维生素C

生物學意義

對生物以及人體有意義的「維生素C」是左式結構抗壞血酸（旋光性為右旋（+））；其對掌異構物右式結構抗壞血酸（旋光性為左旋（-）），在生物體內毫無用處。因此在蔬菜水果的「維生素C」幾乎為左式結構抗壞血酸。在光學異構物中，「維生素C」的學名「左式結構抗壞血酸」的首字母為L，常被混淆為左旋性（levorotatory）。
抗壞血酸是強還原劑，當它進行作用時，會轉化為它的氧化形式為左式去氫抗壞血酸。左式去氫抗壞血酸經由體內的酶和穀胱甘肽可回覆至活性的左式抗壞血酸的形式。左式光抗壞血酸是一個與葡萄糖相似的弱糖酸結構，能夠很自然的使氫離子附著上去而形成抗壞血酸，或是附著金屬離子，形成抗壞血酸礦物質。

生物合成

藉由一連串的4酶驅動（four enzyme-driven）過程，絕大多數的動植物都可以由葡萄糖自行合成維生素C。在肝臟內從肝醣分解而來的葡萄糖是製造維生素C的原料（哺乳類與部分鳥類）；抗壞血酸組織是依賴肝糖分解的反應。爬蟲類與鳥類的合成器官在腎臟。
失去自行合成維生素C能力的動物有高階的靈長類、天竺鼠、白喉紅臀鵯與食果性蝙蝠。最值得注意的是，人猿族群之中的人類也並沒有能力自行合成維生素C。造成這種現象的原因，是這些動物的基因內的偽基因ΨGULO有缺失，在合成過程中最後的一種L-古洛糖酸內酯氧化酶（L-gulonolactone oxidase）就無法產生出來。此突變並不會致命，因為有維生素C的食物來源對這些生物而言不虞匱乏，許多這類物種的主食就包含水果。
大多數的靈長類攝取維生素C的量是高於人類攝取建議值的10到20倍。人們注意到，抗壞血酸合成的損失與進化造成的尿酸分解能力的損失有著驚人的相似。而尿酸與抗壞血酸都是強還原劑。因此有些人主張高階靈長類的尿酸的功能可以將抗壞血酸取代掉。抗壞血酸能夠被人體的抗壞血酸氧化酶氧化。
以一頭成年的山羊為例，它在健康的時候每天會製造出高於13,000毫克的維生素C，而在面臨致命疾病、創傷或壓力時則會製造出高達100,000毫克的維生素C。在人體受到外傷或其他損傷時，亦都證明使用了大量的維生素C，即使曾有人提議，基於增高的維生素C的回收效率，人的攝取需求是遠遠低於其他哺乳動物。
有部分的微生物，如酵母已證實能夠從單醣合成維生素C。

缺乏症狀

壞血病是缺乏維生素C的維生素缺乏症，缺乏維生素C的時候，組織的膠原質會變得不穩定而無法正常發揮功能。壞血病的症狀是皮膚出現紅色斑點，海綿狀的牙齦，與從所有的黏膜出血。皮膚的斑點分布以腿部最多，該病的患者臉色蒼白，感覺沮喪，部分患者甚至無法自行活動。嚴重的壞血病會出現開放性的潰爛傷口，以及掉齒，最終導致死亡。由於人體無法儲存維生素C，所以如果沒有攝取新鮮的補給品將會很快的耗盡。
因為維生素C與膠原蛋白合成及血管彈性有關，非遭感染但卻經常性流鼻血的人，只要注意補充維生素C的飲食即可避免，維生素C的缺乏會導致鼻黏膜脆弱而容易出血。
如果刷牙時，常有牙齦出血的現象，或者雖然沒有用力碰撞，但身上常見多處烏青、瘀血，這是維生素C不足的症狀之一。

