《Systems Microbiology and Biomanufacturing》：From agro-industrial waste to microbial pigments: advances in production substrates and extraction technologies
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微生物色素作为合成染料的可持续替代品正日益受到关注，后者常伴随环境负面影响及潜在健康风险。细菌、真菌及酵母等广谱微生物均可合成具有工业价值的色素。尽管潜力显著，大规模生产仍面临培养成本尤其是提取环节的挑战——传统提取依赖有机溶剂，存在得率低、可持续性受限等问题
微生物色素作为合成染料的可持续替代品正日益受到关注，后者常伴随环境负面影响及潜在健康风险。细菌、真菌及酵母等广谱微生物均可合成具有工业价值的色素。尽管潜力显著，大规模生产仍面临培养成本尤其是提取环节的挑战——传统提取依赖有机溶剂，存在得率低、可持续性受限等问题。在此背景下，将农工业废弃物用作微生物生长及色素生物合成的营养替代源，成为极具前景的可持续增值策略，有助于降低生产成本、减轻环境影响并强化循环生物经济。然而，微生物色素回收仍是技术瓶颈：多数色素为胞内形式或与细胞结构结合，导致提取纯化困难，制约工业化可行性。为突破上述限制，近期研究聚焦于优化提取技术以提升得率、纯度及可持续性。本综述系统阐述了主要微生物色素及其生产菌株，凸显农工业废弃物在可持续生产中的潜力，同时整合了提取策略的最新进展，强调兼顾效率、减污与经济可行性的技术路径。综合视角表明，低成本基质与可持续提取技术的结合，为满足食品、化妆品及制药行业对天然着色剂日益增长的需求提供了可行途径。
Introduction
微生物可合成多种工业级分子，包括酶、有机酸、生物燃料、生物表面活性剂、抗菌物质及色素等。合成色素虽因低成本、高产率被各行业广泛应用，但其环境危害显著。微生物色素作为多功能分子，以微生物来源替代石油基合成色素具有重要价值。相较于受气候因素制约的植物源色素，微生物色素可通过调控培养条件实现稳定生产，其合成过程受控于微生物生理状态与营养供给。自19世纪末至今，Monascus属、Pseudomonas属、Rhodotorula属、Serratia属及Streptomyces属等微生物因色素合成能力成为研究热点，推动了对代谢机制、培养及提取工艺的深入探索。然而，高昂的生产成本阻碍了微生物色素对合成染料的替代，利用农工业废弃物合成高附加值分子可有效缓解该问题，同时降低污染物负荷并实现资源回收。下游提取环节中，细胞裂解是胞内代谢产物释放的首要步骤，化学法通过改变细胞壁通透性促进周质产物渗出，但传统方法存在有机试剂消耗大、提取率低等缺陷。色素来源（真菌或细菌）、细胞壁组成及胞内/胞外分布差异直接影响提取方法的选择。近年来，基于绿色低污染的可持续提取技术逐步发展，旨在减少或替代有害化学物质的使用。本文聚焦农工业废弃物基质应用与提取方法优化两大核心要素，探讨微生物色素生产的可行性，强调通过替代碳源降低生产过程的环境影响，提升工艺可持续性与经济可行性。
Pigment-producing microorganisms
微生物可合成多样化的色素，包括β-胡萝卜素、虾青素、玉米黄质、角黄素等类胡萝卜素，以及绿脓菌素、红曲色素、灵杆菌素、黑色素等（表1）。类胡萝卜素是研究最广泛的生物活性化合物群，食品、化妆品及制药行业对天然着色剂的需求驱动其市场规模预计于2030年达到52.213亿美元。该类色素呈黄色至红色，属脂溶性，按结构可分为胡萝卜素及其含氧衍生物叶黄素两类，基本骨架由8个异戊二烯单元反向连接构成，通过氢化、脱氢、环化、氧化等修饰形成C40H56衍生产物。产类胡萝卜素微生物涵盖细菌（如Kocuria属、Arthrobacter属）、酵母（如Rhodotorula mucilaginosa、Rhodotorula gutinis）、丝状真菌（如Blakeslea trispora）及微藻（如Haematococcus属、Dunaliella属）。
