Production and application of menaquinone-7 (vitamin K2): a new perspective
- 作者
- Ehsan Mahdinia, Ali Demirci, Aydin Berenjian
- 杂志
- World Journal of Microbiology and Biotechnology（2016）
- DOI
- 10.1007/s11274-016-2169-2
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
MK-7（维生素K2）具有重要的健康功效，但发酵产量低、回收工艺复杂，导致其工业生产成本高、难以普及。本文综述了MK-7生产中的发酵与回收技术进展，以探寻提高产量和降低成本的方法。
研究策略
系统综述了液体/固体发酵、静态/动态发酵、分批/补料分批、原位/后提取回收等不同工艺，并总结了各种菌株的产量数据和优化策略。
核心内容
该综述聚焦甲萘醌-7（维生素K2）的微生物发酵生产与回收工艺，旨在解决其产量低、成本高导致难以工业化普及的瓶颈。作者系统梳理了液体与固体发酵、静态与动态培养、分批与补料分批模式，以及原位与后提取回收策略，并汇总了多种菌株的产量数据。关键结果表明，枯草芽孢杆菌natto是最具应用前景的菌株，在优化培养基条件下最高产量可达62.32 mg/L；补料分批添加2%甘油可使产量进一步提升至86.48 mg/L，较批式发酵提高约40%。固体发酵中，在玉米碎粒/豆蛋白基质上可达到67.01 mg/kg。此外，利用植物油兼作消泡剂与萃取剂，可原位回收约80%的MK-7，是一种环境友好的回收措施。作者还提出生物膜反应器作为突破产量瓶颈的未来方向，这些策略共同为MK-7的低成本工业化生产提供了可行路径。
创新点
提出利用生物膜反应器作为未来提高MK-7产量的新方向；总结植物油作为消泡剂同时原位萃取MK-7的环境友好方法；对比了不同提取溶剂配比。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Bacillus subtilis natto | 甲萘醌（维生素K2）生物合成途径 | — | — | 催化 | 综述中最有前景的MK-7生产菌，用于液体和固体发酵 |
| Bacillus licheniformis | 甲萘醌（维生素K2）生物合成途径 | — | — | 催化 | MK-7为其唯一醌类，野生型和突变株均产生MK-7 |
| Lactococcus lactis ssp. cremoris | 甲萘醌（维生素K2）生物合成途径 | — | — | 催化 | 在豆奶培养基中最高产生MK-7 12.3 mg/L |
| Leuconostoc lactis | 甲萘醌（维生素K2）生物合成途径 | — | — | 催化 | 乳酸菌中能产生MK-7等醌类 |
| Flavobacterium sp. 238-7 | 甲萘醌（维生素K2）生物合成途径 | — | — | 催化 | 产生MK-4和MK-6，存在突变株 |
| Bacillus amyloliquefaciens | 甲萘醌（维生素K2）生物合成途径 | — | — | 催化 | 用于清国酱发酵，补充4%甘油可显著提高MK-7含量 |
| — | — | — | α-淀粉酶 | 催化 | 用于底物预处理，增加糖单体可利用性以提高MK-7产量 |
关键发现
- 固体发酵中，Bacillus subtilis natto在玉米碎粒/豆蛋白基质上最高MK-7产量达67.01 mg/kg（Mahanama et al. 2011）
- B. subtilis经RSM优化后产量为39 μg/g（Singh et al. 2015）
- Bacillus amyloliquefaciens在清国酱发酵中补充4%甘油后MK-7含量达11.13 mg/kg（Wu & Ahn 2011）。液体发酵中，乳酸菌Lactococcus lactis ssp. cremoris在豆奶培养基中最高MK-7产量为12.3 mg/L（Morishita et al. 1999）
- Bacillus licheniformis产MK-7为0.25 μg/mg细胞干重（Goodman et al. 1976）
- B. subtilis natto优化培养基后最高产62.32 mg/L（Berenjian et al. 2011）
- 补料分批添加2%甘油使MK-7产量达86.48 mg/L，较批式提高40%（Berenjian et al. 2012）。此外，植物油作为消泡剂可回收约80%的MK-7（Berenjian et al. 2014）。
研究结论
B. subtilis natto是MK-7生产的最有前景菌株；通过培养基优化、补料分批甘油添加和动态发酵可显著提高产量（如86.48 mg/L）；植物油可原位回收约80%产物；未来生物膜反应器可能进一步突破产量瓶颈。