目錄番茄紅素簡介研究背景三孢布拉氏霉菌的發酵生產紅酵母生產番茄紅素總結與展望番茄紅素的發酵生產研究進展植物黃金——番茄紅素2023/2/5

番茄紅素（Lycopene）是類胡蘿卜素的一種，是一種很強的抗氧化劑，在清除人體“萬病之源”――自由基方面，番茄紅素的作用比β-胡蘿卜素更強大。

2003年，美國《時代》雜志把番茄紅素列在“對人類健康貢獻最大的食品”之首，番茄紅素也因此被稱為“植物中的黃金”。2023/2/5番茄紅素的結構

在自然界中番茄紅素主要以全反式結構存在。而全反式結構是一種具有11個碳碳共軛雙鍵的非環狀平面共軛多不飽和脂肪烴，因而它更易于被氧化。而抗氧化性是番茄紅素一切功效的源泉。2023/2/5研究背景：

1873年，Hartsen首次從番茄漿果中提取出來一種呈深紅色的晶體

1903年，Schunch將這種從番茄中提取到的物質正式命名為番茄紅素。

過去人們一直認為，只有那些具備β—紫羅酮環并能轉化為維生素A的類胡蘿卜素，如α—胡蘿卜素、β—胡蘿卜素等才與人類的營養和健康有關，而番茄紅素因缺乏此結構，不具有維生素A的生理活性，故對此研究很少；

但近幾年的研究發現，番茄紅素有比其他類胡蘿卜素更好的生物活性，并且是防病治病的重要功能因子，已成為目前國際上功能食品成分研究的一個熱點。2023/2/5研究背景：

對番茄紅素的研究在2000年以前鮮有報道，近幾年驟然升溫，2009-2014年，與番茄紅素有關的報道達1000多篇，內容包括：番茄紅素的性質和提取方法；番茄紅素及其研究進展；番茄紅素的生產工藝研究進展等。近10年，僅在中國申請的有關番茄紅素的國內外專利就多達幾十份。2023/2/5

目前國外有日本、匈牙利、美國、俄羅斯的多家公司申請了關于番茄紅素生產專利，但只有從鮮番茄中提取番茄紅素的工藝在以色列LycoredNaturalProductsIndustriesLtd實現了商業化大規模的生產。而中國的番茄紅素開發亦被納入“國家863計劃”，受到的高度重視。

我國番茄紅素的生產和研究均處于起步階段。其研究主要集中在北京化工大學和無錫輕工大學食品學院；現有廠家的生產技術均以天然番茄為原料，如新疆生命紅科技公司、上海的中國華源集團有限公司等有限幾家企業，而華北制藥是全國第一家采用生物發酵法提取番茄紅素的企業。另據報道由江南大學和鹽城市瑞智生物技術有限公司共同研制、開發的高科技產品天然番茄紅素膠囊目前也已投入批量生產。

番茄紅素的生產工藝2023/2/5生產方法優點缺點天然產物提取法天然、綠色、無毒原料來源有很大局限性，生產成本高，不能規模化生產化學合成法成本低，生產工藝簡單溶劑和重金屬殘留量高，過量食用有毒副作用微生物發酵法天然、綠色、無溶劑殘留、無重金屬殘留；生產成本低、工藝簡單、周期短、產量高；體內吸收率高多集中在實驗室規模，工業化生產的基礎和應用研究還未跟進合成番茄紅素的微生物

迄今研究發現，能夠生產番茄紅素的微生物包括能自身合成番茄紅素的革蘭氏陰性菌、真菌、藻類以及基因工程菌。2023/2/5三孢布拉氏霉菌

三孢布拉氏霉菌以其生長迅速、生物量高、產β-胡蘿卜素能力強在發酵法生產番茄紅素方面展現出較好的工業化應用前景，成為目前唯一能夠實現工業化生產的一種高產絲狀真菌。2023/2/5三孢布拉氏霉菌的發酵生產

目前三孢布拉霉的篩選多采用誘變育種和構建基因工程菌的方法。

誘變育種:

