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为解决合成类胡萝卜素的安全与活性问题，研究人员以紫色光合细菌（PPB）为对象，探究不同光条件对其类胡萝卜素谱的影响。发现低光及红外光可提高番茄红素等含量，为优化 PPB 生物质在饲料等领域的应用提供依据。
在动物饲料和营养保健领域，类胡萝卜素作为重要的天然色素和抗氧化剂备受关注。然而，目前全球大部分类胡萝卜素供应依赖合成产品，其安全性和生物活性问题（如全反式 β- 胡萝卜素的潜在风险）引发担忧。天然来源的类胡萝卜素因更安全且功能多样，需求日益增长。紫色光合细菌（PPB）具备光异养生长能力，可利用低成本废弃物基质生产高蛋白质 biomass（约 60%）和类胡萝卜素（如番茄红素），在可持续饲料生产中展现潜力。但以往研究多聚焦总类胡萝卜素含量或光谱推断，缺乏对单个类胡萝卜素在光条件下响应的深入分析，且受限于分析技术（如缺乏标准品、色谱分辨率不足），难以精确解析 PPB 的类胡萝卜素谱。
为填补这一空白，国外研究机构的研究人员开展了相关研究。他们以 PPB 混合培养物为模型，利用高分辨率 UPLC-UV-HRMS 技术，系统分析不同光强度（1.7–33.1 W?m?2）和波长（红外光与蓝、绿、橙光组合）对单个类胡萝卜素（包括番茄红素异构体）的定量影响。研究发现，低光强度和红外光显著促进类胡萝卜素（尤其是番茄红素、3,4 - 二氢罗丹明和罗丹明）的合成，为优化 PPB 在饲料和生物技术中的应用提供了关键数据。该研究成果发表在《Bioresource Technology》。
研究主要采用以下关键技术方法：
- 微板培养系统：定制化微板结合红外 LED 光源，精确控制光强度（0–40 W?m?2）和波长（850 nm/940 nm 红外光，及蓝、绿、橙光组合），并通过光谱仪校准光强分布。
- 高效液相色谱 - 紫外 - 高分辨质谱（UPLC-UV-HRMS）：使用 C30 色谱柱分离类胡萝卜素，结合 APCI 离子源和高分辨质谱（Q-Exactive）定量检测单个色素（如番茄红素、罗丹明），通过保留时间、紫外光谱和质谱数据与标准品比对实现精准鉴定。
- 微生物组分析：利用 16S rRNA 基因扩增子测序（MiSeq 平台）分析不同光条件下 PPB 菌群组成，验证微生物群落对色素合成的影响。
3.1 光强度对微生物生长和色素含量的影响
研究发现，低光强度（1.7–5.7 W?m?2）显著提高番茄红素和细菌叶绿素 a（BChl a）含量。例如，1.7 W?m?2 时番茄红素总含量达 5.1 mg gVS?1，是 33.1 W?m?2 时的 7 倍以上。同时，低光下 LH2:LH1 比值升高，促进光捕获复合体形成，进而增加类胡萝卜素积累。尽管高光强度（如 33.1 W?m?2）提升生物量去除速率，但色素含量显著降低，表明光强度在生长与色素合成间存在权衡。
3.2 光强度对其他类胡萝卜素的影响
除番茄红素外，3,4 - 二氢罗丹明和罗丹明在低光下含量最高（分别为 7.8 mg gVS?1 和 4.8 mg gVS?1），总类胡萝卜素含量较高光条件高 10 倍。结构分析表明，PPB 主要通过 “正常螺旋菌黄素” 生物合成途径生成这些色素，低光诱导的内细胞质膜（ICM）发育是色素积累的关键机制，每 LH2 复合体结合 7–9 个类胡萝卜素分子，直接提升色素储存量。
3.3 光波长对微生物生长和色素的影响
红外光单独照射时类胡萝卜素产量最高，而与其他波长（如蓝、绿光）组合时产量下降。这与细菌叶绿素和类胡萝卜素合成基因的协同调控有关（两者位于同一基因簇），红外光直接刺激 BChl a 合成，进而驱动类胡萝卜素协同表达。值得注意的是，橙光处理诱导螺旋菌黄素等后期代谢产物生成，提示波长可能调控合成通路的分支方向。
3.4 微生物群落分析
光强度显著影响 PPB 菌群组成：高光（33.1 W?m?2）下 PPB 相对丰度达 55%，以红杆菌属（Rhodobacter）、红假单胞菌属（Rhodopseudomonas）和红育菌属（Rubrivivax）为主；低光下丰度降至 35%，但非光合菌群（如拟杆菌门）增加。波长对菌群结构影响较小，Rubrivivax 在各处理中均占主导，表明色素合成差异主要由光条件直接调控，而非菌群组成变化。
结论与讨论
本研究首次通过高分辨 UPLC-UV-HRMS 技术，系统揭示了光强度和波长对 PPB 类胡萝卜素谱的定量影响。低光强度（1.7–5.7 W?m?2）和红外光通过促进 ICM 发育和 LH2 复合体形成，显著提升番茄红素、3,4 - 二氢罗丹明等关键色素的产量，总类胡萝卜素含量可达传统高光条件的 10 倍。这一发现为优化 PPB 培养工艺提供了双重策略：通过调节光环境（如使用红外光源、控制光强），不仅可提高目标类胡萝卜素的含量，还能精准调控其组成（如增加抗氧化活性更强的异构体），满足饲料、保健品等领域对特定功能色素的需求。
此外，研究证实 PPB 混合培养物在废弃物基质上的高效转化能力，结合低光能耗特性，为可持续生产天然类胡萝卜素开辟了新路径。未来可进一步优化菌群组成（如纯培养）和反应器设计（如生物膜系统），提升色素产量并降低生产成本，推动 PPB 在替代蛋白和功能饲料中的商业化应用。
