阿萨伊籽——这种在亚马逊地区常被废弃的副产品，有望成为生物技术生产类胡萝卜素的替代原料

《ACS Agricultural Science & Technology》：A?ai Seeds, a Highly Discarded Byproduct in the Amazonia, as Potential Alternative Substrate for the Biotechnological Production of Carotenoids

利用 a?aí 种子作为底物，通过响应面法优化 pH（7.0）、温度（30°C）、搅拌速度（200 rpm），成功实现 Rhodotorula mucilaginosa 耶氏酵母的生物合成产率达 1.1 g 干生物量/批次和 37 μg/g 干生物量的总胡萝卜素，其中 β-胡萝卜素占比 77%。该研究为循环经济中农业废弃物的高值化利用提供了新策略。

　　这项研究聚焦于利用巴西阿萨伊（A?aí）种子作为替代底物，通过一种名为 *Rhodotorula mucilaginosa* 的酵母菌进行类胡萝卜素的生物合成。研究发现，在特定的培养条件下，该酵母菌不仅能够高效地生长，还能显著提高类胡萝卜素的产量，这为开发低成本、可持续的生物技术生产路径提供了新的可能性。阿萨伊种子是阿萨伊果加工过程中产生的副产品，占果实总重量的85%，通常被丢弃，但其潜在的工业价值却未被充分挖掘。研究中，通过优化pH值、温度和搅拌速度等关键参数，成功实现了高产类胡萝卜素的生物合成，其中β-胡萝卜素（77%）、Z-γ-胡萝卜素（6.9%）和托里伦（Torulene）（4.5%）为主要产物。这一成果表明，使用阿萨伊种子作为底物进行类胡萝卜素生产具有科学意义和实际应用潜力，特别是在推动循环经济和减少工业废弃物方面。

类胡萝卜素是一类在植物、动物和微生物中广泛存在的脂溶性生物活性化合物，具有抗氧化、抗炎和促进健康等多种功能。它们在食品、化妆品和制药行业中受到高度重视，尤其是β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素和虾青素等。近年来，随着对天然成分需求的增加以及合成色素面临的监管限制，微生物生产的类胡萝卜素成为一种有前景的替代方案。酵母菌因其适应性强、生长速度快以及能够积累大量类胡萝卜素的能力，成为该领域的研究热点。*Rhodotorula* 属酵母菌在极端环境条件下（如高温和光照）能够合成类胡萝卜素，以保护细胞免受损伤，这一特性使其在生物技术应用中具有独特优势。

研究团队选择阿萨伊种子作为底物，是因为其在巴西的产量巨大，且在传统加工过程中常被丢弃，具有明显的资源再利用潜力。阿萨伊果的加工通常会产生大量种子和纤维，而这些部分被当作废弃物处理。然而，研究表明，这些废弃物中富含还原糖（如甘露糖），可作为酵母菌生长的营养来源。通过酸水解处理，可以进一步释放这些糖分，提高底物的可用性。在本研究中，使用25%的阿萨伊种子水解液作为培养基，结合适当的培养条件，使酵母菌在30°C、pH 7.0和200 rpm的搅拌条件下实现了最高的类胡萝卜素产量，达到了37 μg/g干生物质的水平。同时，该条件下的酵母菌生物量也达到1.1 g，显示出良好的生长性能。

实验过程中，研究团队采用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）和中心组合设计（Central Composite Rotational Design, CCRD）来优化培养条件。通过对pH、温度和搅拌速度等变量的系统分析，发现这些参数对酵母菌的生长和类胡萝卜素合成具有显著影响。例如，当pH从3.0提高到7.0时，类胡萝卜素产量从0.80 μg/g大幅上升至19.63 μg/g，增幅超过2460%。然而，对于生物量的合成，pH与搅拌速度的相互作用显得更为重要，表明两者协同作用可以显著提升酵母菌的生长。此外，温度对类胡萝卜素和生物量的合成也产生复杂影响，随着温度从30°C升至40°C，类胡萝卜素产量略有下降，而生物量则出现明显减少。这说明在生物技术生产过程中，不同目标产物对环境条件的需求存在差异，需进行精细化调控。