绿脓菌素（Pyocyanin）是Pseudomonas aeruginosa产生的蓝绿色胞外色素，约90%~95%菌株可合成该物质，传统认知中其为毒力因子，现因其天然可降解特性及可通过低成本基质高效生产、提取简便等优势，在传感器、农业、抗癌药物及食品领域展现出商业化潜力。
红曲色素由Monascus属菌株合成，包含红色（红曲玉红素、梦那玉红素）、橙色（红曲素、梦那红曲素）及黄色（安卡黄素、红曲黄素）三类，色调受培养条件调控。该真菌属子囊菌门，兼具呼吸与发酵代谢，所产色素除着色功能外，还具有抗氧化、抗炎、抗癌等生物活性，在肝、前列腺、乳腺、神经、血液及皮肤组织保护方面表现出应用潜力。
灵杆菌素（Prodigiosin）为三吡咯结构次生代谢产物，化学式C20H25N3O，积累于革兰氏阳性及阴性细菌的细胞膜与胞内颗粒中，具有促凋亡、抗肿瘤、抗菌、抗寄生虫、杀虫及免疫调节等多重生物活性，主要生产菌株为Serratia marcescens，但其哺乳动物致病性限制了工业应用。
黑色素由酚类或吲哚类分子氧化聚合生成，广泛存在于Bacillus属、Klebsiella属、Pseudomonas属、Streptomyces属等细菌及Cryptococcus属、Aspergillus属、Cryomyces属等真菌中，根据聚合途径、结构单元及酶系差异可分为真黑素、吡咯黑素、褐黑素等。其在生物技术、环境与医药领域应用广泛，兼具抗革兰氏阳性/阴性菌、抗炎、抗氧化、抗癌、神经保护及光保护等功能。
Agro-industrial residues as substrates for the production of microbial pigments
农工业废弃物作为微生物生长与色素合成的替代基质正受到广泛关注。传统微生物色素生产多采用合成培养基，虽能保证实验重现性，但酵母提取物、蛋白胨、葡萄糖等高纯度组分导致发酵成本居高不下，制约规模化应用。相比之下，农工业废弃物可降低生产成本并实现废物增值，契合循环生物经济理念。
Chemical composition of agro-industrial residues
果蔬皮、甘蔗渣、秸秆等废弃物富含碳水化合物、多酚、蛋白质等营养物质，其化学多样性既影响微生物筛选，也决定色素合成类型。碳源是微生物代谢与色素合成的核心，简单糖类易被同化，复杂多糖则需水解后利用；氮源参与蛋白质及含氮色素合成，适量供应可提升产量与多样性；铁、钾、镁、钙、磷等矿物质作为酶辅因子，调控代谢通路、色素合成及细胞膜通透性。深入理解废弃物化学组成是优化培养基、开发可持续生产工艺的基础。
Lignocellulosic residues
木质纤维素类废弃物占农工业残渣的主体，主要成分为纤维素、半纤维素及木质素，碳源丰富但氮素与矿物质含量较低。发酵过程中，木质纤维素降解微生物可将其水解为可发酵糖，作为色素合成前体。预处理可提高碳水化合物可及性，配合外源氮源补充可显著提升代谢产物产量。
Fruit and vegetable residues
果蔬加工副产物（如果皮、果肉）富含碳水化合物、淀粉、纤维素、氮素及矿物质，兼具保湿性能，是固态发酵生产类胡萝卜素的理想基质。
Dairy residues
乳品加工业每年产生数百万吨乳清，其高化学需氧量（COD）与生化需氧量（BOD）构成环境污染风险。乳清含4.5%~5.0%乳糖及蛋白质，经β-半乳糖苷酶水解后可支持色素发酵，同时含有氮、磷、油脂及无机盐，为微生物提供全面营养。生物发酵或厌氧消化等生物法处理乳清，较传统物理化学法更具可持续性，可实现高值化转化。
