瘦長型的氣升式反應(yīng)器，無機(jī)械攪拌。種子和發(fā)酵培養(yǎng)基的成分類似，主要有L-山梨糖、玉米漿、尿素、碳酸鈣、磷酸二氫鉀等，pH值為7.0。大、小菌經(jīng)二級種子擴(kuò)大培養(yǎng)，接入含有第-一步發(fā)酵液的發(fā)酵罐中，29-30℃下通入大量無菌空氣，培養(yǎng)72h左右結(jié)束發(fā)酵，殘?zhí)?.5%以下。由L-山梨糖生成2-酮基-L-古龍酸的轉(zhuǎn)化率可達(dá)70%～85%。

發(fā)酵前期是菌體生長期，應(yīng)該供氧充足，處于高溶解氧狀態(tài)，促進(jìn)生長，縮短前期。發(fā)酵中期是主要產(chǎn)酸期，產(chǎn)酸率和耗糖率為常數(shù)，溶解氧濃度應(yīng)該控制在適宜的范圍內(nèi)，一般20%即可。發(fā)酵后期菌體活力下降，生產(chǎn)能力減慢，根據(jù)產(chǎn)酸濃度和殘?zhí)羌皶r(shí)結(jié)束發(fā)酵。

在整個(gè)發(fā)酵期間，保持一定數(shù)量的氧化葡萄糖酸桿菌是發(fā)酵的關(guān)鍵。可根據(jù)芽孢的形成時(shí)間來控制發(fā)酵。當(dāng)伴生的芽孢桿菌開始形成芽孢時(shí)，產(chǎn)酸菌株開始產(chǎn)生2-酮基-L-古龍酸，直到完全形成芽孢后和出現(xiàn)游離芽孢時(shí)，產(chǎn)酸量達(dá)高峰。滴加堿液調(diào)pH值，使保持7.0左右。當(dāng)溫度略高（31-33℃）、pH在7.2左右、殘?zhí)橇?.8mg/mL以下，即為發(fā)酵終點(diǎn)。此時(shí)游離芽孢及殘存芽孢桿菌菌體已逐步自溶成碎片，用顯微鏡觀察已無法區(qū)分兩種細(xì)菌細(xì)胞的差別，整個(gè)產(chǎn)酸反應(yīng)到此也就結(jié)束了。16

2-酮基-L-古龍酸的分離純化

經(jīng)兩步發(fā)酵后，發(fā)酵液中僅含8%左右的2-酮基-L-古龍酸，且殘留菌絲體、蛋白質(zhì)和懸浮的固體顆粒等雜質(zhì)，常采用加熱沉淀、化學(xué)凝聚、超濾分離提純。傳統(tǒng)工藝是加熱沉淀，發(fā)酵液經(jīng)靜沉降后，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至蛋白質(zhì)等電點(diǎn)，并加熱使蛋白質(zhì)凝固，然后用高速離心機(jī)分離出菌絲、蛋白和微粒。

酸化上清液通過732氫型離子交換樹脂柱，控制流出液的pH值。當(dāng)流出液達(dá)到一定pH值時(shí)，則更換樹脂進(jìn)行交換。收集流出液和洗脫液，在加熱罐內(nèi)調(diào)節(jié)pH至等電點(diǎn)，加熱70℃，加入活性炭，升溫90-95℃維持10-15min，快速冷卻，過濾。

濾液再次通過陽離子交換柱，控制流出液pH1.5-1.7，酸化為2-酮基-L-古龍酸的水溶液。在45℃下減壓濃縮，冷卻結(jié)晶，離心分離，冰乙醇洗滌，得到2-酮基-L-古龍酸，提取率80%以上。16

維生素C的制備

2-酮基-L-古龍酸的C-4位內(nèi)酯化、C-2位烯醇化后才能得到維生素C，在酸或堿催化劑作用下實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)中常采用堿轉(zhuǎn)化法催化⒉-酮基-L-古龍酸生成維生素C。16

