《Sustainable Food Technology》：Red yeast-derived dietary carotenoids: biotechnological production, green recovery, bioavailability and applications in functional food systemsOpen Access
微生物类胡萝卜素因其强大的生物活性及其对人类健康的潜在有益作用，目前正处于科学研究的前沿。在各类产类胡萝卜素菌株中，红酵母，尤其是红冬孢酵母属（*Rhodotorula*）的物种，已成为生产膳食类胡萝卜素（如β-胡萝卜素、番茄红素、圆酵母素和圆酵母红素）的有前景的微生物平台。这些色素不仅因其鲜艳的色彩而闻名，还因其众多生物活性和促进健康的特性而被认可，可作为新型及功能性食品系统中的活性成分。本综述全面概述了红酵母类胡萝卜素的当前研究，涵盖从其合成到回收、在人体胃肠道中的代谢归宿，直至近期创新的食品应用。此外，还批判性讨论了临床前研究及将其用作新型食品配方中活性成分的监管框架。生物技术生产的类胡萝卜素已进入市场；然而，红酵母类胡萝卜素仍受制于其高昂的生产成本。需要更多研究来优化现有实验室工艺，并实现实验室成果向中试及工业规模的转化，以降低生产成本。另一个不足之处在于对其合成异构体的研究相对较少，而这类异构体极大地影响其后续的生物可及性和生物可利用性。封装被认为是其在人体胃肠道中高效递送的战略性解决方案；然而，仍需开展临床前和临床研究，以充分释放这些类胡萝卜素在功能性食品中的潜力。
**1. 引言**
类胡萝卜素是一大类由光合及非光合生物天然合成的亲脂性色素，其生物学特性（尤其是抗氧化活性及部分类胡萝卜素的维生素A前体功能）引起了食品、饲料、化妆品和制药行业的广泛关注。全球类胡萝卜素市场预计将大幅扩张，到2027年预计增长至约27亿美元。传统来源包括植物和藻类，合成制造也早已建立，但天然来源受季节和生长周期限制，藻类培养则有生长慢、易污染、对环境敏感等问题，合成类胡萝卜素则存在环境和监管争议。消费者对清洁标签产品的偏好促使天然成分需求增加。
红酵母是能高积累胞内类胡萝卜素和脂质的异源酵母群，主要属包括 *Rhodotorula*、*Rhodosporidium*、*Phaffia*、*Sporobolomyces* 和 *Sporidiobolus*。主要合成的类胡萝卜素包括β-胡萝卜素、圆酵母素和圆酵母红素（主要来自 *Rhodotorula*、*Rhodosporidium* 等属），以及虾青素（来自 *Phaffia*），也有番茄红素和γ-胡萝卜素的报道。其合成被认为是对UV辐射诱导氧化应激的响应机制。
红酵母具有生长快、能利用多种碳源（包括可再生资源）、耐受环境胁迫以及能合成多种类胡萝卜素等关键特性。其中圆酵母素和圆酵母红素因鲜艳色泽及高抗氧化、抗炎和抗菌活性而备受关注，其功效据报道超过β-胡萝卜素。因此，红酵母已成为合成膳食类胡萝卜素的稳健、可扩展且多功能的微生物平台，在功能性食品、化妆品、药品和营养保健品中具有应用潜力。虽然已有综述聚焦特定菌株或生物过程优化，但将发酵策略与下游处理、递送系统、功能性食品应用及监管框架相关联的综合评估仍然有限，本综述旨在填补这一空白。