Protein residues and animal by-products
高蛋白废弃物可显著提升色素产量：甲壳素作为碳源可优化Serratia marcescens的灵杆菌素合成；鱼类加工副产物含75%蛋白质与10%脂质，其降解产物为类胡萝卜素合成提供前体。这类废弃物的营养复杂性不仅满足微生物代谢需求，还可作为生物合成信号触发因子，提高天然色素生产效率。
Microbial conversion of agro-industrial residues into pigments
Carotenoid production
类胡萝卜素主要由丝状真菌、酵母、部分细菌及藻类合成。红酵母属（Rhodotorula）因菌落呈黄至红色、生长速度快（25~37℃下24~48 h可见菌落），成为研究热点。蔗糖与葡萄糖是最常用碳源，培养pH变化常与酵母代谢及类胡萝卜素合成相关，且最佳产色素条件未必与最优生长条件重合。多项研究证实，剑麻渣、甘蔗糖蜜、生物柴油副产物甘油、木薯废水等废弃物可作为低成本碳源：Rhodotorula glutinis利用葡萄渣产β-胡萝卜素达5988.6 mg/L，橙皮水解液产370.0 mg/L；R. toruloides利用不可食用果蔬水解液合成β-胡萝卜素、圆酵母红素及圆酵母红曲素，总得率62 mg/L。微藻培养方面，海水淡化副产物卤水可用于培养耐高盐的Dunaliella salina积累β-胡萝卜素；南瓜、木瓜及橙皮废弃物培养Chlorella sorokiniana的类胡萝卜素生产力达9.18 mg/L。海洋光合细菌Erythrobacter citreus以鱼油废弃物为基质产类胡萝卜素约1.3 mg/L；嗜冷菌Arthrobacter agilis在乳清培养基中合成稀有C50类胡萝卜素菌红素及其衍生物，最高得率5.13 mg/L。
Pyocyanin production
绿脓菌素合成受pH、温度、通气量及营养供给调控。King A培养基是常规检测与生产基础，添加谷氨酰胺可促进吩嗪环合成。低成本基质研究显示，棉籽粕培养基较合成培养基成本显著降低；麦芽渣可使绿脓菌素浓度较对照提升约70%（21~58 μg/mL）；香蕉皮与土豆皮抑制菌体生长，而陈面包与土豆加工废水经NaCl补强后产量提升1.3~7.9倍，达5.2 mg/L；糖蜜与乳清复合培养基产量为3 mg/L。
Monascus pigment production
红曲色素生产主要采用固态发酵（SSF）与液态发酵（LSF），碳氮源比例、pH及温度显著影响代谢。甘蔗渣作为碳源可保障红色素生产稳定性；大麦粒水解液、水稻秸秆水解液、玉米麸皮等木质纤维素与淀粉类废弃物均适用于红曲色素液态发酵；米糠经甘露醇补强后色价最高达3538 U/g；甘蔗渣半纤维素水解液培养Monascus ruber的黄色、橙色及红色素吸光度分别达13.1 AU、11.87 AU及11.32 AU；乳清培养基中Monascus purpureus红色素产量为38.4 AU；乳品污泥培养Monascus purpureus可产4.85 g干色素，且橘霉素含量可控。
Prodigiosin production
除Serratia marcescens外，Pseudoalteromonas rubra、Vibrio属、Janthinobacterium属、P. putida、Hahella chejuensis、Streptomyces coelicolor等亦可合成灵杆菌素。小麦麸皮、米糠、橙皮粉等农业废弃物中，小麦麸皮对Serratia nematodiphila的灵杆菌素合成效率最高，达387 mg/L，酪氨酸补料可进一步提升产量；水稻秸秆结合脱脂花生饼使Serratia marcescens产率提升1.9倍；海洋甲壳素废弃物在15 L生物反应器中产量达6.2 g/L，添加0.02% K2SO4与0.05% K2HPO4可显著增效；羽毛废弃物与废煎炸花生油复合培养基产量达9.66 g/L。
