微生物源类胡萝卜素研究进展 - 食品科学
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1.1.2 三孢布拉霉 三孢布拉霉是一种与热带植物共生的霉菌，分正株
和负株两种类型。正株合成三孢子酸，三孢子酸既是 β- 胡萝卜素的代谢物，又是其生物合成的调节剂。以 特定比例交配两种类型的菌株，三孢子酸就能够刺激负 株合成大量的β- 胡萝卜素。
生产过程基本上分两个阶段：第一阶段：以葡萄 糖和玉米浆作为碳源和氮源进行发酵。开始时，进行 原始菌株培养，随后用有氧深层发酵来产生丰富的β- 胡 萝卜素；第二阶段：也称恢复阶段。在这一阶段中， 菌株被分离和转化成适合提取β- 胡萝卜素的形式。被 分离的?- 胡萝卜素可在乙酸乙酯中结晶达到适当的纯化 和浓缩目的。最后的产品是β- 胡萝 卜 素 晶 体 或 者 是 30g/100mL 质量浓度的植物油分散体系[12]。
1 利用微生物生产类胡萝卜素
在现代微生物概念的范畴内，目前至少有从微藻 (microalgae)、霉菌、酵母和细菌中生产类胡萝卜素产 品的工业化实践的报道。尤其是从微生物中生产β- 胡 萝卜素的技术已经相当成熟。从微生物中生产的其他类 胡萝卜素包括：番茄红素、虾青素、玉米黄质 (zeaxanthin)和角黄质(canthaxanthin)。它们的分子结构 见图 1～2。
Key words: carotenoid；microorganism；microalgae；trans-gene
中图分类号：TS201.24
文献标识码：A
文章编号：1002-6630(2010)23-0461-06
大量的动物和人体血液及组织分析结果表明，人体 内含有丰富的类胡萝卜素(carotenoid)。这些化合物与人 体健康和降低疾病风险有关，例如控制前列腺疾病和退 行性黄斑衰退症等疾病[1-2]。因此，人类需要通过食物 来补充类胡萝卜素，以保证健康。但所有动物都不能 自身合成类胡萝卜素，人类体内也不能合成类胡萝卜 素，只能通过摄食含有类胡萝卜素的植物及低等生物或 生物富集而获得类胡萝卜素。微生物作为地球上出现最 早的生物，在类胡萝卜素富集的整个生物链中起着重要 的作用。
3.5
0
2.5
化学合成
98
2
0
0
杜氏藻 Dunaliella salina
67.4
32.6
0
0
棕榈油
34
27
30
9
1.1.1 杜氏藻 虽然蓝藻属中的螺旋藻能够在体内积累数量可观的
β- 胡萝卜素(0.8～1.0g/100g 干基)，但在生产上多采用 微藻中的杜氏藻(Dunaliella salina，又名盐生杜氏藻)生 产β- 胡萝 卜素 。
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 23 461
微生物源类胡萝卜素研究进展
赵 婷，林孔亮，惠伯棣 *
(北京联合大学应用文理学院，北京Biblioteka Baidu100191)
摘 要：类胡萝卜素对人类身体健康的重要性日益受到人们关注，越来越多的类胡萝卜素功能食品走进市场。为 满足人们对类胡萝卜素日益增长的需要，成本低、纯度高、更加安全的微生物源类胡萝卜素产品有逐渐替代化学 合成和植物提取产品的趋势。本文对类胡萝卜素在微生物中的分布、资源、生产技术和市场潜力进行综述，为更 有效地利用微生物中的类胡萝卜素资源，研发相应的生产技术，向市场提供更安全、质量更好的类胡萝卜素产品 提供参考。 关键词：类胡萝卜素；微生物；微藻；转基因
a OH
HO b O
O
c
图 2 番茄红素(a)、玉米黄质(b)和角黄质(c)的分子结构 Fig.2 The molecular structures of lycopene (a), zeaxanthin (b) and