發現歷史

遠古時代的時候就已知要攝取新鮮蔬菜或是生的動物肉類能夠預防疾病。住在邊緣地區的原住民把這相關行為與其藥用知識混合。溫帶地區的雲杉針葉，或是在沙漠地區的耐旱植物的葉來熬煮。在1536年，法國探險家雅克·卡蒂亞，探索聖羅倫斯河的時候，用當地原住民的知識，以挽救他的人免死於壞血病。他將煮沸的水加入針葉喬木的樹葉作茶，後來發現該茶中每100克含有50毫克的維生素C。
綜觀歷史，有時當地機關會建議利用有利於長時間儲存蔬菜的方式度過漫長出海。約翰·伍德爾，一位外科醫生，在他1617年著作的《外科醫生的夥伴》（The Surgeon's Mate）中，向英國東印度公司推薦能夠預防和治療用的檸檬汁。而荷蘭作家Johann Bachstrom在1734年堅決的提出：「壞血病是純粹由於完全禁食新鮮的蔬菜和食品，這是單獨的主要病因。」
在公元前約400年的文獻資料中，希波克拉底有描述壞血病，而第一次試圖使用科學依據判斷該病的病因是一位英國皇家海軍的外科醫生詹姆士·林德。壞血病對偏遠水手與士兵這類不易食用新鮮蔬果的人是很常見的。在1747年林德在船上做了這個實驗，出現壞血病的船員，大家都吃完全相同的食物，唯一不同的藥物是當時傳說可以治療壞血病的藥方。有些病人每天吃兩個橘子和一個檸檬，其他的人喝蘋果酒、稀硫酸、醋、海水。而實驗的結論是吃水果的兩人好轉，其它人病情依然。後來林德在1753年出版《壞血病大全》之中發表了他的實驗。
林德的著作之所以遲遲無法注意到，有一部分的原因是他的著作內證據有相互矛盾的地方，還有一部分原因是海軍認為好轉的船員還是很虛弱的。此外，新鮮水果是非常難長時間保存在船上，當時是把果汁煮沸再儲存起來，雖然易於延長食用期限，但是維生素就被破壞光了（特別是使用銅製水壺煮沸）。所以船長認為林德的建議沒有效用，因為這些果汁無法治療壞血病。
在1795年之前英國海軍使用檸檬或萊姆來做壞血病的解決方案。而之後比較常用萊姆來解決病症，因為在英屬西印度殖民地能夠採得萊姆，而那邊並沒有檸檬樹，所以檸檬比較昂貴。詹姆斯·庫克上尉是最先論證使用新鮮蔬果與像德國酸菜的醃漬蔬菜的優點，成功的讓他的船員完全沒有因壞血病而死亡。因為這個原因英國海軍授予獎牌。
1907年阿克塞爾·霍爾斯特（Axel Holst）和西奧多·諾普利（Theodor Frølich）發表使用天竺鼠做壞血病實驗的論文。他們餵食飼料給天竺鼠，而這些飼料之前會使鴿子出現腳氣病，但是他們很驚訝的發現天竺鼠出現壞血病的症狀。而在之前普遍認為只有人類才會出現此症狀。

抗壞血酸的發現

1912年，波蘭籍美裔生物化學家卡西米爾·馮克，綜合了以往的試驗結果，發表了維生素的理論。之後從1928年至1933年間，匈牙利的研究團隊之中的約瑟夫·L·史文貝力（Joseph L Svirbely）與聖捷爾吉·阿爾伯特，還有查爾斯·葛蘭·金這些人首先從生物中分離出維生素C而且證明就是抗壞血酸。而聖捷爾吉在1937年因為研究維生素C而獲得諾貝爾生物或化學獎。
1928年北極區人類學家Vilhjalmur Stefansson試圖證明為何愛斯基摩人能夠在毫無蔬菜的飲食中不會得到壞血病，而有類似高肉類飲食的歐洲極地探險家卻會出現病症。他認為那些原住民是從微煮的肉類中獲得維生素C。所以從1928年開始，一年中他和他的同事在醫務人員的監督下採用完全的微煮肉類飲食；而這一年他們並沒出現壞血病。
1933到1934年間，英國化學家沃爾特·霍沃思與艾德蒙·赫斯特，還有波蘭化學家塔德烏什·賴希施泰因分別最早成功人工合成維生素C。這使得維生素C得以大量製造。而霍沃思於1937年因為這項研究獲得了諾貝爾化學獎。
1934年羅氏藥廠成為第一家大量生產維生素C的製藥工廠。
1959年J·J·伯恩斯（J.J. Burns）表示，之所以一些哺乳動物易患壞血病，是由於自己的肝臟無法產生L-古洛糖酸-1,4-內酯氧化酶，這是連鎖四酶合成維生素C的最後步驟。美國化學家艾爾文·史東是首次利用維生素C來食物保鮮。之後他發表了一項理論，由於人類有個變種的L-古洛糖酸內酯氧化酶編譯基因而無法產生該酶。