Melanin production
酪氨酸虽可提升酪氨酸酶、漆酶及4-HPPD酶活性，但成本较高。Streptomyces属凭借纤维素酶、木质素过氧化物酶及漆酶体系可降解木质纤维素。胡萝卜皮废弃物培养Aureobasidium pullulans的胞内与胞外黑色素生产力分别为2.23 g/L与1.83 g/L；甜瓜与西瓜皮培养基产量分别为0.29 g/L与0.78 g/L，而乳清与糖蜜产量低于0.03 g/L；Pseudomonas koreensis利用糖蜜产黑色素达5.5 g/L；Aspergillus nidulans在含0.81%（v/v）酒精废液与1.62%（w/v）葡萄糖的培养基中总黑色素产量达1 g/L，但糖蜜与酒精废液浓度过高会抑制合成。
Extraction strategies for microbial pigments
微生物色素回收是下游工艺的关键，传统方法存在溶剂毒性高、提取率低等问题，需根据色素来源（真菌/细菌）及胞内/胞外分布选择适宜技术（表3）。
Conventional extraction techniques
传统提取多采用化学溶剂结合细胞研磨、超声、离心及温控预处理。二甲基亚砜（DMSO）对类胡萝卜素亲和力高，Nannochloropsis biomass中类胡萝卜素回收率近100%。非极性溶剂（己烷、石油醚、四氢呋喃）适用于非极性类胡萝卜素，极性溶剂（乙醇、丙酮、乙酸乙酯）则针对极性类胡萝卜素，但胞内色素仍需配合高效细胞壁破碎工艺。
Cell disruption and pre-treatment methods
胞内色素回收需经 biomass-上清分离、细胞裂解及色素溶出步骤。革兰氏阴性菌可采用超声或冻融循环裂解，革兰氏阳性菌及酵母因细胞壁结构致密需更强处理。高压匀浆可使微藻生物质类胡萝卜素提取率达98%~100%；超声与微波辅助处理可提升提取效率，但溶剂与物料比会影响声能分散与超声强度；珠磨与超声等机械法虽效率高、易放大，但选择性差，可能影响色素纯度。
Enzyme-assisted extraction
酶解辅助提取较机械或化学法更温和，尤其适用于酵母细胞壁降解。蛋白酶与β-葡聚糖酶可协同破坏酵母细胞壁，如Trichoderma harzianum来源的β-1,3-葡聚糖酶可实现Xanthophyllomyces dendrorhous中虾青素的完全提取，优于DMSO与丙酮传统法，但酶成本高限制了其工业规模化应用。
Sustainable technologies for microbial pigment extraction
离子液体（ILs）具低可燃性、高溶解能力及阴阳离子可调特性，可高效裂解酵母细胞壁，实现Rhodotorula glutinis中β-胡萝卜素、圆酵母红素及圆酵母红曲素的高效回收。超临界流体萃取在临界点以上操作，兼具气体渗透性与液体溶解能力，已成功用于Haematococcus pluvialis中虾青素提取。高压辅助提取通过高压匀浆促进细胞破裂，脉冲电场（PEF）通过膜电穿孔释放胞内成分。联合工艺研究显示，离子液体、HCl与高压微流化组合可使虾青素回收率超过80%。
Specific methods for microbial pigment extraction
Carotenoids
类胡萝卜素多为疏水性胞内色素，需有机溶剂结合细胞破碎。丙酮经玻璃珠机械破碎后广泛用于酵母类胡萝卜素提取；甲醇-丙酮体系联合超声可提升细菌系统回收率；DMSO预处理结合丙酮-石油醚可实现有机相选择性分离。球磨、超声、高压匀浆等机械法通过增强细胞壁通透性与传质提升回收率，皂化预处理可去除酯化类胡萝卜素以优化色谱检测，但条件不当易导致色素降解。
