維他命的發現 揭開了營養學的序幕

作者:Bevis   |   2016 / 11 / 22

文章來源:Bevis   |   圖片來源:Lisa


雖然維他命現在早已成為耳熟能響的保健補充品,但它在中古世紀時期,說是相當默默無名。原因為何呢?

這是因為營養素與疾病之間的關連,在過去並沒有被發現。當時人們廣泛受到傳染病所苦,如奪走幾近半數人口的查士丁尼鼠疫與黑死病,讓人們始終認為疾病,都是由外界傳染所導致的。

此外,維他命與傳染病源-細菌,大小的差異也相當大;前者只有幾個到幾十個奈米大小,後者則是微米等級,兩者大小整整差了1000倍有餘。因此,要發現維他命的存在,其實並不容易。

接力聯手,突破研究上的死胡同

因此體積比較大的細菌,率先就被安東尼‧范‧雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)於1683年發現。至於維他命,則還得繼續等到兩百多年後的1912年,才被卡西米爾·芬克(Kazimierz Funk)揭曉。

雖然說早在1747年,詹姆斯·林德(James Lind)就透過實驗找出壞血病治療的方法(參考:保健食品的起源成就健康食品的現今),但林德也只是知道橘子與檸檬可用來治療,並不知道箇中的原因。因此維他命還要要一直往後推到19世紀末期,克里斯蒂安·艾克曼(Christiaan Eijkman)與霍普金斯接力聯手後,才逐漸揭開面紗。

當時還是荷蘭殖民地的印尼,由於接連發生多起腳氣病案例,使得荷蘭當局大為頭痛。一旦得了腳氣病,往往會出現肢體感覺衰退與精神不濟等神經炎症狀,嚴重一點甚至會心律衰退而亡。身為醫生的艾克曼,恰好就曾發表《神經的極化》(On Polarization of the Nerves)的論文。雖然跟腳氣病沒有直接關係,但對於荷蘭當局來說,卻是再適合不過的人選。

於是,艾克曼於1890年來到印尼,開始以小雞作為實驗動物,分成健康組群的控制組,與注射有腳氣病症狀體液的實驗組。實驗結果第一次,小雞全病倒了;第二次卻相反,所有小雞都沒事且活踫亂跳著。這結果讓艾克曼大感疑惑。兩次實驗條件都相同,唯獨飼料第一次是白米,第二次是糙米而已。

但就是這個But,讓艾克曼想到糙米是否含有某種營養素,讓小雞避免得到腳氣病。而再一次實驗的測試,倒是成功應證了艾克曼的想法。讓當時科學家了解到,疾病不只緣自於傳染病而已,營養不足本身也是。

接著,就由擅長分離營養素的芬克登場,他成功在1912年從米糠中分離出可以治療腳氣病的維他命B1,並命名這些營養素是為Vitamine,也就是中文維他命的由來。此外,芬克更也定義這些不同化學結構的營養素,包含維他命C與維他命D等等,正式揭開了一段維他命研究的風潮。

維他命的發現 揭開了營養學的序幕_內文圖 1

既然維他命被證實發現,那麼過往發生壞血病與腳氣病的原因,便有了合理科學的解釋。此時,人們開始重視維他命的攝取,相關需求也成為一股等待被滿足的商機。

塔德烏什·賴希施泰因(Tadeus Reichstein)率先於1933年,發明維他命C的工業生產方法;隔年,羅氏藥廠便收購此專利,開始史上第一次維他命C的商業化生產。在那之後,其它維他命生產方法的研究,也陸續地發展開來。

化學合成方法的出現,淘汰了過往植物或動物的生物萃取方法,讓維他命的生產量大幅躍進。此外,利用微生物生產維他命的微生物轉化方法(Microbial Transformation),更也被研究出來。讓維他命產業,開始步入更有效率且標準化的生產模式。

相較於化學合成方法,有著多步驟反應過程與化學廢棄物處理成本的缺點;微生物透過發酵,即可以以單一步驟的生化反應來生產維他命,且也沒有廢棄物處理的問題。因此,只要是微生物可以生產的維他命,微生物轉化方法始終是最為優先考量的方法。例如,過往維他命B12需多達20個化學反應步驟才能合成,因此現今早已改成微生物來生產。