1. **酸轉(zhuǎn)化：**配料比2-酮基-L-古龍酸∶38%鹽酸︰丙酮=1∶0.4（質(zhì)量/體積）∶0.3（質(zhì)量/體積）。先將丙酮與一半古龍酸加入轉(zhuǎn)化罐攪拌，再加入鹽酸和余下的古龍酸。打開蒸汽閥，緩慢升溫至30-38℃，關(guān)汽閥。自然升溫至52-54℃，保溫約5h，反應(yīng)到達(dá)高潮，結(jié)晶析出。罐內(nèi)溫度稍有上升，最高可達(dá)59℃，嚴(yán)格控制溫度不能超過60℃。高潮期后，維持溫度在50-52℃，至總保溫時(shí)間為20h。降溫1h，加入適量乙醇，冷卻至一2℃，放料。甩濾0.5h后用冰乙醇洗滌，甩干，再洗滌，甩干3h左右，干燥后得粗維生素C。酸轉(zhuǎn)化工藝的設(shè)備簡單，流程短，但維生素C破壞較嚴(yán)重，質(zhì)量較差。設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，三廢問題沒有很好解決，逐漸被淘汰。
2. **堿轉(zhuǎn)化：**2-酮基-L-古龍酸在甲醇中用濃硫酸催化酯化生成2-酮基-L-古龍酸甲酯，加NaHCO3。轉(zhuǎn)化生成維生素C鈉鹽，經(jīng)氫型離子交換樹脂酸化，在50-55℃下減壓烘干，得到粗品維生素C。堿轉(zhuǎn)化工藝流程較長，投資較大，但設(shè)備腐蝕少，中間體易分離，產(chǎn)品質(zhì)量較好。但由于使用碳酸氫鈉后，帶入了大量鈉離子；轉(zhuǎn)化后母液中產(chǎn)生大量的硫酸鈉，嚴(yán)重影響母液套用及成品質(zhì)量。16

實(shí)驗(yàn)室制備

• 提取

用扭力天平準(zhǔn)確稱取新鮮樣品（含豐富維生素C的果蔬等）10g，置乳缽中加入少量2%HCl（5-10ml）。充分研磨提?。ㄎ鸫脸鋈芤海?，如此研磨提取3-4次，n次提取液通過兩層紗布經(jīng)漏斗濾入50ml的容量瓶中（勿使提取液由紗布滴在瓶外）。最后用2%HCl 稀釋至刻度并混勻，得到維生素C粗溶液。維生素C在pH值3-4的酸性條件下提取穩(wěn)定性最佳。單一酸提取劑2%草酸應(yīng)用最多，5%三氯乙酸和10%鹽酸提取效果較好，偏磷酸的效果好于草酸，但偏磷酸成本較高且有劇毒，不推薦使用。混合酸溶劑提取效果優(yōu)于單一酸提取劑提取效果，報(bào)道文獻(xiàn)大多采用2%草酸混合酸，提取效果更加穩(wěn)定高效。1819

生理功能

• 抗氧化

維生素C的大部分生物學(xué)功能由其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定。維生素C分子式為C6H8O6，內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)上存在兩個(gè)活躍的羥基，極易發(fā)生電離（pKa分別為11.6、4.2），生成ASC和DHA，而DHA可在一系列酶促反應(yīng)中被還原為ASC。因此，ASC成為了天然抗氧化劑，上述反應(yīng)中還原型谷胱甘肽（glutathione,GSH）依賴DHA還原酶介導(dǎo)的反應(yīng)最具有代表性。5

線粒體氧化磷酸化過程及細(xì)菌、病毒誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)過程中均可產(chǎn)生大量活性氧自由基。許多蛋白質(zhì)和酶需要巰基（-SH）才能夠發(fā)揮生理功能，但巰基易受到氧化自由基的氧化，若無法盡快清除活性氧自由基即能發(fā)生DNA氧化、脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、氨基酸氧化等。保護(hù)紅細(xì)胞膜上的巰基可防止溶血、保護(hù)血紅蛋白防止其氧化成高鐵血紅蛋白等。另外，維生素C能夠與維生素E協(xié)同作用，及時(shí)清除疏水區(qū)間氧化自由基；通過還原反應(yīng)介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，還能夠有效維持氧化還原環(huán)境的平衡，對維持細(xì)胞完整性及細(xì)胞正常的生理活動非常重要。5

• 膠原蛋白合成

膠原蛋白（collagen）主要存在于皮膚、骨骼、內(nèi)臟等各部位，可維持皮膚及其他器官的形態(tài)。為促進(jìn)膠原蛋白分子交聯(lián)、保證組織結(jié)構(gòu)的完整，需要膠原蛋白脯氨酸-4-羥化酶（collagen-4-hydroxylase,C-P4H）。C-P4H是亞鐵離子和2-氧戊二酸鹽依賴型雙加氧酶，催化膠原蛋白脯氨酸殘基發(fā)生羥基化反應(yīng)，生成(2S,4S)-4-羥脯氨酸。而維生素C正是C-P4H發(fā)揮酶活性的輔助因子。5

