综述：细菌源基础类胡萝卜素的生物制造进展与生物学应用综述

本综述系统阐述了细菌源基础类胡萝卜素（lycopene、β-carotene、β-cryptoxanthin、zeaxanthin、canthaxanthin、astaxanthin）的生物合成途径（MVA/MEP）、生产优化策略（OFAT/RSM/CRISPR/AI驱动酶设计）及多维度生物学应用（抗菌/抗癌/抗氧化/抗炎/抗糖尿病）。重点强调了细菌作为高效细胞工厂（cell factory）的优越性（生长快/易遗传操作/低成本），并深入探讨了提高产量与稳定性的前沿生物技术（如启动子工程/蛋白质工程/辅因子工程）及绿色提取方案（超临界CO2/微胶囊化），为天然色素工业化生产提供重要理论依据与技术路径。

　　

细菌作为类胡萝卜素生产的优越细胞工厂

类胡萝卜素是一类脂溶性天然色素，具有由共轭双键构成的特征性发色团，其最大吸收波长介于400–500 nm之间，呈现黄色至红色。与植物和真菌来源相比，细菌源类胡萝卜素在生产上具有显著优势：生长速率快（培养周期可短至4天）、营养需求简单、生产成本低、细胞壁更易破碎（降低提取成本），且原核生物特性使其更易于进行遗传操作（如CRISPR基因编辑）。此外，细菌能合成多种稀有类胡萝卜素，在已发现的1204种类胡萝卜素中，有324种来源于细菌，其中251种为细菌所特有。

类胡萝卜素的通用特性与生物合成途径

类胡萝卜素化学结构可分为两类：不含氧的碳氢类胡萝卜素（carotenes，如lycopene和β-carotene）和含氧的叶黄素类（xanthophylls，如zeaxanthin和astaxanthin）。其生物合成始于异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲烯丙基焦磷酸（DMAPP），通过甲羟戊酸（MVA）或甲基赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径生成。关键酶包括牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶（CrtE）、八氢番茄红素合酶（CrtB）、八氢番茄红素脱氢酶（CrtI）、番茄红素环化酶（CrtY）、β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）和β-胡萝卜素酮化酶（CrtW）。例如，astaxanthin是通过CrtZ和CrtW的连续作用从β-carotene转化而来。

类胡萝卜素生产的实验室筛选与优化

筛选方法：初步筛选依赖于肉眼观察黄色、橙色或红色菌落，结合拉曼光谱（532 nm激发激光）、基因组测序（检测crt基因簇）和色谱-质谱联用技术（HPLC-MS/NMR）进行鉴定。例如，Pantoea anthophila FL1_IS5中通过全基因组测序发现了完整的crtE、crtB、crtI、crtY、crtZ和crtW基因。

物理化学参数优化（OFAT方法）：

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  培养基与接种量：脑心浸液培养基、胰蛋白酶大豆 broth（TSB）和营养肉汤常用于促进色素生产，接种量以10%为宜（可使astaxanthin产量提高2.76倍）。
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  碳氮源：葡萄糖、蔗糖、甘露醇作为碳源，酵母提取物和胰蛋白胨作为氮源效果显著，碳氮比（C/N）为2:1时利于β-cryptoxanthin积累。
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  温度与pH：最适温度为25–37°C（如Kocuria sp. RAM1为31.7°C），最适pH为7.0–7.4。
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  光照与氧化应激：白光照射可促进Deinococcus natronolimnaea的类胡萝卜素合成，添加10–20 mM H₂2O₂可使astaxanthin产量提升60%。
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  其他诱导因子：添加0.5%甘油可使Rhodococcus opacus PD630的产量提高7.5倍；TCA循环中间体（如α-酮戊二酸、苹果酸）使Flavobacterium multivorum的zeaxanthin产量提高6倍；微量元素Zn²⁺（27 ppm）、Fe³⁺（30 ppm）和Cu²⁺（28.75 ppm）能显著提升总 carotenoid 产量。

