番茄红素的发酵生产

较高生产能力的三孢布拉氏霉菌,这样就可以避免发酵工程上游技术 中容易遇到的问题。
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2 培养基的组成方面
尽可能地利用成分简单且价格低廉的培养基向来是发酵工程的宗旨，尤 其是利用生物质原材料，这就涉及到原材料的选择及处理问题。

赵清等[3]为提高番茄红素的发酵水平, 筛选了最优的发酵培养基配方。并

但近几年的研究发现，番茄红素有比其他类胡萝卜素更好的生物 活性，并且是防病治病的重要功能因子，已成为目前国际上功能食 品成分研究的一个热点。
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研究背景：

对番茄红素的研究在2000年以前鲜有报道，
近几年骤然升温，2009-2014年，与番茄红素有
关的报道达1000多篇，内容包括：番茄红素的性 质和提取方法；番茄红素及其研究进展；番茄红 素的生产工艺研究进展等。近10年，仅在中国申 请的有关番茄红素的国内外专利就多达几十份。
2.

氧载体与表面活性剂
三孢布拉霉是高度嗜氧的微生物，从发酵动力
学方面去改善培养介质的性能，可以通过添加氧 载体、表面活性剂来提高同一反应系统的传氧系 数,从而提高番茄红素的产量 。
3. 番茄红素环化酶抑制剂

生物法生产番茄红素的关键步骤就是添加番茄红素环化酶抑制剂，打
断番茄红素至 β一胡萝卜素的环化反应，使代谢流停留在番茄红素阶段。
1 菌种选育
基因工程技术: 1990年 Norihiko等报道在革兰氏阴性菌中发现了
六个与类胡萝卜素合成有关的基因，分别是CrtE, CrtX, CrtY, CrtI,
CrtB 和 CrtZ，其中 CrtE, CrtI 和 CrtB与番茄红素的合成有关，其参
与番茄红素的合成途径如下所示[3]: FPP 茄红素
2003年，美国《时代》杂志把番茄红素列在“对人类
健康贡献最大的食品”之首，番茄红素也因此被称为
“植物中的黄金”。
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番茄红素的结构

在自然界中番茄红素主要以全反式结构存在。而 全反式结构是一种具有11个碳碳共轭双键的非环状 平面共轭多不饱和脂肪烃，因而它更易于被氧化。 而抗氧化性是番茄红素一切功效的源泉。
2 pH、温度、搅拌速度和通气率
搅拌速度： 提高搅拌转速能够在一定程度上提高溶氧速率，但高搅拌转 速形成的高剪切力，使得菌体受损，生物活性降低致使生物量减
小，仅单纯加大通气量，在发酵处于对数生长期时，仍然达不到
要求。 通气率:
增加空气流速,提高空气中的O2浓度, 能够增加溶氧水平并降
低CO2浓度, 因此 能 促进 番茄 红 素的 合 成。
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三孢布拉氏霉菌的发酵生产
1 菌种选育
目前三孢布拉霉的筛选多采用诱变育种和构建基因工程菌的 方法。 诱变育种: 常规的物理和化学诱变方法有紫外、60Co、激光、
亚硝基胍、硫酸二乙酯等。
缺点： 细胞很难表现出正突变效果, 菌种的生产性状不稳定, 番茄红素的产量低。
三孢布拉氏霉菌的发酵生产

常见的番茄 红素环化酶抑制剂有两类：
叔胺类化合物：主要包括对二甲氨乙基苯酚、2-二甲氨基乙醇、2一二甲 氨基一1一丙醇、1一二甲氨基一2一丙醇、3一二异丙基氨基一1一丙醇、1 一二异丙基氨基一2一丙醇、三乙胺 、2一二甲氨基乙苯等； 但目前由于毒性较大，在微生物法生产番茄红素中较少应用 。 含氮类杂环化合物：如烟碱、咪唑、吡啶、吗啉、吡啶、哌啶、喹啉和 某些取代衍生物。
2 pH、温度、搅拌速度和通气率