除了C-P4H，如此家族中多巴胺β-羥化酶（dopamine beta-hydroxylase,D-βH）可催化多巴胺生成去甲腎上腺素，γ-丁內(nèi)胺雙加氧酶（γ-butyrobetaine dioxygenase,GBBH）可催化肉毒堿合成，肽酰甘氨酸加氧酶（peptidylglycineα-hydroxylating monooxygenase,PHM）可催化部分激素前體蛋的酰胺化反應(yīng)等。一旦缺乏維生素C，大量的Fe2+被氧化為Fe3+，C-P4H很快失去酶活性，嚴(yán)重影響膠原蛋白上脯氨酸殘基羥基化，引發(fā)維生素C缺乏病。特定部位毛細(xì)血管破損無法及時(shí)修復(fù)，引發(fā)瘀血、傷口愈合延遲、關(guān)節(jié)痛、紫癜等，嚴(yán)重者可引起死亡。若重新添加維生素C，大量Fe3+被還原成Fe2+，C-P4H酶活性可完全恢復(fù)。此外，維生素C還可促進(jìn)Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，還能夠增加機(jī)體對鐵元素的吸收，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白表達(dá)。5

• 延緩細(xì)胞衰老和凋亡

維生素C能夠通過對5-甲基嘧啶修飾酶1,Jumonji C結(jié)構(gòu)域的組蛋白去甲基化酶的調(diào)節(jié)，參與對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的重塑和對效應(yīng)基因表達(dá)的調(diào)控。維生素C能夠通過增強(qiáng)HIF-PHs的活性，誘導(dǎo)HIF-2α降解，促進(jìn)前體i PSCs成熟，抑制重編程過程中p53基因的表達(dá)。維生素C還能夠調(diào)控蛋白ALKBHs,ALKBHs不僅能夠除去組蛋白H2A上的甲基化修飾，還可與核心多能因子相互作用，共同調(diào)控胚胎干細(xì)胞特異性mi RNA的表達(dá)。上述反應(yīng)不僅能夠延緩細(xì)胞的衰老和凋亡，還可對部分組織的修復(fù)起到促進(jìn)作用。5

• 抗癌抗腫瘤

20世紀(jì)70年代起，人們開始維生素C抗腫瘤抗癌癥方面的研究。經(jīng)過多次臨床試驗(yàn)及動物試驗(yàn)，逐步揭開維生素C抗癌、抗腫瘤的秘密。5

基因組異常高甲基化是引發(fā)細(xì)胞癌變的重要原因，DNA基因啟動區(qū)Cp G島中的高甲基化可抑制抑癌基因的表達(dá)。大部分成因是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferases,DNMTs）功能亢進(jìn)和TET家族蛋白的功能缺失，而維生素C能夠提升TET家族中絕大部分酶活性，相應(yīng)減少甚至避免了DNA高甲基化，促進(jìn)抑制腫瘤基因的表達(dá)，促進(jìn)干細(xì)胞分化，增強(qiáng)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase inhibitor, DNMTi）誘導(dǎo)的免疫信息。5

HIF-1α是轉(zhuǎn)錄因子，癌癥細(xì)胞中HIF-1α?xí)憩F(xiàn)出更高的表達(dá)水平，可調(diào)控?cái)?shù)百個(gè)惡性腫瘤相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄，通過上調(diào)細(xì)胞糖酵解、紅細(xì)胞生成、細(xì)胞存活通路、血管生成及組織重塑等使細(xì)胞適應(yīng)快速生長而引起的缺氧及代謝應(yīng)激，其中包括決定腫瘤血管生成的血管內(nèi)皮生長因子。維生素C不僅能夠調(diào)控HIF-1α羥基化修飾，還可作為Fe2+/α-KGDDs的輔助因子增強(qiáng)HIF羥化酶的功能，抑制HIF-1α的轉(zhuǎn)錄并阻斷其下游通路，促進(jìn)其蛋白降解。5

在維生素C不同活性形式相互轉(zhuǎn)化過程中，當(dāng)脫氫抗壞血酸濃度達(dá)到100nmol/L以上時(shí)，即可生成H2O2；H2O2進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，首先可造成DNA損傷，為修復(fù)損傷會消耗大量能量（ATP）。腫瘤細(xì)胞能夠表現(xiàn)出特有的瓦博各效應(yīng)（Warburg effect），即糖酵解反應(yīng)活躍，葡萄糖消耗量大，乳酸含量高，能量代產(chǎn)生效率低。維生素C進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)可迅速還原為維生素C原型，進(jìn)一步升高ROS水平，產(chǎn)生類似H2O2的影響，導(dǎo)致細(xì)胞能量耗竭，線粒體損傷，進(jìn)而使細(xì)胞凋亡。有研究表明，維生素C對正常細(xì)胞的殺傷作用（EC50）大于20mmol/L，而對癌癥細(xì)胞的EC50小于4mmol/L。5