**2. 文献检索**
本综述采用结构化叙述性批判综述形式，检索了2015–2026年间Scopus、Web of Science和Google Scholar数据库中的同行评审英文文献，关键词包括“red yeasts”、“red yeast carotenoids”及与“bioavailability”、“bioaccessibility”、“health effects”、“applications”、“regulatory framework”和“toxicity”的组合。
**3. 类胡萝卜素的结构**
类胡萝卜素是四萜类次级代谢产物，由八个异戊二烯单元构成含40个碳的骨架，其长多烯链含有3–15个共轭双键，产生离域π电子，这一特征显著贡献了抗氧化性能，并与光学颜色（黄、橙、红）相关。类胡萝卜素分为两大类：胡萝卜素（纯烃类）和叶黄素（含氧官能团）。番茄红素和β-胡萝卜素是典型胡萝卜素，叶黄素和虾青素是典型叶黄素。也可按端基结构分为环状（如β-胡萝卜素）和无环状（如番茄红素）。
**4. 红酵母来源的膳食类胡萝卜素**
**4.1 β-胡萝卜素、番茄红素和虾青素**
β-胡萝卜素具有长共轭多烯链，呈橙色。欧洲食品安全局（EFSA）已批准其作为食品着色剂和营养配料，并授权使用来自 *Dunaliella salina* 和 *Blakeslea trispora* 的生物技术β-胡萝卜素。红酵母多个属也能合成大量β-胡萝卜素。番茄红素是无环类胡萝卜素，具有11个共轭双键，呈深红色，天然存在于番茄、西瓜等，也可由微生物（商业化菌株 *B. trispora*）合成。近期研究表明 *R. kratochvilovae* 可在无合成抑制剂条件下高产番茄红素。番茄红素被WHO和FAO认定为A类营养素，在食品饮料、膳食补充剂和化妆品中应用广泛。虾青素是一种红色-橙色叶黄素，主要由微藻 *Haematococcus pluvialis* 和酵母 *P. rhodozyma* 等产生，虽无维生素A活性，但是自然界最强的抗氧化剂之一。
**4.2 “不寻常”的类胡萝卜素：圆酵母素和圆酵母红素**
圆酵母素属于胡萝卜素，含β-紫罗兰酮环连接多烯链；圆酵母红素是叶黄素，由圆酵母素经羟基化和氧化生成。颜色从淡粉到玫瑰红随浓度变化。*Rhodotorula*、*Sporidiobolus* 和 *Sporobolomyces* 是主要生产者。研究证实它们具有高抗氧化和促进健康的特性，圆酵母素还被证明是维生素A前体，促进胞内抗氧化酶表达。
**5. 类胡萝卜素的生物技术生产**
**5.1 红酵母类胡萝卜素的上游工艺**
红酵母具有优异的生长速率，可在较短时间内达到高细胞密度，单细胞特性促进快速营养摄取和新陈代谢。最大化类胡萝卜素生产需优化物理参数、营养因素和培养技术。碳源显著影响生物量和类胡萝卜素产量，碳氮比（C/N）调节生长与次级代谢产物之间的代谢平衡。有机氮源通常比无机氮源更有利于色素生产。金属离子可通过诱导氧化应激刺激类胡萝卜素合成。温度方面，多数物种在25–30 °C达到最佳生长和色素积累。pH方面，多数红酵母偏好微酸性（pH 5.0–6.0），酸性条件可作为温和应激因子刺激合成。类胡萝卜素生成是需氧过程，曝气和搅拌影响氧传递速率，但过度搅拌会产生剪切应力并增加热负荷。磁场和光照也能调节类胡萝卜素生成，磁场通过电激活酶系统和增强跨膜营养流发挥作用，光照由光受体感知并触发类胡萝卜素生物合成基因的转录。表1总结了不同菌株和工艺条件下的最新研究成果。红酵母在代谢工程方面也具潜力，可通过过表达限速酶、破坏竞争途径和增强前体供应来提高产量。