在研究中，通过高效液相色谱（HPLC-DAD）技术对类胡萝卜素的组成进行了详细分析，确认了主要的产物包括β-胡萝卜素（77%）、Z-γ-胡萝卜素（6.9%）和托里伦（4.5%）。这些类胡萝卜素的合成与酵母菌的代谢途径密切相关，其中β-胡萝卜素作为主要的维生素A前体，具有较高的营养价值和应用潜力。此外，研究还发现，某些类胡萝卜素（如Z-γ-胡萝卜素和托里伦）可能具有抑制癌细胞生长或诱导细胞凋亡的潜力，这为类胡萝卜素在医药和健康产品中的应用提供了新的思路。然而，由于某些类胡萝卜素（如Z-β-胡萝卜素）在提取过程中容易受到光照、热、氧或酸性环境的影响，导致其降解或结构改变，因此在工业生产中需要特别关注提取条件的优化，以确保最终产物的稳定性。

研究结果还表明，阿萨伊种子作为底物的使用与传统合成培养基相比，具有显著的经济优势。一方面，阿萨伊种子作为天然副产品，成本低廉，能够有效降低生产成本；另一方面，其丰富的糖分含量为酵母菌提供了充足的营养来源，有助于提高生物合成效率。然而，尽管类胡萝卜素的产量较高，但与其他研究相比，本研究的产量仍较低。例如，Sharma和Ghoshal在使用洋葱皮、土豆皮等农业废弃物作为底物时，通过酸水解和酶水解相结合的方法，实现了高达717.8 μg/g的类胡萝卜素产量，远高于本研究的37 μg/g。这可能与底物的种类、处理方式以及酵母菌的菌株特性有关。此外，本研究使用的 *R. mucilaginosa* 菌株可能在类胡萝卜素合成方面存在一定的局限性，需要进一步筛选或改造以提高其生产性能。

从更广泛的角度来看，微生物生产类胡萝卜素的潜力不仅限于特定菌株或底物的选择。近年来，随着代谢工程的发展，人们尝试通过基因改造、代谢通路调控等手段，提高类胡萝卜素的产量。例如，Li等人通过优化代谢通路，使 *Escherichia coli* 能够在摇瓶中产生448 mg lycopene/g细胞干重，而在分批补料培养中甚至达到2100 mg β-carotene/L。这些研究为类胡萝卜素的规模化生产提供了新的思路。然而，尽管代谢工程可以显著提高产量，但其应用仍需考虑工业生产中的实际需求，如成本、可扩展性以及对环境的影响。因此，结合低成本、可持续的农业废弃物作为底物，并结合代谢工程的优化策略，可能是实现类胡萝卜素工业生产的重要方向。

此外，研究还强调了在生物技术应用中，对工业废弃物的合理利用对于推动可持续发展具有重要意义。阿萨伊种子的水解液作为培养基，不仅能够有效利用资源，还能减少对环境的负担，符合循环经济的理念。在工业生产中，如何高效地提取和纯化类胡萝卜素，同时确保其稳定性，是实现商业化应用的关键挑战。目前，提取过程中常使用有机溶剂，如乙醇和甲醇，但这些溶剂可能对环境造成污染。因此，开发更环保的提取方法，如绿色溶剂或微波辅助提取，是未来研究的重要方向。

总的来说，这项研究不仅为类胡萝卜素的生物合成提供了新的实验数据，还为利用农业废弃物作为可持续资源提供了理论支持。通过优化培养条件，使 *R. mucilaginosa* 在阿萨伊种子底物上实现了较高的类胡萝卜素产量，显示出其在生物技术应用中的潜力。然而，要实现类胡萝卜素的工业化生产，还需进一步研究酵母菌的代谢特性、底物的预处理方法以及提取和纯化技术的优化。此外，考虑到类胡萝卜素的稳定性问题，未来的研究应关注如何在生产过程中减少其降解，提高其工业应用价值。通过结合生物技术与代谢工程，可以进一步挖掘阿萨伊种子等农业废弃物的潜力，为可持续发展提供新的解决方案。