Chemistry and Biotechnology of Carotenoids
- 作者
- K. K. Namitha, P. S. Negi
- 单位
- Human Resource Development, Central Food Technological Research Institute (CSIR), Mysore, India
- 杂志
- Critical Reviews in Food Science and Nutrition（2010）
- DOI
- 10.1080/10408398.2010.499811
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
类胡萝卜素的生物合成和调控机制在高等植物中仍不清楚，需要增强作物类胡萝卜素含量至疾病预防水平，因此需加强基础和应用研究。
研究策略
系统综述类胡萝卜素的化学结构、分类、分布、生物利用度、加工储存影响、生物合成途径（甲羟戊酸依赖和非依赖途径）以及代谢工程在微生物和植物中的应用，并讨论未来研究方向。
核心内容
该文系统综述了类胡萝卜素的化学结构、分类、分布及生物合成途径，重点总结了代谢工程在微生物和植物中提高类胡萝卜素产量的应用进展。自然界已鉴定超过600种类胡萝卜素，高等植物叶片中主要组成为叶黄素45%、β-胡萝卜素25–30%等。加工和储存对类胡萝卜素含量影响显著，例如菠菜萎蔫后总类胡萝卜素损失达63.5%，煮熟的胡萝卜中trans-β-胡萝卜素吸收率（65.1%）显著高于生胡萝卜（41.4%），加工番茄汁中番茄红素吸收率较未加工汁提高2倍。代谢工程策略如基因过表达、反义抑制和组合生物合成已在大肠杆菌、番茄、水稻等底盘生物中成功应用，显著提高了目标类胡萝卜素产量，但高等植物中调控机制仍不清楚。该综述强调，未来需深入解析调控机制，以提高工程作物的可预测性和安全性，推动类胡萝卜素强化作物达到疾病预防水平。
创新点
全面总结类胡萝卜素化学与生物技术领域进展，重点阐述代谢工程策略（如基因过表达、反义抑制、组合生物合成）在提高类胡萝卜素产量中的应用，并指出调控机制研究不足的问题。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大肠杆菌 (Escherichia coli) | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 通过异源表达类胡萝卜素合成基因生产番茄红素、β-胡萝卜素和玉米黄质等（如Yoon等2006通过甲羟戊酸途径增强番茄红素产量）。 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | lycopene β-cyclase | 番茄红素β-环化酶 | 催化 | 在果实成熟过程中表达下调，影响β-胡萝卜素的形成。 |
| 番茄 (Solanum lycopersicum) | 类胡萝卜素生物合成 | lycopene ε-cyclase | 番茄红素ε-环化酶 | 催化 | 在果实成熟过程中表达下调，在delta突变体中表达升高。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) | 类胡萝卜素生物合成 | carotenoid isomerase (CRTISO) | 类胡萝卜素异构酶 | 催化 | 该基因的鉴定为类胡萝卜素生物合成及光形态建成提供了见解。 |
| 烟草 (Nicotiana glauca) | 酮类胡萝卜素生物合成 | crtO | CrtO酮醇酶 | 催化 | 表达蓝藻crtO基因使花和叶产生酮类胡萝卜素。 |
| 雨生红球藻 (Haematococcus pluvialis) | 虾青素生物合成 | PSY | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 胁迫诱导虾青素形成时该基因表达受调控。 |
| 雨生红球藻 (Haematococcus pluvialis) | 虾青素生物合成 | carotenoid hydroxylase | 类胡萝卜素羟化酶 | 催化 | 与PSY协同调控虾青素合成。 |
| 马铃薯 (Solanum tuberosum) | 玉米黄质生物合成 | — | 类胡萝卜素环氧酶 | 催化 | 通过反义抑制类胡萝卜素环氧化作用，获得富含玉米黄质的马铃薯。 |
| 水稻 (Oryza sativa) | β-胡萝卜素生物合成 | — | — | 催化 | 金色大米通过基因工程在胚乳中合成β-胡萝卜素（Ye等，2000）。 |
| 黄水仙 (Narcissus pseudonarcissus) | 类胡萝卜素生物合成 | phytoene synthase | 八氢番茄红素合酶 | 催化 | 其psy基因在开花期间诱导表达，并已在大肠杆菌中功能表达（Schledz等，1996）。 |
| 蓝细菌 (Synechococcus PCC7942) | 类胡萝卜素生物合成 | — | — | 调控 | 光胁迫下类胡萝卜素生物合成基因协调上调（Schafer等，2006）。 |
关键发现
['自然界中已鉴定超过600种类胡萝卜素。', '高等植物叶片中类胡萝卜素组成约为：叶黄素45%，β-胡萝卜素25-30%，紫黄质15%，新黄质10%。', '菠菜萎蔫后总类胡萝卜素损失63.5%。', '苋菜鲜叶在储存期间β-胡萝卜素损失可高达85.0%。', '加工番茄汁中番茄红素的人体吸收率比未加工汁高2倍。', '煮熟的胡萝卜中trans-β-胡萝卜素吸收率为65.1±7.4%，而生胡萝卜为41.4±7.4%。', '胡萝卜真空油炸（100℃,25min）保留76% α-胡萝卜素和83% β-胡萝卜素。', '胡萝卜晒干造成49% β-胡萝卜素损失，太阳能干燥和柜式干燥分别损失30%和16%。', '番茄酱制作（90℃）导致番茄红素损失9-28%。', '番茄汁经121℃灭菌2分钟或80℃巴氏杀菌20分钟后煮50分钟，番茄红素分别减少约35%和50%。', '辣椒和红椒粉热处理后总类胡萝卜素损失分别高达34%和53%。', '橙肉甘薯煮沸20分钟β-胡萝卜素损失22%，蒸30分钟损失23%，油炸10分钟损失22%，57℃热风干燥10小时损失12%，太阳能干燥损失9%，露天干燥损失16%。']
研究结论
类胡萝卜素是重要的天然色素和抗氧化剂，具有维生素A原活性和多种健康保护功能。其生物合成途径已基本阐明，但调控机制仍不清楚。通过代谢工程（如在大肠杆菌、水稻、番茄等中导入或调节类胡萝卜素合成基因）可以显著提高类胡萝卜素产量，但需要进一步研究调控机制以提高工程作物的可预测性和安全性。