canthaxanthin (c)
1.1 β- 胡萝卜素 目前大规模生产β- 胡萝卜素的方法主要有化学合成
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 23 463
澳大利亚、中国、印度、以色列、日本和美国 都是杜氏藻的主要生产地。此外，在其他几个环境条 件适宜的国家也有小规模的生产。目前，市场上存在 很多不同种类的杜氏藻源β- 胡萝卜素产品。纯化过的 β- 胡萝卜素大部分以 1～20g/100mL 的含量分散在植物油 中出售，可作为添加剂和着色剂应用。同时，也可制 成软胶囊出售。一般每个胶囊含 5 m g β- 胡萝卜素。
微生物源的类胡萝卜素产品已经可以被用作食品或 饲料色素添加剂，目前正在讨论将其作为功能性食品使 用的可能性[6]。本文对类胡萝卜素在微生物中的分布、 资源、生产技术和市场潜力进行综述，为更有效地利 用微生物中的类胡萝卜素资源，研发相应的生产技术，向 市场提供更安全、质量更好的类胡萝卜素产品提供参考。
杜氏藻是一种耐盐单细胞游动的绿藻，属于绿藻纲[9]。 与高等植物相比具有简单快速地培养优势。在适宜的条 件下，杜氏藻与其他β- 胡萝卜素源相比具有很高的含 量(3～5g/100g 干基)，产量亦可观(400mg/m3)[10]。
杜氏藻细胞没有坚硬的细胞壁，具有杯状叶绿体， 与高等植物的叶绿体相似。其生长在高盐浓度环境中， 需要碳酸氢盐作为碳源。同时，还需要硝酸盐、硫酸 盐和磷酸盐等其他营养物质。最初的光合生长阶段需要 12～14d，需要在富含硝酸盐的培养基中；随后的类胡 萝卜素形成阶段需要消耗硝酸盐，因此必须维持其盐 度。杜氏藻最适合生长在富含盐和其他营养物质的沿海 区域。在类胡萝卜素合成阶段中，营养物质、盐度或 光的胁迫是必须满足的条件。
法和植物资源(如红棕榈油)提取法[7]。近 20 年来，微生 物发酵法也已初具规模。在这一领域，首先应当关注 的是：不同的生产方法会造成产品质量上的差异。这一
差异主要集中在两个方面：1)β- 胡萝卜素几何异构体组 成上的差异；2 ) 类胡萝卜素组成上的差异，尤其是生物 合成中间体组成上的差异。具体差异比较见表 1[8]。
FDA 已经认可杜氏藻的藻体可以直接用作食物或饲 料[11]。用食用油或者是食品安全级有机溶剂从杜氏藻中 提取的β- 胡萝卜素可用在各种食品的配方中，例如用 橄榄油和豆油提取的β- 胡萝卜素可用在药物配方中。需 要指出的是，在天然提取物中，通常会含有少量的其 他类胡萝卜素，因此在市场上销售的产品多为混合物。
by low-cost, high-purity and safe products of microbial origin to meet the ever-increasing consumer demand for carotenoids.
This article reviews the distribution, sources, production techniques and market potential of carotenoids of microbial origin in an
effort to provide references for more effective utilization of this resource and the research and development of production
techniques for safer and premium carotenoids based products.