Pyocyanin
绿脓菌素提取主要基于氯仿液液萃取，利用其在碱性条件下溶于有机相（蓝色）、酸性条件下转入水相（红色）的特性实现纯化。常规流程包括离心、过滤、溶剂分配及色谱纯化，盐酸酸化可促进相转移，硅胶柱层析可提升纯度。二氯甲烷、乙酸乙酯及离子液体作为氯仿替代溶剂，可降低环境负荷，黏土吸附等新分离策略亦在探索中。
Monascus pigments
红曲色素多用乙醇提取，溶剂浓度、提取时间、温度及固液比显著影响得率与稳定性。70%~75%乙醇加热（约60℃）避光提取可同时回收胞内与胞外色素；生物质经乙醇振荡或加热处理后分离上清，发酵液经离心或稀释可定量胞外色素。氯仿-乙酸乙酯-甲醇等极性梯度序贯提取可分离不同色素组分，发酵液液液萃取则适用于胞外色素回收。
Prodigiosin
灵杆菌素疏水性强，常用甲醇、氯仿或丙酮结合酸化提取。酸化甲醇联合超声可有效溶解胞内色素，溶剂蒸发后经硅胶柱层析纯化。氯仿液液萃取可将色素选择性分配至有机相；水两相系统（聚合物-聚合物或聚合物-盐组合）通过调控pH、温度及相比，可实现单步高回收率与高纯度提取，兼具效率与可持续性优势。
Melanin
黑色素难溶于多数有机溶剂，提取遵循“碱溶酸沉”原理。胞外黑色素可直接酸化发酵上清获得，胞内黑色素需经NaOH提取后HCl沉淀。超声与微波辅助处理通过增强细胞破碎与传质提升产量；四丁基氢氧化铵等替代溶剂较传统碱法具有更优的溶解与回收性能。
Economic viability, applications, and market potential of microbial pigments
废弃物增值策略可同步减少废物堆积并实现高值产物合成，契合循环生物经济原则。全球天然着色剂市场持续增长，生物色素（含微生物来源）2025年估值约35亿美元，预计2034年达62亿美元，年复合增长率（CAGR）6.3%；微生物发酵色素细分市场增长更快，预计2025年11.1亿美元增至2032年22.6亿美元，CAGR达10.7%，主要受食品、化妆品行业清洁标签需求驱动。微生物色素兼具着色与生物活性：类胡萝卜素具抗氧化、抗炎、免疫调节、抗癌及心脑血管保护作用；绿脓菌素具抗氧化、抗菌、抗癌及抗退行性病变活性；红曲色素除传统着色功能外，还表现出保肝、抗氧化及抗癌效应；灵杆菌素拥有抗菌、抗真菌、抑藻、抗原虫及抗病毒广谱活性；黑色素可用于有机电子器件、抗氧化剂、抗炎剂及光保护剂，其与香芹酚复合薄膜已实现绿色食品包装商业化。提取效率、工艺稳定性及规模化水平直接决定经济竞争力，先进发酵与工艺优化技术正逐步降低成本。监管层面，欧盟（Regulation (EC) No 1333/2008）、美国（FDA）、巴西（ANVISA RDC No. 778/2023）等均建立了严格的色素审批体系，Blakeslea trispora产β-胡萝卜素、Dunaliella salina产β-胡萝卜素、Penicillium oxalicum产Arpink Red、Xanthophyllomyces dendrorhous产虾青素等已获批准应用，新型色素需通过“新食品”评估后方可上市，这为微生物色素的安全应用提供了制度保障。
Conclusions and future perspectives
微生物色素产业正处于快速扩张期，但提取环节对有毒有机溶剂的依赖仍制约其可持续性与产品安全性。开发绿色高效提取技术对维持色素化学完整性与功能性、拓展其在食品、化妆品及制药领域的应用至关重要。农工业废弃物基质的应用实现了低值副产物向高值色素的转化，兼具降本、替塑、清洁生产多重效益，契合循环生物经济理念。未来需突破绿色提取工艺优化、色素稳定性提升、有害代谢物脱除及终产品安全评价等技术瓶颈，通过经济、环境与社会效益的协同，推动微生物色素的工业化创新与应用。