來源

蔬菜水果中含有很多的維生素C。固體的維生素C，維生素C化鈣和維生素C化鈉都是很穩定的化合物，在乾燥的空氣和室溫下可以無限期地儲存。但是維生素C溶解在水中時，就很容易氧化。水果切開後發黃並逐漸轉成褐色，蔬菜炒得過熟時變黑，都顯示維生素C被氧化的結果。所以生食蔬菜水果可以攝取最多的維生素C。
從蔬菜水果中攝取維生素C，是可以防止壞血病的。
維生素C片在市面上很普遍，早年是有從天然水果提煉的，現在則完全是從葡萄糖用化學和發酵方法合成的。合成的維生素C因為經過細菌發酵，和天然的維生素C完全相同，都同樣的有右旋旋光性。
還有藥廠將1克維生素C粉末和碳酸鈣，碳酸鈉等的粉末壓片，服用時倒入水中，就像汽水一樣冒泡，稱為維生素C泡騰片或維生素C發泡錠。
如果要服用大量的維生素C來治療疾病，不宜使用抗壞血酸鈣，因為過量的鈣會消耗維生素C以排出體外。口服大量的維生素C，還是要用純粹的維生素C（抗壞血酸）。
靜脈注射維生素C或皮下注射維生素C，則必須使用抗壞血酸鈉的溶液。