• 調(diào)控細(xì)胞信號通路

人們對維生素C的傳統(tǒng)研究領(lǐng)域集中于其氧化還原性及輔助因子輔酶，而作為調(diào)控細(xì)胞信號通路因子的相關(guān)研究是近二十年來新興和活躍的領(lǐng)域。5

有研究發(fā)現(xiàn)，維生素C能夠通過降低ROS的水平抑制P38MAPK的活性，抑制P53引發(fā)的細(xì)胞衰老，還能夠通過激活ERK信號通路，促進(jìn)損傷組織內(nèi)皮細(xì)胞的再生及成熟。維生素C可通過抑制NFkβ的信號激活參與炎癥發(fā)生、腫瘤形成、細(xì)胞凋亡等生物學(xué)過程。有研究表明，維生素C可通過激活MEK-ERK1/2通路促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖，能夠通過抑制部分腺苷酸環(huán)化酶降低細(xì)胞中c AMP的積累，抑制前體脂肪細(xì)胞的成熟和分化。5

• 膽固醇代謝

膽固醇不僅可作為細(xì)胞膜及血漿脂蛋白的重要組分，還是許多重要物質(zhì)的前體，如膽汁酸、腎上腺皮質(zhì)激素、維生素D、性激素等。膽固醇代謝過程中，維生素C是膽固醇環(huán)狀部分羥化的輔酶，側(cè)鏈分解即成為膽汁酸。因此，維生素C能夠雙向調(diào)節(jié)膽固醇的代謝與合成。5

應(yīng)用領(lǐng)域

食品工業(yè)

1. **果蔬保鮮：**采摘后果實(shí)快速衰老與其果肉采后代謝產(chǎn)生了大量的活性氧密切相關(guān)，若細(xì)胞內(nèi)的活性氧不能被抗氧化系統(tǒng)及時(shí)清除，就會導(dǎo)致氧化脅迫。維生素C是植物體內(nèi)重要的抗氧化物質(zhì)，有研究表明，若在采后貯藏過程提高了果蔬的維生素C含量，就能提高果蔬采后保鮮效果。23
2. **抗褐變：**水果和蔬菜在運(yùn)輸、包裝或加工過程中受損后極易發(fā)生變色，這種現(xiàn)象被稱為酶促褐變。酶促褐變反應(yīng)的基本步驟是將酚類化合物在酚酶催化下氧化成鄰醌類化合物，隨后醌類物質(zhì)經(jīng)過一系列氧化縮合聚合形成褐色產(chǎn)物，從而導(dǎo)致褐變發(fā)生。維生素C是常見的抗褐變劑，它可以通過2種不同的機(jī)制防止褐變：在沒有多酚氧化（Polyphenol oxidase，PPO）底物的情況下，它使PPO不可逆地失活，可能是通過與其活性位點(diǎn)的結(jié)合；在存在PPO底物的情況下，維生素C會還原PPO氧化的反應(yīng)產(chǎn)物，即與氧化形成的醌發(fā)生偶合氧化，醌被還原，導(dǎo)致苯酚的再生，從而抑制褐變。23
3. **改善蛋白質(zhì)性質(zhì)：**維生素C因在水溶液中不穩(wěn)定，存在氧化-還原性的抗壞血酸系統(tǒng)。研究表明維生素C的第一個(gè)穩(wěn)定的氧化產(chǎn)物DHA和其他進(jìn)一步氧化產(chǎn)物（蘇糖、草酸等），其活性羰基基團(tuán)都可以與氨基酸殘基交聯(lián)，也有學(xué)者認(rèn)為DHA參與—SH基與二硫鍵之間的交換反應(yīng)，通過此交換反應(yīng)增加分子的展開，并通過分子間二硫鍵的形成增強(qiáng)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用，以上作用都有可能影響蛋白質(zhì)性質(zhì)。23
4. **抑制脂肪氧化：**維生素C既能抑制脂類氧化，又能提高乳液的抗氧化性。油脂氧化是油脂類食品的一個(gè)嚴(yán)重問題，它對食品的保質(zhì)期和營養(yǎng)成分都有負(fù)面影響。由于維生素C良好的還原性可以清除食物中的氧氣，保護(hù)油脂不被氧化。23
5. **降低亞硝酸鹽含量：**亞硝酸鹽與肉制品中胺類反應(yīng)生成亞硝胺，食用后存在潛在的致癌作用。維生素C作為抗氧化劑，在酸性條件下能將亞硝酸鹽還原為NO，消耗NO2-，從而降低了亞硝酸鹽濃度。23