常規的物理和化學誘變方法有紫外、60Co、激光、亞硝基胍、硫酸二乙酯等。缺點：

細胞很難表現出正突變效果,

菌種的生產性狀不穩定,

番茄紅素的產量低。

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菌種選育三孢布拉氏霉菌的發酵生產1

菌種選育基因工程技術:1990年Norihiko等報道在革蘭氏陰性菌中發現了六個與類胡蘿卜素合成有關的基因，分別是CrtE,CrtX,CrtY,CrtI,CrtB和CrtZ，其中CrtE,CrtI和CrtB與番茄紅素的合成有關，其參與番茄紅素的合成途徑如下所示[3]:FPPCrtEGGPPCrtB八氫番茄紅素CrtI番茄紅素基因工程技術:

構建基因工程菌的思路：在一些能夠合成法尼基焦磷酸(FPP)的微生物中插入上述基因，使重組子能夠合成類胡蘿卜素。

美國專利報道將控制番茄紅素合成的基因crtE,crtB,crtI轉入擬分枝孢鐮刀菌,得到0.5mg/g細胞干重的番茄紅素[1]。Wang等[2]通過對紅假單孢球菌(Rhodobactersphaeroides)中八氫番茄紅素脫氫酶的基因crtI進行定點突變,使番茄紅素的產率提高到90%。[1]JonesJD，HohnTM，LeathersTD，eta1．Fusariumsporotrichioidesstrainsforproductionoflycopene．US：6696282，2004-02-24[2]WangCW，LiaoJC．AlterationofproductspecificityofRhodobactersphaeroidesphytoenedesaturasebydirectedevolution．TheJournalofBiologicalChemistry，2001，276(44)：4461～4464

三孢布拉氏霉菌的發酵生產1

菌種選育

利用基因工程技術實現了從實驗室規模走向小規模產業化,但工程細胞攜帶的質粒對過程控制條件要求苛刻,易脫落,番茄紅素產量大幅降低。在產業化過程中,研究者更多的傾向于選擇天然生產菌種,如具有較高生產能力的三孢布拉氏霉菌,這樣就可以避免發酵工程上游技術中容易遇到的問題。三孢布拉氏霉菌的發酵生產1

菌種選育2培養基的組成方面

盡可能地利用成分簡單且價格低廉的培養基向來是發酵工程的宗旨，尤其是利用生物質原材料，這就涉及到原材料的選擇及處理問題。

趙清等[3]為提高番茄紅素的發酵水平,篩選了最優的發酵培養基配方。并在發酵過程中補加其所需的營養物質,得到一個穩定的配方,并對發酵過程補料進行了優化。

最佳發酵培養基配方如下:玉米淀粉4%;葡萄糖2.0%;黃豆餅粉1%;大豆分離蛋白3%;玉米漿2%;磷酸二氫鉀0.1%;硫酸鎂0.02%;VB10.5%;油5%;BHT0.05%;pH值為7.2。此配方比較穩定,平均色素值為1922mg/L。

最終優化的中間補料工藝如下:48h補加葡萄糖1.0%,硫酸銨1.0%,磷酸二氫鉀0.1%。此工藝比較穩定,平均色素值增加11%。[3].趙清,王葭，張新明等,番茄紅素發酵培養基及發酵過程控制的研究.河北工業科技,2008.25(6):第358-360頁.2023/2/5

pH：LopezNieto

等[4]研究表明,發酵液初始pH7.5時利于番茄紅素的積累,但發酵過程中控制恒定的pH7.5,對發酵極為不利。因為不調節pH時,菌體能產生多種有機酸作為碳源;而調節恒定的pH,影響代謝流向。

溫度：產生番茄紅素的最佳溫度為25℃,較高的溫度(28℃~30℃)將會增加β-胡蘿卜素和γ-胡蘿卜素的含量,降低番茄紅素的產量。[4]Lopez-Nieto

M.J，Costa

J，Peiro

E，et

a1．Biotechnoloigcallycopene

production

by

mated

fermentationof

Blakesleatrispora.ApplMicrobiolBiotechnol,2004.66(2):153~1593pH、溫度、攪拌速度和通氣率攪拌速度：

提高攪拌轉速能夠在一定程度上提高溶氧速率，但高攪拌轉速形成的高剪切力，使得菌體受損，生物活性降低致使生物量減小，僅單純加大通氣量，在發酵處于對數生長期時，仍然達不到要求。通氣率:

