摘要：番茄紅素是一種功能性天然色素，廣泛應(yīng)用于食品、化妝品及保健品等行業(yè)，它在抗癌、抗氧化、增強(qiáng)免疫力、預(yù)防心血管疾病等方面具有重要的生理功能和生物活性。傳統(tǒng)方法主要是植物提取和化學(xué)合成法獲得，提取法工藝復(fù)雜，產(chǎn)物易被氧化，而使用化學(xué)合成法收率差，產(chǎn)物不穩(wěn)定，并且具有合成成本高的特點(diǎn)，難以滿足市場(chǎng)的需求。微生物發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素和傳統(tǒng)方法相比具有成本低，產(chǎn)量高等優(yōu)勢(shì)，本文主要對(duì)發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素的進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

關(guān)鍵詞：番茄紅素 發(fā)酵工程 菌種選育 功能性天然色素

中圖分類號(hào)：TS202.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5336（2014）10-0010-02

番茄紅素是類胡蘿卜素的一種，由11個(gè)共軛雙鍵及2個(gè)非共軛碳碳雙鍵構(gòu)成的高度不飽和直鏈型烴類化合物，其分子式是C40H56，分子量為536.85，番茄紅素的結(jié)晶呈暗赤色針狀，其熔點(diǎn)是175℃，易溶于氯仿、苯等有機(jī)溶劑，難溶于水。在自然界中番茄紅素主要存在西瓜、番茄等果蔬中。番茄紅素在清除氧自由基、抑制細(xì)胞增殖、保護(hù)心血管，高機(jī)體免疫力等方面具有重要的生理功能和保健作用[1]。

1 番茄紅素生產(chǎn)方法

1.1 植物提取法

在自然界中，番茄紅素主要存在于番茄、西瓜等蔬菜水果中。尤其是在番茄中，存在的含量高，但是通過提取法提取番茄中的番茄紅素十分的困難，含量并且會(huì)受到季節(jié)的波動(dòng)，價(jià)格也較貴，并且提取收率低，難以滿足市場(chǎng)的需求。

1.2 化學(xué)合成法

化學(xué)合成番茄紅素主要是Wittig反應(yīng)法，化學(xué)合成法由于雙鍵立體選擇性難以控制，導(dǎo)致產(chǎn)物不可控，化學(xué)試劑殘留高，環(huán)境污染嚴(yán)重，致使產(chǎn)品難以應(yīng)用到食品和醫(yī)藥行業(yè)中[2]。

1.3 微生物發(fā)酵法

發(fā)酵法主要是用特定的微生物的代謝將淀粉等成本較低的原料，轉(zhuǎn)化為番茄紅素，這種方式不僅不會(huì)受到地理環(huán)境以及氣候等因素的影響，并且工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的周期短，同時(shí)生產(chǎn)的成本低、效率高，容易大規(guī)模培養(yǎng)，最重要的是對(duì)環(huán)境的污染小，被認(rèn)為最有前景的方法。

2 利用發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素

2.1 菌種選育

用于發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素的微生物主要有：三孢布拉氏霉菌（Blakeslea trispora）、經(jīng)基因改造的酵母菌（Saccharomyces）、紅色細(xì)菌（Rhodobacillus palustris）以及革蘭氏陰性非光合菌。目前研究的最多、產(chǎn)率相對(duì)較高、最有產(chǎn)業(yè)化前景的主要是三孢布拉氏霉菌。

野生菌中番茄紅素積累量通常很低，在三孢布拉氏霉菌中番茄紅素會(huì)在環(huán)化酶作用生成β-胡蘿卜素，導(dǎo)致番茄紅素積累量低，所以在發(fā)酵培養(yǎng)過程中需要添加適量的番茄紅素環(huán)化酶抑制劑或者篩選獲得環(huán)化酶突變株。目前番茄紅素高產(chǎn)菌株選育主要是通過傳統(tǒng)的誘變選育，Metha[3]等通過NTG誘變獲得胡蘿卜素的高產(chǎn)菌株，通過在培養(yǎng)基中添加環(huán)化酶抑制劑煙堿，導(dǎo)致番茄紅素大量積累。Rodriguez[4]等用EMS和NTG復(fù)合誘變獲得環(huán)化酶缺陷型菌株，產(chǎn)量達(dá)到3.0g/L。Mehta[3]等采用NTG對(duì)野生三孢布拉氏霉菌F986（+）和F921（-）進(jìn)行突變改良，獲得兩性突變體菌株，番茄紅素的含量達(dá)到15mg/g，較出發(fā)菌株提高了1.2倍。

三孢布拉氏霉菌是一種絲狀真菌，誘變后的高產(chǎn)菌株生產(chǎn)性狀不夠穩(wěn)定，最終導(dǎo)致番茄紅素的產(chǎn)量較低，目前也有很多研究者通過構(gòu)建基因工程菌用于生產(chǎn)番茄紅素，但大都只停留在實(shí)驗(yàn)室水平，發(fā)酵過程中條件控制不好容易導(dǎo)致質(zhì)粒丟失，最終導(dǎo)致產(chǎn)量大幅度降低。在產(chǎn)業(yè)化過程中，研究者還是更多的傾向于選擇天然生產(chǎn)菌種，無論是從產(chǎn)品的品質(zhì)還是發(fā)酵過程控制都較基因工程菌有利。