几十年来，类胡萝卜素在商业上的生产，通常是 利用化学合成法或从高等植物中提取，例如从番茄和红 辣椒中提取的番茄红素( l y c o p e n e ) 和辣椒红素 (capsanthin)。在自然界中，有些单细胞绿藻在一定条 件下，由于高浓度次生代谢产物——类胡萝卜素的积累
会变红。例如，杜氏藻(Dunaliella salina)和雨生红球 藻(Haematococcus pluvialis)中存在着丰富的β- 胡萝卜素 (β-carotene)和虾青素(astaxanthin)(图 1)。
Abstract: The importance of carotenoids to human health is increasingly attracting people, s attention. More and more carotenoid
based functional foods are coming to markets. It is a tendency to progressively replace synthetic compounds and phytochemicals
从三孢布拉氏霉生产β- 胡萝卜素首次尝试是在 1995 年。通过在小鼠上进行的动物实验和对最终产品中 4 种 真菌毒素的酶联免疫法测定，以小鼠的致病性为检测标 准，已经证实三孢布拉霉没有致病性和毒性[13]。通过 HPLC 分析、稳定性检测和微生物检验证实了由三孢布 拉霉发酵所得到的β- 胡萝卜素晶体符合欧盟专家委员会 在 95/45/EC 法规中列出的反式和顺式异构体的比例，未 检出真菌毒素或其他有毒代谢物和遗传毒性等。用所产 的β- 胡萝卜素产品喂养大鼠 2 8 d 后，未发现有害的症 状。据此，欧盟委员会规定以日常饮食的 5% 为最高摄 入剂量。欧盟科学委员会认为由三孢布拉霉发酵所得到 的β- 胡萝卜素与由化学合成品在做为食品着色剂时具有 相当的作用。因此，可以做为食品着色剂使用[14]。
在最初的光合生长阶段，杜氏藻需要 5～10klx 光照 度。而在类胡萝卜素积累阶段，光照强度应该在 25～ 30klx 的范围内。另外在高光强度下，杜氏藻会产生较 大比例的顺式异构体，其中 9 - 顺式 - β- 胡萝卜素可达 50%[10]。据报道[11]，在一定的胁迫条件下(如高强度的 光照)，杜氏藻能够大量积累β- 胡萝卜素，同时又可生 产丰富的蛋白质和必需脂肪酸。另据报道，杜氏藻具 有多种健康功能，如抗高血压、扩张支气管、止痛、 松弛肌肉和抗水肿等。
Research Progress of Carotenoids of Microbial Origin
ZHAO Ting，LIN Kong-liang，HUI Bo-di* (College of Applied Arts & Science, Beijing Union University, Beijing 100191, China)
表 1 不同来源β- 胡萝卜素产品的类胡萝卜素组成
Table 1 Composition of β-carotene products from different sources %
来源
全反式β- 胡
总顺式β- 胡 α- 胡萝
其他
萝卜素含量
萝卜素含量 卜素含量
三孢布拉霉菌Blakeslea trispora 94
462 2010, Vol. 31, No. 23
食品科学
※专题论述
(yeast)和霉菌(mould)等微生物中积累，所以这些微生物 有很大的商业应用前景。在食品产业中，利用发酵获 得的原料成分逐年增加。例如：增稠或胶凝剂( 黄原 胶、凝胶多糖、凝胶糖等) 、香味剂( 酵母水解物、谷 氨酸钠等) 、风味化合物( γ - 癸内酯、丁二酮、甲酮 等)和酸化剂(乳酸、柠檬酸等)等的生产[3]。发酵技术也 已经大规模地用于着色剂的生产。目前有些产品已在食 品产业中大量应用。例如：在欧洲，利用三孢布拉霉 (Blakeslea trispora)生产β- 胡萝卜素和番茄红素；在亚 洲，利用红曲霉(Monascus purpureus Went)生产开环类 胡萝卜素[4-5]。应用发酵法生产食品着色剂降低了产品的 生产成本，与合成色素或植物提取物相比，发酵产品 具有较强的市场竞争力。如果能发现或筛选出新的微生 物物种，可以进一步降低类胡萝卜素产品的成本。