响应面法（RSM）优化：RSM通过建立全二次多项式模型分析变量间相互作用，大幅减少试验次数与资源消耗。例如，Halorubrum ruber在优化后类胡萝卜素产量提高1.33倍；Kocuria marina DAGII的DPPH自由基清除活性IC₅₀达53.76 μg/mL。

遗传工程策略提升产量

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  关键基因过表达：过表达crtB和dxs基因使Deinococcus菌株的deinoxanthin产量提高200%；在E. coli中异源表达crtE、crtB、crtI基因使lycopene产量达688 mg/L。
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  启动子工程：用HMGS基因启动子替换crtE天然启动子，使产量提高1.43倍。
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  蛋白质工程：通过定向进化（error-prone PCR）提升CrtE和CrtW酶活性，改善astaxanthin合成。
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  辅因子工程：引入Zymomonas mobilis的Entner-Doudoroff路径，使NADPH再生率提高25倍，类胡萝卜素产量增加97%。
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  转运体工程：在Rhodosporidium toruloides中表达S. cerevisiae的ABC转运体Pdr10，使类胡萝卜素分泌量提高1.9–2.9倍。

发酵工艺与提取技术

发酵类型： submerged fermentation（SmF）和solid-state fermentation（SSF）是主要方式。SSF利用农业废弃物（如柑橘果渣）作为底物，成本低且产物稳定性高。例如，Rhodotorula rubra在菠萝废弃物培养基中成功生产β-carotene。

提取方法：细胞破壁采用物理（玻璃珠涡旋）、化学（表面活性剂）或酶法（溶菌酶）；溶剂提取使用己烷、丙酮、乙醇等。针对革兰阳性菌（如Micrococcus luteus）的厚肽聚糖壁，需强化破壁条件。绿色替代方案包括：超临界CO₂提取（对E. coli湿生物质的lycopene回收率达99%）、离子液体、深共熔溶剂（DES）和微乳液技术。

生物学应用

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  抗菌与抗生物膜：Micrococcus roseus色素对Staphylococcus aureus、Escherichia coli等病原菌有显著抑制作用；Rhodococcus sp. SC1的色素在0.5 μg/mL即可使E. coli生物膜减少50%。
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  抗癌：Kocuria sp. QWT-12的色素对乳腺癌（MDA-MB-231）、肺癌（A549）和前列腺癌（PC3）细胞系IC₅₀为1–8 mg/mL；Staphyloxanthin对黑色素瘤B16F10细胞的IC₅₀为6.58 μg/mL。
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  抗氧化：Metabacillus idriensis LipT27色素的ABTS和DPPH清除IC₅₀分别为72 μg/mL和26 μg/mL。
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  抗炎：Nesterenkonia antarctica LEGE13457的色素在22.2 μg/mL时可抑制LPS诱导的RAW 264.7细胞NO生成。
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  抗糖尿病：β-carotene通过增强葡萄糖摄取和代谢发挥降血糖活性，其效果与葡萄糖浓度正相关。
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  食品添加剂：细菌源astaxanthin（E161j）和zeaxanthin已获欧盟批准用于食品着色，每日摄入量≤2 mg/kg体重。

局限性与未来展望

当前挑战包括生产成本高、稀有类胡萝卜素产量低、稳定性差和生物利用度低。解决方案涉及：

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  成本控制：采用共培养（如Paracoccus haeundaensis与Lactobacillus fermentum共培养使astaxanthin产量提高2.5倍）、低价底物（胡萝卜渣水解物、玉米浆）及微流控技术高通量筛选。
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  提升产量与稳定性：应用分子伴侣（如pG-KJE8增强CrtW可溶性表达）、SA-Clo模块化克隆技术、AI驱动酶理性设计，以及纳米载体（脂质体、壳聚糖纳米粒）提高生物利用度。
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  提取优化：采用冻干预处理、NRTL-SAC模型筛选溶剂体系，并添加抗坏血酸等抗氧化剂防止氧化降解。

细菌源类胡萝卜素作为高价值天然产物，在食品、医药和化妆品领域具有广阔应用前景，未来通过多学科技术整合有望实现规模化工业生产。