**5.1.2 代谢途径**
红酵母类胡萝卜素生物合成始于乙酰-CoA缩合形成HMG-CoA，随后还原为甲羟戊酸（MVA），经磷酸化和脱羧转化为异戊烯基焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）。三个IPP分子与一个DMAPP分子头尾缩合形成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP，C20）。类胡萝卜素合成的第一个限速步骤是两分子GGPP尾尾缩合，由八氢番茄红素合酶（crtB）催化生成无色的八氢番茄红素。随后八氢番茄红素脱氢酶（crtI）引入四个双键形成番茄红素。番茄红素是关键分支点，其环化（crtYB）产生β-胡萝卜素。在 *P. rhodozyma* 中，β-胡萝卜素进一步转化为虾青素；而在 *Rhodotorula* 和 *Sporobolomyces* 中，γ-胡萝卜素分支生成圆酵母素，再氧化为圆酵母红素。
**5.1.3 利用可再生资源生产类胡萝卜素**
红酵母能利用多种廉价可再生底物，包括农工业废弃物（甘蔗渣、果蔬废料）、木质纤维素水解液、糖蜜和废水等（表1）。这种底物灵活性不仅改善过程经济性，还通过将废物转化为有价值产品，符合循环经济原则和微生物生物精炼概念。
**5.2 红酵母类胡萝卜素的下游工艺**
下游处理包括分离、浓缩和纯化等单元操作。大多数微生物类胡萝卜素胞内合成并储存在脂滴中，需破坏细胞壁释放色素。类胡萝卜素热不稳定，对光、pH和氧敏感。传统提取采用机械/物理方法（研磨、珠磨、超声等）和化学法（溶剂）。固液萃取（SLE）常用丙酮、甲醇、DMSO等挥发性有机溶剂（VOCs），其来源于不可再生资源且有毒性，可能导致监管障碍和色素降解。
**5.2.2 可持续提取**
绿色溶剂平台包括生物溶剂、超临界CO
2、离子液体（ILs）和深共熔溶剂（DESs）等。这些体系毒性低、可生物降解、不易燃、操作安全且选择性高，有些可同时实现细胞破碎和提取（表2）。生物溶剂（乙醇、乙酸乙酯、异丙醇）是石油基溶剂的低毒环保替代品。DESs和天然深共熔溶剂（NADESs）性能可调、易制备、成本低、可回收，并可在提取中提高选择性和色素稳定性。超临界CO
2萃取无毒性残留、CO
2惰性可回收且高选择性，但成本和设备要求仍是规模化限制因素。下游过程产生的残留物可从循环经济角度加以利用：溶剂可回收再利用；类胡萝卜素提取后的微生物生物质富含蛋白质（酵母蛋白含量30–50%），可作为氮源发酵底物，或通过厌氧消化和热化学转化产生可再生能源（氢气和甲烷）。例如Mussagy等人利用虾青素提取后的 *P. rhodozyma* 残渣进行产甲烷，估算年发电量86.88 kWh和可回收热225,774.95 kcal。Damergi等人从 *Chlorella vulgaris* 提取类胡萝卜素后，残余生物质高热值（HHV）达18.1 MJ kg
?1（MTHF提取后）。因此脱类胡萝卜素生物质可作为能源资源，而非废物流。
**6. 技术经济分析和生命周期评估**
技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）是评估生物加工方案经济可行性和环境绩效的关键工具。目前针对红酵母类胡萝卜素的TEA和LCA研究仍然稀少。?ovljanski等人评估了多种农工业废弃物用于 *R. mucilaginosa* 合成类胡萝卜素的可行性，发现豌豆蛋白分离物、鸡毛和乳清等富蛋白底物具有最高可持续性得分，但作者认为未处理葡萄渣和粗甘油因原料成本低且丰富而更具规模化潜力。Mussagy等人对 *P. rhodozyma* 的类胡萝卜素（虾青素和β-胡萝卜素）进行了TEA和LCA，发现乙醇提取在环境方面优于胆碱类ILs，但无论哪种溶剂，整个过程成本都远高于合成虾青素和微藻 *H. pluvialis* 来源的天然虾青素。研究指出，使用可再生资源可将生产成本降低50–60%（工业规模优化条件下），但红酵母类胡萝卜素复杂的下游纯化方案成本是否能被废物流的优势抵消仍不清楚。该领域存在重要研究空白。