增加空氣流速,提高空氣中的O2濃度,能夠增加溶氧水平并降低CO2濃度,因此能促進番茄紅素的合成。2pH、溫度、攪拌速度和通氣率

Mantzouridou等[5]研究表明在低轉速(150r/min)和高通氣率(1.5vvm)時可以獲得較高的胡蘿卜素產量和生產率;在高轉速(500r/min)和中等通氣率下(1vvm),可以獲得較高產率和菌體生物量。2pH、溫度、攪拌速度和通氣率[5]MantzouridouF,RoukasT,KotzekidouP.EffectoftheaerationrateandagitationspeedoncaroteneproductionandmorphologyofBlakesleatrisporainastirredtankreactor:mathematicalmodeling.BiochemicalEngineeringJournal,2002,10:123~1352023/2/53發酵促進劑1.性激素——三孢酸以及結構類似物

三孢酸是一種激素，以β一胡蘿卜素為前體合成，培養基中加入三孢酸可以提高番茄紅素的產量。

通過對三孢酸結構類似物結構式的分析，可以確定化合物必須具備1個環狀結構并帶1個酮基和1個側鏈結構才具有這種生物活性。例如β-紫羅酮、脫落酸、異煙肼、琥珀酰亞胺、檸檬油萜烯和芳香族化合物的結構類似物也有此性質。2.氧載體與表面活性劑

三孢布拉霉是高度嗜氧的微生物，從發酵動力學方面去改善培養介質的性能，可以通過添加氧載體、表面活性劑來提高同一反應系統的傳氧系數,從而提高番茄紅素的產量。3.番茄紅素環化酶抑制劑

生物法生產番茄紅素的關鍵步驟就是添加番茄紅素環化酶抑制劑，打斷番茄紅素至β一胡蘿卜素的環化反應，使代謝流停留在番茄紅素階段。

常見的番茄紅素環化酶抑制劑有兩類：叔胺類化合物：主要包括對二甲氨乙基苯酚、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、3一二異丙基氨基一1一丙醇、1一二異丙基氨基一2一丙醇、三乙胺、2一二甲氨基乙苯等；

但目前由于毒性較大，在微生物法生產番茄紅素中較少應用。含氮類雜環化合物：如煙堿、咪唑、吡啶、嗎啉、吡啶、哌啶、喹啉和某些取代衍生物。4.麥角固醇合成抑制劑

番茄紅素和麥角固醇的合成前體都是法尼基二磷酸(FPP)，通過控制麥角固醇的合成，來達到積累番茄紅素的目的。

麥角固醇合成抑制劑,如十二環嗎啉、嗪氨靈、氟康唑、酮康唑、鹽酸特比萘芬等，抑制合成麥角固醇酶的活性，使得麥角固醇產量降低，從而使類胡蘿卜素產量提高。

WangJingfeng等[5]對三孢布拉霉NRRL2895(+)和NRRL2896(-)搖瓶生產番茄紅素發酵工藝進行了系統優化，研究發現正、負菌株的比例、番茄紅素環化酶抑制劑砒啶和肌酐、三孢酸結構類似物脫落酸、3-羥基-3-甲基輔酶A(HMG-COA)前體物亮氨酸以及甲羥戊酸激酶激活劑青霉素是影響番茄紅素合成的關鍵因素。在最佳的發酵條件下，即發酵液中正負株的最佳比例為5:1，發酵過程中添加6g/L肌酐、0.1g/L青霉素、150μmol/L脫落酸及0.5g/L的亮氨酸，番茄紅素產量可達(156.2±15.4)mg/L，比優化前提高了134.9%。

[5]WANGJinfeng,LIUXiuji,LIURuisang,etal.Optimi