a
O
OH
HO
O
b
图 1 β- 胡萝卜素(a)和虾青素(b)的分子结构 Fig.1 The molecular structures of β-carotene (a) and axtaxanthin (b)
大量的类胡萝卜素能够在细菌( b a c t e r i a ) 、酵母
收稿日期：2010-09-17 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目( 2 0 0 8 B A I 5 8 B 0 6 ) 作者简介：赵婷(1986 —)，女，硕士研究生，研究方向为生物活性物质制备及生理功能。E-mail：zhaoting72886@163.com * 通信作者：惠伯棣(1959 —)，男，教授，博士，研究方向为类胡萝卜素生物化学。E-mail：bodi_hui@ygi.edu.cn
和负株两种类型。正株合成三孢子酸，三孢子酸既是 β- 胡萝卜素的代谢物，又是其生物合成的调节剂。以 特定比例交配两种类型的菌株，三孢子酸就能够刺激负 株合成大量的β- 胡萝卜素。
生产过程基本上分两个阶段：第一阶段：以葡萄 糖和玉米浆作为碳源和氮源进行发酵。开始时，进行 原始菌株培养，随后用有氧深层发酵来产生丰富的β- 胡 萝卜素；第二阶段：也称恢复阶段。在这一阶段中， 菌株被分离和转化成适合提取β- 胡萝卜素的形式。被 分离的?- 胡萝卜素可在乙酸乙酯中结晶达到适当的纯化 和浓缩目的。最后的产品是β- 胡萝 卜 素 晶 体 或 者 是 30g/100mL 质量浓度的植物油分散体系[12]。
1 利用微生物生产类胡萝卜素
在现代微生物概念的范畴内，目前至少有从微藻 (microalgae)、霉菌、酵母和细菌中生产类胡萝卜素产 品的工业化实践的报道。尤其是从微生物中生产β- 胡 萝卜素的技术已经相当成熟。从微生物中生产的其他类 胡萝卜素包括：番茄红素、虾青素、玉米黄质 (zeaxanthin)和角黄质(canthaxanthin)。它们的分子结构 见图 1～2。
Key words: carotenoid；microorganism；microalgae；trans-gene
中图分类号：TS201.24
文献标识码：A
文章编号：1002-6630(2010)23-0461-06
大量的动物和人体血液及组织分析结果表明，人体 内含有丰富的类胡萝卜素(carotenoid)。这些化合物与人 体健康和降低疾病风险有关，例如控制前列腺疾病和退 行性黄斑衰退症等疾病[1-2]。因此，人类需要通过食物 来补充类胡萝卜素，以保证健康。但所有动物都不能 自身合成类胡萝卜素，人类体内也不能合成类胡萝卜 素，只能通过摄食含有类胡萝卜素的植物及低等生物或 生物富集而获得类胡萝卜素。微生物作为地球上出现最 早的生物，在类胡萝卜素富集的整个生物链中起着重要 的作用。
3.5
0
2.5
化学合成
98
2
0
0
杜氏藻 Dunaliella salina
67.4
32.6
0
0
棕榈油
34
27
30
9
1.1.1 杜氏藻 虽然蓝藻属中的螺旋藻能够在体内积累数量可观的
β- 胡萝卜素(0.8～1.0g/100g 干基)，但在生产上多采用 微藻中的杜氏藻(Dunaliella salina，又名盐生杜氏藻)生 产β- 胡萝 卜素 。
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 23 461
微生物源类胡萝卜素研究进展
赵 婷，林孔亮，惠伯棣 *
(北京联合大学应用文理学院，北京Biblioteka Baidu100191)