**7. 生物活性和促进健康的作用**
**7.1 抗氧化和抗炎作用**
类胡萝卜素具有强抗氧化活性。其结构中的长共轭双键链可中和自由基，中断脂质、蛋白质和DNA的氧化链式反应。环状端基（如β-胡萝卜素、虾青素）通过离域未配对电子更有效稳定自由基；含氧官能团（叶黄素）增加极性，促进与膜极性区域相互作用，并通过氢键稳定自由基。Sereti等人报道 *R. kratochvilovae* 生物技术产生的番茄红素IC
50为0.89 mg mL
?1。抗炎作用方面，β-胡萝卜素在人结肠上皮细胞中通过抑制TLR4和NF-κB p65活化、降低IL-6、IL-1β和TNF-α释放来减轻LPS诱导的炎症。虾青素通过抑制NF-κB、MAPK、COX-2和IL-6信号并激活Nrf2和HO-1来发挥抗炎活性；临床证据显示每日12 mg虾青素显著降低社区获得性肺炎患者的IL-6和TNF-α。番茄红素与心血管疾病、肥胖和2型糖尿病炎症减轻相关。圆酵母素和圆酵母红素在细胞和临床前模型中显示出抑制自由基产生和减弱炎症信号的能力。
**7.2 对眼睛健康和心血管健康的影响**
具有维生素A活性的类胡萝卜素（含至少一个β-紫罗兰酮环）有助于预防年龄相关性黄斑变性（AMD），通过吸收光、中和自由基和减少视网膜脂质过氧化。类胡萝卜素通过抗氧化作用防止低密度脂蛋白（LDL）氧化，降低动脉粥样硬化斑块形成风险和心肌梗死、中风等心血管疾病。一些类胡萝卜素还改善内皮功能、促进血管舒张、降低动脉硬度。证据表明类胡萝卜素摄入可降低2型糖尿病风险，改善胰岛素敏感性和β细胞功能。微生物类胡萝卜素还显示神经保护潜力，可中和中枢神经系统自由基、减少神经元死亡和神经毒性细胞因子释放。在癌症预防中，类胡萝卜素保护DNA免受氧化损伤，降低驱动细胞转化的突变风险，*Rhodotorula* 物种类胡萝卜素已在体内研究中显示肿瘤抑制效果。
**7.3 可能的毒性作用**
微生物类胡萝卜素的纯度、化学形态和残留污染（溶剂或发酵副产物）可能带来风险。来自 *Rhodotorula mucilaginosa* 的色素在细胞毒性研究中表现出剂量依赖性细胞毒性，低浓度安全而高剂量可能有害。Ramírez-Martínez等人发现 *Rhodotorula* sp. 类胡萝卜素-脂质提取物在浓度高达30%（v/v）时对人成纤维细胞无细胞毒性。此外，亲脂性类胡萝卜素可能在脂肪组织或细胞膜中生物蓄积，长期使用可能改变细胞功能、干扰氧化还原平衡或激素途径，需要药代动力学和组织分布研究。
**8. 红酵母类胡萝卜素的生物可及性和生物可利用性——当前知识与挑战**
生物可及性（bioaccessibility）指摄入物质从食物基质释放并溶解于胃肠液后可被吸收的部分；生物可利用性（bioavailability）指消化过程中增溶后经胃肠道吸收并循环递送至细胞和组织的营养物比例。