Mantzouridou等[5]研究表明在低转速 (150r/min)和高通气率
( 1.5vvm)时可以获得较高的胡萝卜素产量和生产率; 在高转速
(500r/min)和中等通气率下 (1vvm ), 可以获得较高产率和菌体生物 量。
[ 5] Mantzouridou F, Roukas T, Kotzekidou P. Effect of the aeration rate and agitation speed on carotene production and morphology of Blakeslea trispora in a stirred tank reactor: mathematical modeling. Biochemical Engineering Journal,2002,10: 123~ 135
、150μmol/L脱落酸及0.5g/L的亮氨酸，番茄红素产量可达 (156.2±15.4)mg/L，比优化前提高了134.9%。

[5] WANG Jinfeng, LIU Xiuji, LIU Ruisang, et al. Optimization of the mated fermentation process for the production of lycopene by Blakeslea trispora NRRL 2895 (+) and NRRL 2896 (-) [J]. Bioprocess Biosyst Eng. , 2012, 35 (4): 553-564.
番茄红素的发酵生产研究进 展
目录

番茄红素简介 研究背景 三孢布拉氏霉菌的发酵生产 红酵母生产番茄红素 总结与展望
植物黄金——番茄红素
番茄红素（Lycopene）是类胡萝卜素的一种，是一 种很强的抗氧化剂，在清除人体“万病之源”――自由 基方面，番茄红素的作用比β-胡萝卜素更强大。
Crt E Crt B Crt I
GGPP
八氢番茄红素
番
三孢布拉氏霉菌的发酵生产
1 菌种选育
基因工程技术: 构建基因工程菌的思路：在一些能够合成法尼
基焦磷酸 (FPP)的微生物中插入上述基因，使重组子能够合成类
胡萝卜素。

美国专利报道将控制番茄红素合成的基因 crtE, crtB, crtI
转入拟分枝孢镰刀菌, 得到 0. 5mg/g细胞干重的番茄红素[1]。
Biological Chemistry ， 2001，276(44)：4461～4464

三孢布拉氏霉菌的发酵生产
1 菌种选育


利用基因工程技术实现了从实验室规模走向小规模产业化,但工
程细胞携带的质粒对过程控制条件要求苛刻,易脱落, 番茄红素产量 大幅降低。

在产业化过程中, 研究者更多的倾向于选择天然生产菌种, 如具有

pH：Lopez Nieto 等[4]研究表明, 发酵液初始pH 7.5时利于番茄红素的
积累, 但发酵过程中控制恒定的 pH7.5, 对发酵极为不利。因为不调节 pH 时, 菌体能产生多种有机酸作为碳源; 而调节恒定的 pH, 影响代谢流向。 温度：产生番茄红素的最佳温度为 25℃ , 较高的温度 ( 28℃~ 30℃ )将

Wang等[2]通过对红假单孢球菌( Rhodobacter
sphaeroides)中八氢番茄红素脱氢酶的基因 crtI进行定点突变, 使
番茄红素的产率提高到90%。
[1] [2]
Jones J D，Hohn T M，Leathers T D，et a1． Fusarium sporotrichioides strains for production of lycopene．US：6696282，2004-02-24 Wang C W，Liao J C．Alteration of product specificity of Rhodobacter sphaeroide sphytoene desaturase by directed evolution ． The Journal of
瓶生产番茄红素发酵工艺进行了系统优化，研究发现正、负菌株的比例
、番茄红素环化酶抑制剂砒啶和肌酐、三孢酸结构类似物脱落酸、3-羟 基-3-甲基辅酶A(HMG-COA)前体物亮氨酸以及甲羟戊酸激酶激活剂青 霉素是影响番茄红素合成的关键因素。在最佳的发酵条件下，即发酵液
中正负株的最佳比例为5:1，发酵过程中添加6g/L肌酐、0.1g/L青霉素
同研制、开发的高科技产品天然番茄红素胶囊目前也已投入批量生产
。

来自百度文库
番茄红素的生产工艺
生产方法
天然产物提 取法
优点
天然 、绿色、无毒
缺点
原料来源有很大局限性 ， 生产成本高，不能规模化 生产 溶剂和重金属残留量高 ， 过量食用有毒副作用
化学合成法
成本低，生产工艺简 单
微生物发酵 法
天然 、绿色、无溶剂 多集中在实验室规模， 残留、无重金属残留； 工业化生产的基础和应用 生产成本低、工艺简单、研究还未跟进 周期短、产量高；体内 吸收率高

