Biotechnological production of carotenoids by yeasts: an overview
- 作者
- Luis Carlos Mata-Gómez, Julio César Montañez, Alejandro Méndez-Zavala, Cristóbal Noé Aguilar
- 单位
- Food Science and Technology Program, School of Chemistry, Universidad Autonoma de Coahuila, Saltillo, Mexico; Chemical Engineering Department, School of Chemistry, Universidad Autonoma de Coahuila, Saltillo, Mexico; Group of Bioprocesses, Food Research Department, School of Chemistry, Universidad Autonoma de Coahuila, Saltillo, Mexico
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2014）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-13-12
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素传统生产方法（化学合成和植物提取）存在产量低、成本高的问题，需要开发低成本、环境友好的微生物生产方法，特别是利用酵母和农业工业废弃物作为底物。
研究策略
综述酵母类胡萝卜素生物技术生产的研究进展，系统分析影响类胡萝卜素合成的因素（碳源、光照、温度、通气、金属离子等），介绍利用农业工业废弃物作为低成本底物的案例，并总结代谢工程改造酵母生产类胡萝卜素的策略。
研究路线图
核心内容
类胡萝卜素传统上依赖化学合成与植物提取，存在成本高、产量低等瓶颈，利用酵母进行微生物发酵被视为更经济、环保的替代路线。该综述系统梳理了酵母类胡萝卜素生物合成的影响因素，包括碳源、光照、温度和金属离子等，重点展示了农业工业废弃物作为底物的应用潜力。关键数据表明，LED光照可使红冬孢酵母的β-胡萝卜素浓度从无光照时的14.69 μg/g提升至24.6 μg/g；利用粗甘油培养该酵母可获得135.2 mg/L的总类胡萝卜素，而Rhodotorula acheniorum乳糖阳性突变株的β-胡萝卜素产量达到262.12 mg/L。代谢工程方面，在酿酒酵母中表达细菌或真菌来源的类胡萝卜素合成基因后，β-胡萝卜素产量从103 μg/g干重跃升至5.9 mg/g干重，毕赤酵母重组菌也可合成1.141 μg/g干重的番茄红素和339 μg/g干重的β-胡萝卜素。这些结果说明，结合废弃物利用与基因改造，酵母正成为低成本、可持续生产类胡萝卜素的重要细胞工厂，未来还需在过程控制与高产菌株构建上持续投入。
创新点
系统总结了酵母类胡萝卜素生物技术生产途径及农业工业废弃物的应用；强调代谢工程在构建高产类胡萝卜素菌株中的潜力，包括非类胡萝卜素酵母如酿酒酵母和毕赤酵母的异源合成。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodotorula glutinis | 类胡萝卜素生物合成途径 | — | 类胡萝卜素合成相关酶 | 催化 | 主要产生β-胡萝卜素、Torulene等，利用多种农业工业废弃物生产 |
| Xanthophyllomyces dendrorhous | 虾青素/类胡萝卜素生物合成途径 | crtYB, crtF | 八氢番茄红素合酶/番茄红素环化酶（双功能），八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 作为类胡萝卜素基因供体用于异源表达 |
| Saccharomyces cerevisiae | 甲羟戊酸途径/类胡萝卜素合成途径 | crtYB, crtF | 双功能八氢番茄红素合酶/番茄红素环化酶，八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 通过表达X. dendrorhous的类胡萝卜素基因实现β-胡萝卜素高产 |
| Pichia pastoris | 类胡萝卜素合成途径 | 编码番茄红素和β-胡萝卜素合成的基因 | 类胡萝卜素合成相关酶 | 催化 | 重组菌株产番茄红素和β-胡萝卜素 |
| Rhodotorula acheniorum | β-胡萝卜素合成途径 | — | 类胡萝卜素合成相关酶 | 催化 | 乳糖阳性突变株可利用乳清超滤液产β-胡萝卜素 |
| Candida utilis | 类胡萝卜素合成途径 | 来自Erwinia uredovora、Agrobacterium aurantiacum的类胡萝卜素基因 | 类胡萝卜素合成相关酶 | 催化 | 被工程化改造用于生产番茄红素、β-胡萝卜素和虾青素 |
关键发现
- 类胡萝卜素市场2010年约12亿美元，预计2018年达14亿美元，年复合增长率2.3%
- β-胡萝卜素2010年全球市场2.33亿美元，预计2018年3.09亿美元
- 虾青素占类胡萝卜素总销售额的29%，市场规模2.25亿美元，预计2018年约2.53亿美元。R. glutinis中β-胡萝卜素占总类胡萝卜素的25-43%，Torulene占28-30%。LED光照使R. glutinis β-胡萝卜素浓度达24.6 μg/g，无光照仅14.69 μg/g。利用粗甘油培养R. glutinis产类胡萝卜素135.2 mg/L
- R. acheniorum乳糖阳性突变株产β-胡萝卜素262.12±1.01 mg/L
- 添加乙醇10 g/L和乙酸5 g/L时P. rhodozyma虾青素产量分别为45.62 mg/L和43.87 mg/L
- 添加0.2%乙醇使X. dendrorhous类胡萝卜素产量从1.65 mg/g细胞增至2.65 mg/g细胞。代谢工程方面，S. cerevisiae表达细菌基因产β-胡萝卜素103 μg/g干重
- 采用X. dendrorhous基因工程改造的S. cerevisiae β-胡萝卜素产量达5.9 mg/g干重
- P. pastoris重组菌产番茄红素1.141 μg/g干生物量、β-胡萝卜素339 μg/g干生物量。
研究结论
类胡萝卜素是重要的营养分子，生物技术生产相比化学合成和植物提取具有经济优势；酵母生长快，利用农业工业废弃物可降低成本并减少环境污染；未来需更多研究聚焦于废弃物利用、高产酵母的代谢工程改造以及生物反应器设计和过程控制。