**8.1 人体摄入及其他营养素对膳食类胡萝卜素生物可及性和生物可利用性的影响**
膳食类胡萝卜素的吸收遵循亲脂性化合物的路径。首先从食物基质释放，咀嚼和消化促进这一过程。食物基质类型是生物可及性的第一道“屏障”，加工或泥状产品可增强吸收，生物技术来源的类胡萝卜素相对植物组织更具优势。释放后，类胡萝卜素溶于脂相并在胃和十二指肠乳化形成混合胶束，胶束化是关键步骤，受膳食脂肪、纤维和其他营养素影响。乳化液滴大小也调节分配。膜蛋白如清道夫受体B类1型（SR-B1）、分化簇36（CD36）和NPC1L1参与肠细胞摄取。肠细胞内，维生素A原类胡萝卜素（如β-胡萝卜素）可能被β-胡萝卜素加氧酶1（BCO1）裂解为视黄醇，其他类胡萝卜素与乳糜微粒结合经淋巴运输。肝脏是主要吸收和储存器官。类胡萝卜素之间以及与其他脂溶性化合物存在竞争。宿主遗传和表观遗传因素、年龄、肠道健康和药物也影响吸收。
**8.1.1 脂质的影响**
膳食脂质通常有益于类胡萝卜素吸收。脂肪摄入减缓胃排空，增加胶束形成时间。长链脂肪酸相比中链脂肪酸促进β-胡萝卜素生物可利用性，不饱和脂肪酸比饱和脂肪酸更能增强胶束化。Mashurabad等人发现橄榄油、大豆油和葵花籽油使类胡萝卜素胶束化提高2–3倍（相比棕榈油和椰子油），番茄红素受影响最大。液滴尺寸减小（如乳液形式）也增强生物可及性。
**8.1.2 膳食纤维的影响**
膳食纤维通过阻碍类胡萝卜素从食物基质释放、增加消化液粘度或与胆汁盐和脂肪酶相互作用而产生双重效应。果胶尤其低酯化度（DM）果胶通常有害。食品加工技术改变果胶DM和分子量（MW），影响生物可及性。Hu等人发现高压处理芒果饮料在MW和粘度低于20 × 10
5 g mol
?1时可改善类胡萝卜素生物可及性。
**8.1.3 蛋白质的影响**
蛋白质对生物可及性的影响取决于蛋白质类型、消化性和类胡萝卜素极性。乳蛋白（酪蛋白和乳清蛋白浓缩物）通过乳化特性或影响消化酶增强β-胡萝卜素生物可及性。
**8.1.4 矿物质的影响**
矿物质尤其是二价离子剂量依赖性地降低类胡萝卜素生物可及性。钙与番茄红素共摄入可使后者生物可利用性降低84%。
**8.1.5 异构体类型的影响**
类胡萝卜素的立体构型强烈影响生物可利用性。番茄红素的顺式异构体因溶解度和胶束形成倾向更高而更易吸收。β-胡萝卜素有约300种异构体，其中全反式β-胡萝卜素和9-顺式异构体具有营养意义。虾青素存在多种异构构型，自然界中全E酯化形式最丰富，而人体中游离Z异构体占优势（可能经消化吸收后转化）。当前文献大多未分析红酵母产生的具体异构体，这是重要空白。Wang等人报道 *B. trispora* 产生的番茄红素中顺式异构体约占总量的35%（使用2-异丙基咪唑作为抑制剂）。关于圆酵母素异构体，仅Shi等人分析了 *Sporidiobolus pararoseus* 合成的高圆酵母素提取物，鉴定出8种几何异构体，全反式为主，但未报告生物可利用性实验数据。
**8.1.6 类胡萝卜素类型的影响**
多数研究集中于β-胡萝卜素、番茄红素和虾青素的吸收机制。红酵母能合成较罕见的圆酵母素和圆酵母红素。Li等人研究了圆酵母红素在大鼠体内的生物可利用性，发现其进入小肠上皮细胞快于番茄红素和β-胡萝卜素，但肝脏蓄积远低。目前尚无圆酵母素消化率的研究。
