微生物发酵生产番茄红素的研究进展

１ 番茄红素的理化特性
１９０３ 年 Ｓｃｈｕｎｄｃ 发 现 番 茄 中 提 取 的 这 种 色 素 的 吸 收 光 谱 与 胡 萝 卜 素 不 同 ， 将 其 命 名 为 Ｌｙ－ ｃｏｐｅｎｅ。１９１０ 年 Ｗｉｌｌｓｔａｔｌｅｒ 和 Ｅｓｃｈｅｒ 指 出 番 茄 红 素 是类胡萝卜素的异构体， 并首次确定其分子式 Ｃ４０Ｈ６０， 分 子 量 为 ５３６．５８， 含 １１ 个 共 扼 双 键 及 ２ 个 非 共 扼 碳 一 碳 双 键 。结 晶 呈 暗 紫 色 ， 为 脂 溶 性 色 素 ， 不 溶 于 水 ， 大 部 分 为 全 反 式 构 型 。性 质 十 分 活 泼 ， 易 受 氧 、紫 外 线 、温 度 的 影 响 而 迅 速 氧 化 。在 酸 性 环 境 和 有 ＣＯ２ 存 在 的 条 件 下 以 及 温 度 低 于 ５０℃的 酸 性 条 件 下 ， 色 素 性 能 稳 定 ［３］。
１１２： ５１７～５２７． ２３ Ｗｅｉ Ｆ， Ｇｏｂｅｌｍａｎ－Ｗｅｒｎｅｒ Ｋ， Ｍｏｒｒｏｌｌ ＳＭ， ｅｔ ａｌ． Ｇｅｎｅｔｉｃｓ， １９９９，
１５３： １９２９～１９４８． ２４ Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａ ＭＫ， Ｇｏｎｚａｌｅｓ ＲＡ， Ｋｒａｆｔ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｐｌａｎｔ Ｍｏｌ Ｂｉｏｌ，
１９９７， ３４： ２５５～２６４． ２５ Ｋｅｎｗａｒｄ ＫＤ， Ｂａｉ Ｄ， Ｂａｎ ＭＲ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅｏｒ Ａｐｐｌ Ｇｅｎｅｔ， １９９９， ９８：
３８７～３９５．
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红 素 的 生 物 合 成 。１９９４ 年 Ｓｈｉｇｅ－ｙｕｋｉ Ｙａｍａｎｏ 等 人 将 生 物 合 成 番 茄 红 素 和 β胡 萝 卜 素 的 基 因 （ｃｒｔＥ， ｃｒｔＢ， ｃｒｔＩ， ｃｒｔＹ） 及 其 启 动 子 插 入 啤 酒 酵 母 （Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ）中 ， 将 该 酵 母 菌 在 选 择 性 培 养 基 ３０℃培 养 ３ｄ。冷冻干燥离心过滤 所得细胞 ， 再加入丙酮， 破碎细胞， 再用丙酮萃取 ４ 次并蒸干 丙 酮 得 到 番 茄 红 素 的 含 量 为 １１３"ｇ／ｇ 细 胞 干 重［１２］。
关键词： 番茄红素 微生物 生产
Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｌｙｃｏｐｅｎｅ Ｐｒ ｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｍｉｃｒ ｏｏｒ ｇａｎｉｓｍｓ
Ｚｈａｎｇ Ｌｉｊｉｎｇ Ｙａｎｇ Ｙｕ
（ｋｅｙ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｎｉｎｇｂｏ Ｃｉｔｙ， Ｎｉｎｇｂｏ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎｉｎｇｂｏ ３１５１００）
３ 番茄红素的微生物法生产
近些年来， 研究人员对利用微生物发酵生产番茄 红素方面进行了大量研究， 涉及微生物主要有三孢 布 拉 氏 霉 菌 （Ｂ１ａｋｅｓｌｅａ ｔｒｉｓｐｏｒａ）、一 些 基 因 改 造 的 酵 母 菌 、红 色 细 菌 及 能 自 身 合 成 番 茄 红 素 的 革 兰 氏 阴 性 非 光 合 菌 ， 包 括 萎 蔫 欧 文 氏 菌 （Ｅｒｗｉｎｉａ ｕｒｅｄｏｖｏｒａ） 和 草 生 欧 文 氏 菌（Ｅｒｗｉｎｉａ ｈｅｒｂｉｃｏｌａ）。下 面 分 别 以 不 同微生物的发酵生产研究进行简单概述。 ３．１ 细菌
·技 术 与 方 法·
生物技术通报
ＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＢＵＬＬＥＴＩＮ
微生物发酵生产番茄红素的研究进展
２００６ 年第 ４ 期
