Biotechnological lycopene production by mated fermentation of Blakeslea trispora
- 作者
- M. J. López-Nieto, J. Costa, E. Peiro, E. Méndez, M. Rodríguez-Sáiz, J. L. de la Fuente, W. Cabri, J. L. Barredo
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2004）
- DOI
- 10.1007/s00253-004-1669-4
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发一种半工业化规模（800 L）利用 Blakeslea trispora 配对发酵生产番茄红素的方法，以替代化学合成和天然提取，满足市场对番茄红素的需求。
研究策略
采用 Blakeslea trispora 正（+）负（-）菌株配对发酵，利用遗传算法（GALOP程序）优化培养基组成；通过流加咪唑或吡啶抑制番茄红素环化酶活性；系统优化发酵过程中的物理化学参数（pH、温度、搅拌转速、通气量、背压等）及原料配方。
核心内容
该研究开发了一种利用三孢布拉霉正负菌株配对发酵生产番茄红素的半工业规模工艺，并在800 L发酵罐中系统优化了发酵条件。研究者首次将遗传算法（GALOP程序）应用于番茄红素发酵培养基优化，并通过流加咪唑或吡啶抑制番茄红素环化酶活性，使代谢流向番茄红素积累。结果显示，最适正负菌株比例为1:10至1:15，流加0.8 g/L咪唑可使番茄红素产量达到标准产量的113%，而β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素仅占总类胡萝卜素的11%，远低于对照组的93%。在原料优化方面，添加12 g/L柑橘粕使产量提高58%，20 g/L卵磷脂提高26%，棉籽粕替代豆粕提高19%。最佳工艺条件为温度25°C、pH自然变化、搅拌150–250 rpm、通气量1.00–1.25 vvm。该研究建立了可行的半工业化番茄红素发酵工艺，为替代化学合成和天然提取提供了具有经济竞争力的生物制造路线。
创新点
将遗传算法首次用于番茄红素发酵培养基优化；建立了800 L规模配对发酵工艺；发现添加柑橘粕、卵磷脂、棉籽粕等原料可显著提高番茄红素产量；明确了溶解氧和二氧化碳对产量的影响规律。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Blakeslea trispora | β-胡萝卜素生物合成途径 | carRA | 八氢番茄红素合酶（A域）/番茄红素环化酶（R域） | 催化 | A域催化两分子GGPP缩合生成八氢番茄红素；R域催化番茄红素环化生成β-胡萝卜素，是咪唑/吡啶的抑制靶点 |
| Blakeslea trispora | β-胡萝卜素生物合成途径 | carB | 八氢番茄红素脱氢酶 | 催化 | 催化八氢番茄红素脱氢生成番茄红素 |
| Blakeslea trispora | β-胡萝卜素生物合成途径 | — | 番茄红素环化酶 | 催化 | 被咪唑或吡啶抑制后，番茄红素积累，β-胡萝卜素和γ-胡萝卜素减少 |
关键发现
- 在800 L发酵罐中，最适(+)/(-)菌株比例为1:10至1:15，种子比例20%，预培养时间48 h
- 流加0.8 g/L咪唑可使番茄红素产量达到标准产量的113%，β-胡萝卜素+γ-胡萝卜素仅占总类胡萝卜素的11%（对照组为93%）
- 添加12 g/L柑橘粕使番茄红素产量提高58%（相对产量158%），添加20 g/L卵磷脂提高26%（相对产量126%），用棉籽粕替代豆粕提高19%，向日葵油和菜籽油分别提高16%和10%
- 最佳发酵条件为温度25°C、不控制pH（pH自然变化6.3-6.6）、搅拌150-250 rpm、通气量1.00-1.25 vvm、背压0.5 kg/cm²
- 提高通气量和富氧（25%氧气）可促进番茄红素积累，但过高背压或搅拌（>300 rpm）降低产量。
研究结论
成功开发了Blakeslea trispora配对发酵生产番茄红素的半工业规模工艺，该技术可进一步放大为具有经济竞争力的工业化生产过程。