**8.2 增强生物可及性的策略**
封装是最有前景的方法之一。封装包括微囊化和纳米囊化。微囊化技术如喷雾干燥、冷冻干燥、微乳液和脂质体已用于红酵母类胡萝卜素。Mattos等人将 *R. mucilaginosa* 类胡萝卜素提取物掺入食品级脂质体（大豆卵磷脂），但脂质体在低pH和70 °C下不稳定。Nogueira等人用喷雾干燥和不同载体微囊化 *P. rhodozyma* 提取物，海藻酸钠和黄原胶形成明确微胶囊，包封效率85.7–92.4%，黄原胶胶囊在冷藏避光近一个月后稳定性最佳。Manowattana等人用海藻酸盐珠微囊化 *S. pararoseus* β-胡萝卜素提取物，添加1%维生素C使β-胡萝卜素半衰期延长67%。Chen等人通过微囊化提高虾青素稳定性和水溶性。纳米囊化方面，静电纺丝用于封装 *S. pararoseus* 的圆酵母红素，实现体外肠道模拟系统中的靶向释放，并增加肠道微生物多样性。Li等人研究不同制剂中圆酵母红素的消化率和生物可及性，纳米乳液粉末形式下油消化率100%，生物可及性27%，远高于海藻酸盐胶囊和MCT油溶液。但微/纳米封装类胡萝卜素的细胞毒性研究仍很少，需要体外和体内研究确认安全性。
**9. 在食品产品中的当前应用**
红酵母类胡萝卜素的鲜艳颜色和健康益处引起食品行业兴趣。合成染料的毒性证据导致禁令（如FDA自2025年1月起停用赤藓红（Red No 3））。红酵母类胡萝卜素可作天然食品着色剂和抗氧化剂，且红酵母还能共产富含不饱和脂肪酸（油酸）的脂质。但类胡萝卜素易氧化、亲水基质溶解性差，常需封装。目前针对红酵母提取物的食品应用报道较少。Mussagy等人用 *R. mucilaginosa* 产圆酵母素提取物作为意大利面和纯素蛋黄酱的天然着色剂；De Lima等人用圆酵母红素提取物为食用明胶着色。需要更多食品配方和临床前/临床研究。
**10. 监管框架和消费者接受度**
欧盟方面，食品用类胡萝卜素主要受法规 (EC) No 1333/2008 和 (EU) No 231/2012 管辖，但仅 *B. trispora* 和 *D. salina* 合成的胡萝卜素被批准为食品添加剂。红酵母类胡萝卜素的商业化属于欧盟法规 2015/2283 关于新型食品的范畴，需要EFSA安全评估。红酵母菌种目前未获得EFSA的资格推定安全（QPS）地位。美国FDA已授权 *B. trispora* 来源的β-胡萝卜素用于食品。化妆品法规 (EC) No 1223/2009 允许β-胡萝卜素、叶黄素、番茄红素和虾青素作为化妆品成分。美国仅批准β-胡萝卜素作为化妆品着色剂。目前缺乏针对红酵母类胡萝卜素的适当监管框架，需要全面评估菌株特性、生产过程、产品组成、制造一致性和潜在污染物，以及急慢性毒性、生物蓄积和遗传毒性数据。消费者接受度方面，虽然没有针对微生物类胡萝卜素强化食品的消费者研究，但消费者对天然产品普遍持积极态度，并愿意为天然化合物强化的食品支付更高价格。功能食品中类胡萝卜素在颜色强度合适时可增强视觉吸引力，但长期接受度取决于消费者偏好和循证安全评估。
**11. 结论和未来展望**
红酵母已成为生产多效健康益处类胡萝卜素的有前景的微生物平台，特别是能合成具有强生物活性的圆酵母素和圆酵母红素。未来研究应优先通过菌株选择和培养基优化来优化合成，并明确UV照射等变量的影响。需要放大研究证明工业规模可重复性。虽然超临界CO
2和深共熔溶剂等绿色方法在回收率上有前景，但仍需技术经济分析和生命周期评估展示实际财务可行性和环境影响。另一个障碍是对红酵母合成特定异构体的认知有限，异构体谱识别对确定食品应用至关重要。多组分提取物的协同相互作用也需在生物活性和毒理学方面研究。总体而言，红酵母类胡萝卜素处于生物技术、营养和可持续性的交汇点，需要技术创新、深入生物学见解和全面安全评估，以有效且安全地进入市场。