摘 要：类胡萝卜素对人类身体健康的重要性日益受到人们关注，越来越多的类胡萝卜素功能食品走进市场。为 满足人们对类胡萝卜素日益增长的需要，成本低、纯度高、更加安全的微生物源类胡萝卜素产品有逐渐替代化学 合成和植物提取产品的趋势。本文对类胡萝卜素在微生物中的分布、资源、生产技术和市场潜力进行综述，为更 有效地利用微生物中的类胡萝卜素资源，研发相应的生产技术，向市场提供更安全、质量更好的类胡萝卜素产品 提供参考。 关键词：类胡萝卜素；微生物；微藻；转基因
a OH
HO b O
O
c
图 2 番茄红素(a)、玉米黄质(b)和角黄质(c)的分子结构 Fig.2 The molecular structures of lycopene (a), zeaxanthin (b) and
canthaxanthin (c)
1.1 β- 胡萝卜素 目前大规模生产β- 胡萝卜素的方法主要有化学合成
※专题论述
食品科学
2010, Vol. 31, No. 23 463
澳大利亚、中国、印度、以色列、日本和美国 都是杜氏藻的主要生产地。此外，在其他几个环境条 件适宜的国家也有小规模的生产。目前，市场上存在 很多不同种类的杜氏藻源β- 胡萝卜素产品。纯化过的 β- 胡萝卜素大部分以 1～20g/100mL 的含量分散在植物油 中出售，可作为添加剂和着色剂应用。同时，也可制 成软胶囊出售。一般每个胶囊含 5 m g β- 胡萝卜素。
微生物源的类胡萝卜素产品已经可以被用作食品或 饲料色素添加剂，目前正在讨论将其作为功能性食品使 用的可能性[6]。本文对类胡萝卜素在微生物中的分布、 资源、生产技术和市场潜力进行综述，为更有效地利 用微生物中的类胡萝卜素资源，研发相应的生产技术，向 市场提供更安全、质量更好的类胡萝卜素产品提供参考。
杜氏藻是一种耐盐单细胞游动的绿藻，属于绿藻纲[9]。 与高等植物相比具有简单快速地培养优势。在适宜的条 件下，杜氏藻与其他β- 胡萝卜素源相比具有很高的含 量(3～5g/100g 干基)，产量亦可观(400mg/m3)[10]。
杜氏藻细胞没有坚硬的细胞壁，具有杯状叶绿体， 与高等植物的叶绿体相似。其生长在高盐浓度环境中， 需要碳酸氢盐作为碳源。同时，还需要硝酸盐、硫酸 盐和磷酸盐等其他营养物质。最初的光合生长阶段需要 12～14d，需要在富含硝酸盐的培养基中；随后的类胡 萝卜素形成阶段需要消耗硝酸盐，因此必须维持其盐 度。杜氏藻最适合生长在富含盐和其他营养物质的沿海 区域。在类胡萝卜素合成阶段中，营养物质、盐度或 光的胁迫是必须满足的条件。
法和植物资源(如红棕榈油)提取法[7]。近 20 年来，微生 物发酵法也已初具规模。在这一领域，首先应当关注 的是：不同的生产方法会造成产品质量上的差异。这一
差异主要集中在两个方面：1)β- 胡萝卜素几何异构体组 成上的差异；2 ) 类胡萝卜素组成上的差异，尤其是生物 合成中间体组成上的差异。具体差异比较见表 1[8]。
FDA 已经认可杜氏藻的藻体可以直接用作食物或饲 料[11]。用食用油或者是食品安全级有机溶剂从杜氏藻中 提取的β- 胡萝卜素可用在各种食品的配方中，例如用 橄榄油和豆油提取的β- 胡萝卜素可用在药物配方中。需 要指出的是，在天然提取物中，通常会含有少量的其 他类胡萝卜素，因此在市场上销售的产品多为混合物。
by low-cost, high-purity and safe products of microbial origin to meet the ever-increasing consumer demand for carotenoids.
This article reviews the distribution, sources, production techniques and market potential of carotenoids of microbial origin in an
effort to provide references for more effective utilization of this resource and the research and development of production
techniques for safer and premium carotenoids based products.