张丽靖 杨郁
（浙 江 大 学 宁 波 理 工 学 院 分 子 设 计 与 营 养 工 程 市 重 点 实 验 室 ， 宁 波 ３１５１００）
摘 要： 番茄红素是一种功能性天然色素， 具有抗氧化、防病抗癌、增强机体免疫力等生理功能。简要介绍了其理化 性质、生物合成， 并综述了微生物发酵生产法的研究进展。
２ 番茄红素的生物合成
异 戊 烯 焦 磷 酸 （ＩＰＰ）作 为 番 茄 红 素 合 成 途 径 中 第 １ 个较为直接的前体物质， 是由葡萄糖转化而
Байду номын сангаас
收稿日期： ２００６－０３－０７ 作者简介： 张丽靖（ １９７９－） ， 女， 讲师， 主要从事微生物发酵研究， Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｌｊ＠ｎｉｔ．ｎｅｔ．ｃｎ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ： Ｌｙｃｏｐｅｎｅ Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
番茄红素是存在于自然界中的一种天然色素， 呈红色， 因最早发现于番茄中得名。主要存在于植 物细胞的有色体中， 其中番茄中含量最高， 达 ３－ １４ｍｇ／１００ｇ。 而 美 国 学 者 最 近 发 现 秋 橄 榄 浆 果 所 含 的 番 茄 红 素 相 当 于 番 茄 的 １．８ 倍［１］。
２０ Ｖｅｎｔｕｒｉ Ｓ， Ｄｏｎｄｉｎｉ Ｌ， Ｄｏｎｉｎｉ Ｐ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅｏｒ Ａｐｐｌ Ｇｅｎｅｔ， ２００６， １１２： ４４０～４４４．
２１ Ｙｕ ＧＸ， Ｗｉｓｅ ＲＰ． Ｇｅｎｏｍｅ， ２０００， ４３： ７３６～７４９． ２２ Ｓｙｅｄ ＮＨ， Ｓｏｒｅｎｓｅｎ ＡＰ， Ａｎｔｏｎｉｓｅ Ｒ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅｏｒ Ａｐｐｌ Ｇｅｎｅｔ， ２００６，
Ｇａｖｒｉｌｏｖ 等 人 ［１０］添 加 了 烟 草 的 废 弃 物 １％于 霉 菌 的 发 酵 液 中 ， 经 １１０ｈ 发 酵 ， 得 到 番 茄 红 素 约 ６０￣ ８０ｍｇ／１００ｍｌ。 非 离 子 型 表 面 活 性 剂 ｓｐａｎ－２０ 可 以 改 变发酵液流体特性和细胞通透性， 再加上其水溶 性， 从而有利于细胞内外物质的传递， 达到有利于 番茄红素合成的条件， 因而可使番茄红素生产能力 提 高 ２ 倍 ， 达 ９８．６ｍｇ ／ Ｌ 发 酵 液［１０］。用 三 孢 布 拉 氏 霉 菌发酵生产技术获得的结晶番茄红素， 经异丁基醋 酸 盐 再 结 晶 可 得 到 高 纯 度 的 反 式 番 茄 红 素［１１］。 ３．３ 酵母菌
目前世界上番茄红素的开发生产主要有天然 提 取 、 化 学 合 成 、 微 生 物 发 酵 等 方 法 。 以 色 列 、日 本 、瑞 典 、瑞 士 、美 国 、法 国 和 澳 大 利 亚 等 国 家 以 及 罗氏、巴斯夫等跨国公司在此方面处于领先地位， 但目前只在以色列实现了从鲜番茄中提取的商业
化 生 产 ［２］。 由 于 番 茄 中 的 番 茄 红 素 含 量 很 低 ， 而 且 天然提取法产率低且价格昂贵， 无法满足需求； 而 化学合成法成本虽有所下降但存在一定不安全性。 随着生物技术的快速发展， 利用微生物发酵生产番 茄红素成为目前的研究热点之一。
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｌｙｃｏｐｅｎｅ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｌｏｒａｎｔｓ， ｉｔ ｈａｓ ｍａｎｙ Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ａｎｔｉｏｘｉｄａｔｉｏｎ， ａｎｔｉ－ｃａｎｃｅｒ， ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｉｍｍｕｎｅ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｌｙ－ ｃｏｐｅｎｅ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ， ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ｉｎ ｆｅｒｍｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｙｃｏｐｅｎｅ ｂｙ ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｗａｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．
酵母菌本身并不能合成番茄红素， 研究者发现 酵母在生长稳定期能在体内积累的大量麦角固醇， 利用麦角固醇与类胡萝卜素的生物合成途径在 ＦＰＰ 分 叉 的 特 性 ， 通 过 引 入 欧 文 氏 菌 ｃｒｔＥ 竞 争 ＦＰＰ， 使 之 部 分 从 麦 角 固 醇 生 物 合 成 途 径 转 向 番 茄
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生物技术通报 Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
２００６ 年第 ４ 期
图 １ 番茄红素的生物合成途径
来 。番 茄 红 素 的 类 异 戊 二 烯 代 谢 途 径 合 成 过 程 详 见 图 １。番 茄 红 素 经 环 化 酶 作 用 可 形 成 多 种 类 胡 萝 卜 素［４］。 对 革 兰 氏 阴 性 菌 欧 文 氏 菌 代 谢 途 径 的 研 究 发 现 从 法 呢 基 焦 磷 酸（ＦＰＰ）合 成 番 茄 红 素 是 由 ３ 个 ｃｒｔ 基 因（ｃｒｔＥ，ｃｒｔＢ，ｃｒｔＩ）控 制［５］。
３．２ 霉菌 三 孢 布 拉 氏 霉 菌 在 工 业 化 生 产 中 主 要 用 于 β－
胡 萝 卜 素 的 生 产 。当 在 培 养 过 程 中 添 加 一 些 胺 类 和 杂环氮化合物以抑制细胞内环化酶的活性时， 三孢 布 拉 氏 霉 菌 合 成 大 量 的 番 茄 红 素［８］。不 过 ， 这 种 抑 制 机制一直是用来研究胡萝卜素生物合成途径， 用于 生 产 则 较 少 。 王 永 生 等［９］在 培 养 中 添 加 三 孢 布 拉 氏 霉 菌 合 成 β－胡 萝 卜 素 的 前 体 物 质（β－紫 罗 酮 和 异 烟 肼） 之 后 选 正 确 时 机 添 加 β－胡 萝 卜 素 环 化 阻 断 剂 ， 一 定 程 度 地 提 高 了 番 茄 红 素 的 产 量 。控 制 环 化 的 另 一 个 重 要 条 件 是 ｐＨ， 中 性 偏 高 有 利 番 茄 红 素 形 成 ， 方 法 是 添 加 碳 酸 钠 保 持 发 酵 液 ｐＨ６．６ 以 上 ， 有 关 工 艺 已 有 专 利 申 请 ， 产 量 ０．１５ｇ／Ｌ。
红色细菌的番茄红素含量较高， 但未能进行工 业 化 生 产 。 有 一 则 ６８ 年 专 利 曾 报 道 用 浅 红 链 霉 菌 （Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ ｒｕｂｅｓｃｅｎｓ）突 变 株 发 酵 ６ｄ 产 番 茄 红 素 ０．５ｇ ／ Ｌ［６］。 最 近 研 究 者 分 离 出 一 分 枝 杆 菌 属 野 生 菌 株 ， 在 其 产 生 的 类 胡 萝 卜 素 中 有 ８０％为 番 茄 红 素 。 将 ｐＨ 控 制 在 非 生 长 最 适 宜 范 围 （ｐＨ６￣６．４）或 在 培 养 基 加 入 高 盐（８５ｍＭ 氯 化 钠）， 番 茄 红 素 产 量 达 ７．４ ｍｇ／ｇ 生 物 量 ［７］。 革 兰 氏 阴 性 非 光 合 菌 ， 包 括 萎 蔫 欧 文氏菌和草生欧文氏菌虽然也能自身合成番茄红 素， 但含量较低， 主要用于番茄红素生物合成代谢 途 径 的 研 究［５］。 之 后 ， Ｒｏｓｅ Ｍ 等 利 用 大 肠 杆 菌 载 体 ｐＡ—ＣＹＣｌ８４ 建 立 携 带 欧 文 氏 菌 控 制 番 茄 红 素 合 成 基 因 的 质 粒 ｐＡＣＣＲＴ—ＥＩＢ（载 有 ｃｒｔＥ， Ｂ， Ｉ）， 将 其 转 入 ＪＭｌ０１ 大 肠 杆 菌 后 生 产 出 ２００￣５００ ｕｇ／ｇ （ＤＷ）的 番茄红素。