維他命屬於微生物進行發酵反應時,有機物分解所產生的初級代謝物。初級代謝物不只有維他命,還包含維持微生物生命所需的胺基酸、多醣體等物質。有了初級代謝物,當然也有包含抗生素、生物鹼等次級代謝物的產生。維他命B12就是在利用鏈黴菌(Streptomyces spp.)生產鏈黴素(streptomycin)與新黴素(neomycin)等抗生素時,所意外發現的。

至於,維他命A、B6與K2等,則是微生物少數無法生產的維它命種類,因此目前仍是以化學合成法來生產。

微生物要如何達成標準化

化學合成法可以進行工業標準化的生產,是不難想像的。然而生物體會對工業生產帶來自然變因(發酵熱、pH值變動等)的影響,因此要如何達到標準化要求呢?這就要從微生物的發酵方法來窺知一二。

維他命的發酵生產方法,主要可以分成分批發酵與連續發酵兩種。

分批發酵法是於發酵槽中接入特定的菌種,整個培養過程不涉及營養液的添加與發酵液的排放,讓微生物於培養槽中歷經遲滯期、對數生長期、穩定期和死亡期四種成長的階段。對於初級代謝物-維他命的生產而言,主要就是發生在對數生長期的前期。

雖然分批發酵法整個生產過程週期短,但產量也低(對數生長期是微生物數量增家的時期,但維他命必須於對數成長初期就收集;因此菌數量少,產量自然也低);而雖然與外界完全隔絕、沒有汙染的疑慮,但汙染終究可以透過技術來加以改善。因此若想規模化生產,分批發酵法並非是理想的選擇。

連續發酵法則是會於發酵槽中添加營養液,並排放出等量的發酵液。此方法雖然會稀釋發酵槽中的菌數,但同時也建構出適合微生物生長的環境,而不會讓代謝廢棄物過度累積。同時,透過特定體積的稀釋,更可讓菌數與代謝產量達成定值,而易於進行標準化及自動化生產。

只要環境一直保持在合適的條件,微生物就可以持續保持在最大代謝物生產量的狀態。種種特點也讓連續發酵法,成為維他命規模化生產的首選。

維他命的發現 揭開了營養學的序幕_內文圖 2

等天然不是天然,那人造呢

雖然維他命可以透過化學方式來合成,但人們最關心的還是在於合成的維他命,是否仍具有保健功效!?這問題在於化學合成法,是否能製造出與天然食物相同的化學結構;只要結構相同,那麼即使是化學合成的維他命,也與天然維他命有著相同的生理吸收率。反而需要注意的是,分子式即使相同,其結構仍有多種的排法,生理吸收效率也跟著不同。

分子式相同,但結構式卻不同的化合物,我們稱之為同分異構物。就如維他命E透過化學合成法製造,共會產生8種同分異搆物的類型;這些混合有8種異構物類型的維他命E,稱為dl-α tocopherol,它的生理吸收率只有天然維他命E(d-α tocopherol)的45%而已。

同分異構物可以把它想像成左手與右手,即使分子式相同(都有五個手指頭),左手仍可以透過鏡子對映出右手,形成兩種不同效能的結構。能參與生理反應的物質,都是由於構型上的吻合,才能進行正常的生理生化反應;如同右手可以與對方的右手握手一樣,但左手卻不能。

維他命的發現 揭開了營養學的序幕_內文圖 3

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因此,若化學合成法可以製造出與天然成分相同的結構,即稱為「等天然」(Nature Identical Synthetic)食品。倘若製造出不同結構的營養成分,即使分子式相同,仍稱為人造食品。

不過也別擔心,目前化學合成的技術幾乎可以製造出「等天然」成分的維他命,微生物轉化法的維他命更自然沒有問題。唯一的例外則是維他命E,雖然化學合成法可以製造出與天然成分相同的RRR構型,但同時也伴隨產生出另外七種同分異構物;雖然一樣可以透過化學方法來分離出RRR構型的維他命E,但受限於成本問題,目前市面上化學合成的維他命E保健食品,仍屬於dl-α tocopherol混合類型。

所以下次若想選擇天然的維他命E,可以選擇d-α tocopherol的標籤;倘若特別想要化學合成的維他命E,那選擇dl-α tocopherol就對了!

  • 維他命的發現 揭開了營養學的序幕_內文圖 5資料來源
  • 《改變科學的小運氣》
  • 《微生物之生長速度論》
  • Biology Discussion
  • Precision Nutrition
  • SuppVersity
  • ADM Alliance Nutrition
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