人工合成

維生素C最早是從動植物中提煉出來的。後來發展出化學製造法，以及發酵及化學共享的製造法。發酵法是用微生物或酶將有機化合物分解成其它化合物的方法。現在的維生素C工業製造法有兩種，一種是Tadeusz Reichstein發明的一段發酵製造法，一種是中科院微生物所尹光琳發明較新的兩段發酵法。
Reichstein製造法是瑞士化學家Tadeusz Reichstein發明的製造法，現在還是被西方大藥廠如羅氏公司（Hoffmann-La Roche），BASF及日本的武田製藥廠等採用。中國藥廠全部採用兩段發酵法，歐洲的新廠也開始使用兩段發酵法。
兩種方法的第一階段都相同，就是先將葡萄糖在高溫下還原而製成山梨醇（Sorbitol），再將山梨醇發酵變成山梨糖（Sorbose）。Reichstein製造法將山梨糖加丙酮製成二丙酮山梨糖（Di-acetone sorbose），然後再用氯及氫氧化鈉氧化成為二丙酮古龍酸，簡稱DAKS（Di-acetone-ketogulonic acid）。DAKS溶解在混合的有機溶液中，經過酸的催化重組成為維生素C。最後粗製的維生素C經過再結晶成為純粹的維生素C。Reichstein製造法多年來經過許多技術及化學的改進。使得每一步驟的轉化效率都提高到90％，所以從葡萄糖製造成的維生素C的整體效率是60％。
Reichstein製造法需要許多有機及無機化學物質和溶劑，例如丙酮、硫酸、氫氧化鈉等。雖然有些化合物可以回收，但是需要嚴格的環保控制，和高昂的廢棄物處理費用。兩段發酵法是中國微生物學家尹光琳發展出來的，所有的中國維生素C藥廠都採用此法。許多西方藥廠也得到此法的專利使用權，包括Roche和BASF-Merck合作的計劃。此法的設備費用及操作投資都較低，生產成本只有Reichstein製造法的三分之一。
兩段發酵法是用另一發酵法代替Reichstein製造法製造DAKS的步驟。發酵的結果是另一種中間產物2-酮基古龍酸（2-Keto-L-gulonic acid KGA）。最後將KGA轉化為維生素C的方法與Reichstein製造法類似。兩段發酵法比Reichstein製造法使用的化學原料少，所以成本降低，而且廢棄物處理的費用也減少。
現在有許多其它製造維生素C的方法在研究發展中，其中最值得注意的有以下兩種方法；一是將葡萄糖直接發酵成為KGA，在美國有Genencor，Eastman，Electrosynthesis，MicroGenomics等公司及美國阿岡國家實驗室Argonne National Laboratory在進行。另一是將細菌的基因重組使得可能用一步發酵直接將葡萄糖轉化為維生素C。
許多維生素在高溫、日曬，及水溶的環境中不穩定。為避免維生素在使用過程中分解，維生素可以加入其它穩定劑或製造成化學衍生物以維持其穩定性。市售的維生素C製成不同的型式以適合不同的應用，有不同純度的粉末和結晶，也有做成維生素C化鈉及維生素C化鈣等衍生化合物。維生素C化鈉較適合做為肉類保鮮的抗氧化劑，維生素C化鈣則適合做為同時提供維生素C和鈣質的營養素。可以抗熱抗壓的單磷酸維生素C化鈣（Calcium Ascorbyl Monophosphate）主要是供應飼料加工業。其它特殊用途的維生素C產品，例如羅氏藥廠出品Stay-C，它不容易溶解於水，所以可以做為魚類的飼料。