目前国外有日本、匈牙利、美国、俄罗斯的多家公司申请了关于番 茄红素生产专利，但只有从鲜番茄中提取番茄红素的工艺在以色列 Lycored Natural Products Industries Ltd实现了商业化大规模的生产。而 中国的番茄红素开发亦被纳入“国家863计划”，受到的高度重视。

我国番茄红素的生产和研究均处于起步阶段。其研究主要集中在北 京化工大学和无锡轻工大学食品学院；现有厂家的生产技术均以天然 番茄为原料，如新疆生命红科技公司、上海的中国华源集团有限公司 等有限几家企业，而华北制药是全国第一家采用生物发酵法提取番茄 红素的企业。另据报道由江南大学和盐城市瑞智生物技术有限公司共
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研究背景：
1873年，Hartsen首次从番茄浆果中提取出来一种呈深红色的晶体

1903年，Schunch将这种从番茄中提取到的物质正式命名为番茄 红素。

过去人们一直认为，只有那些具备β—紫罗酮环并能转化为维生 素A的类胡萝卜素，如α—胡萝卜素、β—胡萝卜素等才与人类的营 养和健康有关，而番茄红素因缺乏此结构，不具有维生素A的生理 活性，故对此研究很少；
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合成番茄红素的微生物

迄今研究发现，能够生产番茄红素的微 生物包括能自身合成番茄红素的革兰氏阴 性菌、真菌、藻类以及基因工程菌。
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三孢布拉氏霉菌

三孢布拉氏霉菌以其生长迅速、生物量高、产β胡萝卜素能力强在发酵法生产番茄红素方面展现出 较好的工业化应用前景，成为目前唯一能够实现工 业化生产的一种高产丝状真菌。
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3 发酵促进剂
1.性激素—— 三孢酸以及结构类似物 三孢酸是一种激素，以β一胡萝卜素为前体合成，培养基中 加入三孢酸可以提高番茄红素的产量。
通过对三孢酸结构类似物结构式的分析，可以确定化合物
必须具备1个环状结构并带1个酮基和1个侧链结构才具有这种生 物活性。例如β-紫罗酮、脱落酸、异烟肼、琥珀酰亚胺、柠檬 油萜烯和芳香族化合物的结构类似物也有此性质。

会增加 β-胡萝卜素和 γ-胡萝卜素的含量, 降低番茄红素的产量。
[4]Lopez-Nieto M.J，Costa J，Peiro E，et a1．Biotechnoloigcal lycopene production by mated fermentation of Blakeslea trispora.Appl Microbiol Biotechnol, 2004. 66(2) : 153 ~ 159
在发酵过程中补加其所需的营养物质, 得到一个稳定的配方, 并对发酵过程补料
进行了优化。

最佳发酵培养基配方如下: 玉米淀粉4%; 葡萄糖 2. 0% ; 黄豆饼粉 1% ; 大
豆分离蛋白3%; 玉米浆 2% ; 磷酸二氢钾 0.1% ; 硫酸镁0.02% ; VB1 0. 5% ; 油 5% ; BHT 0. 05% ; pH值为 7. 2。此配方比较稳定, 平均色素值为 1 922 mg/ L。
4. 麦角固醇合成抑制剂

番茄红素和麦角固醇的合成前体都是法尼基二磷酸(FPP)，
通过控制麦角固醇的合成，来达到积累番茄红素的目的。

麦角固醇合成抑制剂,如十二环吗啉、嗪氨灵、氟康唑、酮
康唑、盐酸特比萘芬等，抑制合成麦角固醇酶的活性，使得麦角 固醇产量降低，从而使类胡萝卜素产量提高。

Wang Jingfeng等[5]对三孢布拉霉NRRL 2895(+)和NRRL 2896(-)摇

最终优化的中间补料工艺如下: 48 h 补加葡萄糖 1.0% , 硫酸铵 1.0% , 磷
酸二氢钾 0. 1%。此工艺比较稳定, 平均色素值增加11% 。
[3].赵清,
王葭，张新明等, 番茄红素发酵培养基及发酵过程控制的研究. 河北工业科技, 2008. 25(6): 第358-360页.
3 pH、温度、搅拌速度和通气率