2.2 發(fā)酵工藝優(yōu)化

2.2.1 培養(yǎng)方法

采用液態(tài)深層發(fā)酵生產(chǎn)番茄紅素，現(xiàn)在番茄紅素發(fā)酵大都采取的是三孢布拉氏霉正負(fù)菌混合發(fā)酵，所以在發(fā)酵培養(yǎng)過程中正負(fù)菌株的接種種齡以及混合比非常的重要，直接影響到最終的產(chǎn)量。

2.2.2 生物合成代謝調(diào)控

目前，番茄紅素合成途徑已經(jīng)研究清楚，生物合成代謝調(diào)控成為了發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素的研究熱點(diǎn)，要做到“開源”和“節(jié)流”。從番茄紅素的合成途徑中可以發(fā)現(xiàn)法尼酯焦磷酸是類胡蘿卜素的共同前體物質(zhì)。并且它還是是萜類物質(zhì)的前體物質(zhì)，因此若要強(qiáng)化番茄紅素的代謝通量，就必須要減弱或者是切斷流向萜類的代謝流。Sun[5]等報(bào)道，通過在培養(yǎng)基中添加麥角甾醇抑制劑酮康唑（抑制P450氧化酶活性），以提高番茄紅素產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)在48h添加番茄紅素含量達(dá)到5.73mg/g，比出發(fā)菌株提高了277%，產(chǎn)量達(dá)到358.1mg/L。同時(shí)番茄紅素自身很容易在胞內(nèi)環(huán)化酶作用下生成β-胡蘿卜素。Hsu[6]等考察了不同環(huán)化酶抑制劑的添加對(duì)番茄紅素積累的影響，發(fā)現(xiàn)添加0.1mmol/L二苯胺后，番茄紅素含量達(dá)到1.89mg/g。

番茄紅素代謝調(diào)控研究方向主要是通過阻斷或是削弱β-胡蘿卜素的代謝流來積累大量番茄紅素，今后的研究方向可能是通過代謝調(diào)控手段切斷代謝支流，同時(shí)增強(qiáng)前體物質(zhì)的供給，從而大量積累番茄紅素。

2.3 番茄紅素的分離純化

在利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素的過程中，番茄紅素在胞內(nèi)大量積累，所以必須要從細(xì)胞中提取番茄紅素。番茄紅素是一種脂溶性色素，它可以采取有機(jī)溶劑提取法、酶法或者超臨界萃取等方法獲得。因?yàn)榉鸭t素它是脂溶性的不飽和烴類化合物，易溶于乙醚、石油醚以及苯等有機(jī)溶劑，可以通過有機(jī)溶劑萃取，進(jìn)一步將萃取液濃縮得到番茄紅素粗產(chǎn)品，該方法簡(jiǎn)單易操作，但是有痕量有機(jī)溶劑殘留，對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有影響。酶法提取主要是先將番茄熱燙去皮之后打碎，加入一定量的果膠酶，纖維素酶去除果膠，纖維素等非色素物質(zhì)，再進(jìn)一步通過離心、沉淀、乙醇洗滌、過濾、乙醇和植物油提取、分離油相，最終獲得產(chǎn)品，酶法工藝繁雜。而超臨界萃取工藝簡(jiǎn)單、耗能低，并且沒有毒害、容易回收，并且得率可以達(dá)到90%以上，不需要用到有機(jī)溶劑，產(chǎn)品質(zhì)量和有機(jī)溶劑提取法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，番茄紅素分子結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵易被氧化，如何保證其在分離純化中的穩(wěn)定性問題顯得尤為重要。

3 展望

番茄紅素作為一種功能性天然色素，具有許多重要的生理和生化功能，在食品醫(yī)藥行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。番茄紅素主要應(yīng)用于食品添加劑，天然著色劑，功能性食品及化妝品等行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上此類產(chǎn)品還相對(duì)較少，遠(yuǎn)未能滿足市場(chǎng)需求。

目前番茄紅素純品價(jià)格較高，主要是生產(chǎn)成本高，不穩(wěn)定易被氧化，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。因此獲得高產(chǎn)菌株，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本一直是發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素研究的關(guān)鍵。番茄紅素生物合成途徑已經(jīng)基本清楚，可以通過代謝工程手段阻斷番茄紅素的環(huán)化，或者通過基因工程或者合成生物學(xué)等先進(jìn)技術(shù)手段構(gòu)建番茄紅素高效生產(chǎn)菌株，使得番茄紅素在細(xì)胞中大量積累是今后研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]巧寧，朱麗雯，王義華，等.發(fā)酵法生產(chǎn)番茄紅素的研究進(jìn)展[J].綜述與專題評(píng)論，2010，3（1）：30-31.

[2]李卓才，魯波，尹紅.番茄紅素化學(xué)合成的研究進(jìn)展[J].合成化學(xué)，2010，10（12）：118-121.

[3]Mehta B J， Obraztsova I N， Cerdá-Olmedo E. Mutants and Intersexual Heterokaryons of Blakeslea trispora for Production of β-Carotene and Lycopene [J]. Applied and environmental microbiology， 2003，（7）：4043-4048.

[4]Rodriguez A T M， Decastro A E， Perez J C， et al.， Method of producing lycopene through the fermentation of selected strains of Blakeslea trispora， formulations and uses of the lycopene thus obtaing [P].US：2005/0106657 A1， 2005-05-19.

[5]Sun Y， Yuan Q P， Vriesekoop F， Effect of two ergosterol biosynthesis inhibitors on lycopene production by Blakeslea trispora [J]. Process Biochemistry，2007，42：1460-1464.

[6]Hsu W J， Yokoyama H， Coggins C W， Carotenoid biosynthesis in Blakeslea trispora [J].Phytochem， 1972， 11：2985-2990.