几十年来，类胡萝卜素在商业上的生产，通常是 利用化学合成法或从高等植物中提取，例如从番茄和红 辣椒中提取的番茄红素( l y c o p e n e ) 和辣椒红素 (capsanthin)。在自然界中，有些单细胞绿藻在一定条 件下，由于高浓度次生代谢产物——类胡萝卜素的积累
会变红。例如，杜氏藻(Dunaliella salina)和雨生红球 藻(Haematococcus pluvialis)中存在着丰富的β- 胡萝卜素 (β-carotene)和虾青素(astaxanthin)(图 1)。
Abstract: The importance of carotenoids to human health is increasingly attracting people, s attention. More and more carotenoid
based functional foods are coming to markets. It is a tendency to progressively replace synthetic compounds and phytochemicals
从三孢布拉氏霉生产β- 胡萝卜素首次尝试是在 1995 年。通过在小鼠上进行的动物实验和对最终产品中 4 种 真菌毒素的酶联免疫法测定，以小鼠的致病性为检测标 准，已经证实三孢布拉霉没有致病性和毒性[13]。通过 HPLC 分析、稳定性检测和微生物检验证实了由三孢布 拉霉发酵所得到的β- 胡萝卜素晶体符合欧盟专家委员会 在 95/45/EC 法规中列出的反式和顺式异构体的比例，未 检出真菌毒素或其他有毒代谢物和遗传毒性等。用所产 的β- 胡萝卜素产品喂养大鼠 2 8 d 后，未发现有害的症 状。据此，欧盟委员会规定以日常饮食的 5% 为最高摄 入剂量。欧盟科学委员会认为由三孢布拉霉发酵所得到 的β- 胡萝卜素与由化学合成品在做为食品着色剂时具有 相当的作用。因此，可以做为食品着色剂使用[14]。
在最初的光合生长阶段，杜氏藻需要 5～10klx 光照 度。而在类胡萝卜素积累阶段，光照强度应该在 25～ 30klx 的范围内。另外在高光强度下，杜氏藻会产生较 大比例的顺式异构体，其中 9 - 顺式 - β- 胡萝卜素可达 50%[10]。据报道[11]，在一定的胁迫条件下(如高强度的 光照)，杜氏藻能够大量积累β- 胡萝卜素，同时又可生 产丰富的蛋白质和必需脂肪酸。另据报道，杜氏藻具 有多种健康功能，如抗高血压、扩张支气管、止痛、 松弛肌肉和抗水肿等。
Research Progress of Carotenoids of Microbial Origin
ZHAO Ting，LIN Kong-liang，HUI Bo-di* (College of Applied Arts & Science, Beijing Union University, Beijing 100191, China)
表 1 不同来源β- 胡萝卜素产品的类胡萝卜素组成
Table 1 Composition of β-carotene products from different sources %
来源
全反式β- 胡
总顺式β- 胡 α- 胡萝
其他
萝卜素含量
萝卜素含量 卜素含量
三孢布拉霉菌Blakeslea trispora 94
462 2010, Vol. 31, No. 23
食品科学
※专题论述
(yeast)和霉菌(mould)等微生物中积累，所以这些微生物 有很大的商业应用前景。在食品产业中，利用发酵获 得的原料成分逐年增加。例如：增稠或胶凝剂( 黄原 胶、凝胶多糖、凝胶糖等) 、香味剂( 酵母水解物、谷 氨酸钠等) 、风味化合物( γ - 癸内酯、丁二酮、甲酮 等)和酸化剂(乳酸、柠檬酸等)等的生产[3]。发酵技术也 已经大规模地用于着色剂的生产。目前有些产品已在食 品产业中大量应用。例如：在欧洲，利用三孢布拉霉 (Blakeslea trispora)生产β- 胡萝卜素和番茄红素；在亚 洲，利用红曲霉(Monascus purpureus Went)生产开环类 胡萝卜素[4-5]。应用发酵法生产食品着色剂降低了产品的 生产成本，与合成色素或植物提取物相比，发酵产品 具有较强的市场竞争力。如果能发现或筛选出新的微生 物物种，可以进一步降低类胡萝卜素产品的成本。
a
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图 1 β- 胡萝卜素(a)和虾青素(b)的分子结构 Fig.1 The molecular structures of β-carotene (a) and axtaxanthin (b)
大量的类胡萝卜素能够在细菌( b a c t e r i a ) 、酵母
收稿日期：2010-09-17 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目( 2 0 0 8 B A I 5 8 B 0 6 ) 作者简介：赵婷(1986 —)，女，硕士研究生，研究方向为生物活性物质制备及生理功能。E-mail：zhaoting72886@163.com * 通信作者：惠伯棣(1959 —)，男，教授，博士，研究方向为类胡萝卜素生物化学。E-mail：bodi_hui@ygi.edu.cn