在人體中的作用

維生素C治療壞血病是250年來醫學證實的事實。壞血病是長期缺乏維生素C的最終病況，它在人體上的表現是極度疲乏、肌肉無力、皮膚腫脹疼痛、牙齦出血、口臭、皮下及肌肉中血管破裂出血、關節軟弱、骨骼脆弱以致骨折、虛脫、瀉痢、肺臟及腎臟衰竭而導致昏迷以致死亡。由此可見維生素C對各個主要器官都有影響。
腎上腺是人體含維生素C最高的器官。人體在緊張的時候，腎上腺分泌大量的腎上腺素到全身的肌肉中，準備好隨時動作，應付危機。腎上腺素是從酪胺酸（Tyrosine）製成多巴（Dopa），轉化成多巴胺（Dopamine），再轉化為降腎上腺素（Noradrenaline），最後製成腎上腺素。其中每一步驟都要消耗維生素C進行羥基化反應（Hydroxylation）。這是人和動物的腎上腺必須儲備大量維生素C的原因。
膠原（Collagen）是一種蛋白質，它存在人體的結締組織、血管和骨骼的組織及牙本質細胞之間，是動物體型的基本支撐物質。所以它可以使細胞排列緊密，皮膚緊緻，骨骼牙齒堅固。當受到外傷時或是手術後它可以幫助細胞修復、促進傷口的癒合。
維生素C促進膠原質的形成。膠原質是由兩種胺基酸——離胺酸（Lysine）和脯胺酸（Proline）組合成的聚合巨分子。膠原質的強度是因為消耗維生素C方才使吡咯胺酸醇化而加強了巨分子間的吸引力。缺乏維生素C時膠原質的強度不足，則所有的器官組織都減弱而產生各種疾病，最嚴重的時候就成為壞血病。正常人的血管壁細胞，由於有膠原質填塞所以能排列整齊，並確保其嚴密性。當缺乏維生素C時，血管組織的嚴密性受到損害，只要外界稍加壓力，血液即自行滲出，這就是所謂的壞血病最表面的現象。合成膠原質時必定消耗維生素C，所以要維持身體各個器和組織器官的健康，必須經常攝取足夠的維生素C。
壞血病是維生素C枯竭的終結症狀，它最明顯的特徵就是血管系統的崩潰。在長期缺乏維生素C的情況下，血管的組織減弱因此導致各種心臟和血管的疾病。血管之中冠狀動脈是受壓力最高的部分，為了防止冠狀動脈滲血及破裂，血管自行修補的方法一是加厚血管而使血管硬化，二是沈積膽固醇堵塞滲血的漏洞而使血管阻塞。維生素C可以降低血液中的LDL含量，提高血液中的HDL含量，前者會導致動脈硬化而後者會降低動脈硬化風險。
賴斯醫師Rath和鮑林Pauling發現大量的維生素C加上離胺基酸（Lysine）和吡咯胺基酸（Proline）可以清除冠狀動脈現有沈積的粥樣硬化塊（Plaques）。
儘管在上世紀70年代，有醫生報告大劑量的維生素C可以幫助治療癌症，但更新的進一步研究表明維生素C並無此作用。
眼睛中的水晶體和視網膜都含有高濃度的維生素C。缺乏維生素C時，水晶體中的膠原質就失去它的透明性而產生白內障。維生素C也可以降低眼球內液體的壓力，避免青光眼的病症。
肉鹼是一種胺基化合物，它在肌肉組織中幫助肌肉獲得收縮需要的能量；也是由離胺酸經過羥化而製成的。這個羥化反應，也要消耗維生素C。肉鹼是脂肪酸氧化產生能量之重要運送者，因此當維生素C缺乏時，就會使人感到精神不濟，同時血液中亦會積存多量的中性脂肪。
維生素C可以增強血管的組織和減少血液中膽固醇的含量，對於動脈硬化性心臟血管的疾病與高血壓、中風等的成人病都有很好的預防和治療效果。缺乏維生素C時，膽固醇不易分解成膽酸，而使血清膽固量提高，容易導致血管粥狀硬化及血栓症。
免疫系統的主要工作是由白血球和淋巴球來完成的。這二者中維生素C的含量是血液中維生素C含量的30倍。白血球和淋巴球必須有足夠維生素C才能吞噬濾過性病毒與細菌，所以人體的免疫力，是和維生素C的存量是切切相關的。維生素C有很強的還原的能力。體內許多生化反應都需要維生素C的幫助才得以完成。維生素C可避免白血球受自體氧化的傷害，因此可強化免疫系統。
服用大量維生素C會增加血液中IgA，IgG及IgM等抗體的濃度。這些抗體附著在外來的病毒和細菌上，指引白血球和淋巴球來將它們消滅。
維生素C可以幫助鈣、磷、鐵這類的礦物質在小腸的吸收，所以對於貧血或是骨質疏鬆症者很有幫助。大多數鈣、磷、鐵的化合物，都不溶於水，所以不容易被人體吸收。維生素C的鈣、磷、鐵鹽則有很高的水溶解性，所以能夠幫助這類的礦物質在小腸的吸收。
維生素C是一種抗氧化極強的物質，對於人體長期暴露在不良的環境中（過氧化脂質、抽煙、喝酒、蟲蛇咬傷及許多化學毒素）所產生的自由基物質，都可以有效的清除。醫學界認自由基與癌症或老化的發生有關。亞硝酸胺是一種致癌物質，體內若有足量維生素C存在時，就可以防止醃肉用的亞硝酸轉化產生亞硝酸胺。
維生素C參與人體內許多的生化反應，缺乏維生素C時這些反應都不能順利進行，在許多相關的器官中產生病變。大多數動物都能在肝臟中自行生產維生素C，所以很少會染上普通感冒，冠狀動脈阻塞和癌症這些人類特有的病症。
亦有研究指出口服的維他命C，在供應給全身所需後，留給皮膚的只剩下5％至7％。因此直接經由皮膚吸收，能發揮更大的功效。