摘要
番茄红素作为一种高价值类胡萝卜素，具有抗氧化、清除人体自由基、预防心脑血管疾病等生理功能，被广泛应用于食品、药品等领域。目前番茄红素主要来源于天然番茄提取，产能不足导致其市场应用受限。而以合成生物学为代表的生物技术为番茄红素的工业生产带来了曙光。本文基于国内外相关文献资料总结了番茄红素的理化性质、生理功能和生产方法，重点分析了当前利用生物技术生产番茄红素的代谢工程改造策略、发酵和提取方法的最新研究进展，并对目前番茄红素的合成生物学研究现状进行系统梳理，最后对未来生物技术生产番茄红素的研究方向及存在问题提出展望，旨在为番茄红素的生物合成技术研究提供参考。
番茄红素是一种重要的类胡萝卜素，属于萜类家族中的四萜化合物，在自然界中主要存在于番茄及西瓜、葡萄柚等水果中，是成熟番茄中的主要色素。番茄红素作为一种强抗氧化剂，具有抗氧化、抗癌、降血脂等生理学功能，被广泛应用于保健食品、医药、化妆品等领
番茄红素生产主要依赖植物提取和化学合成2种方法。植物提取法受季节限制，且植物生长周期较长、产品含量低，无法保证产品的集约化、规模化生产。化学合成法存在化学试剂残留、多种异构体形式以及环境污染等问题。生物技术合成法具有成本低、周期短、能稳定供应、环境友好、可持续发展等优势，近年来越来越受到研究人员的重视。
目前生物技术合成番茄红素的研究已取得较大进展，例如微生物宿主细胞的多样化选择、代谢工程改造途径的研究创新、发酵工艺和放大技术的探索，使生物技术合成番茄红素的产量有明显提升。然而大多研究还停留在某单一技术领域的突破，对番茄红素的生物技术合成的系统性研究和总结较少。
因此，本文对番茄红素的理化性质、当前生产技术进行综述，系统总结以合成生物学为代表的生物技术合成番茄红素的研究，重点关注不同菌株的发酵方法对比以及番茄红素的精准定量方法，并提出生物技术生产番茄红素存在的问题及未来的研究方向，以期为番茄红素的生物技术工业化生产以及其他高附加值天然产物的生物技术合成提供参考。
番茄红素属于四萜化合物，是一种不饱和烯烃化合物，也是一种不含氧原子的类胡萝卜素。番茄红素的分子式为C40H56，相对分子质量为536.85，在分子结构上有11个共轭双键和2个非共轭双键，常存在顺反异构体。自然界中天然番茄红素主要是全反式结构，极少量是顺式结构。
番茄红素是脂溶性色素，不溶于水，易溶于脂类和非极性有机溶剂，其分子结构中含有发色基团，对应在紫外-可见光吸收光谱中有1个独特的吸收区域，根据番茄红素浓度不同而表现出从橙黄到暗红的不同颜色深度，并且会随着溶剂不同而略有变化。例如，番茄红素的晶体溶于葵花籽油中呈现肉眼可见的深红色，而溶解在石油醚中则呈黄色。由于分子中具有较多的双键，番茄红素的性质十分活泼，在光照、氧、高温条件下易发生氧化反应、结构异构化反应而导致生理活性降
不同于β-胡萝卜素，由于番茄红素没有维生素A原的活性，在早期其应用并不受重视。但近年来由于番茄红素的生理学功能逐步为人们所知，番茄红素的应用越来越广泛。番茄红素作为一种极强的抗氧化剂，能清除人体的氧自由基、淬灭单线态氧，其抗氧化能力约是维生素E的100倍、β-胡萝卜素的2
目前番茄红素已获得欧盟的“新颖食品”准入和美国的“GRAS（generally recognized as safe）”身份。随着人们生活水平的提高和对健康的愈发重视，美国预估番茄红素的销售额将以每年35%的速度增长（https：//www.industryarc.com/Report/16581/lycopene-market.html）。因此，番茄红素的高效生物合成技术极具市场应用价值。
目前，番茄红素的生产方法有3种：植物提取法、化学合成法、生物合成法。植物提取法主要从成熟的植物果实如番茄中提取纯化得到番茄红素，但此方法受到地域、季节、番茄品种及成熟度等多种因素的影响而不稳定。在我国主要是选取新疆地区种植（日照时间长）的番茄来提取番茄红素，但番茄红素在番茄中的含量十分低，一般只有20 mg/kg，即使在局部含量较高的番茄皮中也不足0.4 g/k
番茄红素作为四萜化合物，与其他萜类化合物相似，其生物合成的共同前体是IPP（异戊烯焦磷酸）和DMAPP（二甲基烯丙基焦磷酸）这2个异戊二烯基单元，IPP和DMAPP互为同分异构
MEP途径是以丙酮酸与3-磷酸甘油醛作为起始底物来合成IPP和DMAP
图1 番茄红素经由甲羟戊酸途径的生物合成路径
Fig.1 The synthesis pathway of lycopene via MVA pathway
A：上游模块；B：下游模块。A： Upstream module； B： Downstream module.
目前已知的发酵法生产番茄红素的微生物包括：自身能合成番茄红素的泛球菌、三孢布拉霉菌以及经过代谢工程改造的酿酒酵母、解脂耶氏酵母和大肠杆菌等。其中研究比较多的是三孢布拉霉菌（Blakeslea trispora
大肠杆菌（Escherichia coli）是萜类化合物异源合成常用的微生物宿主之一，其清晰的遗传背景、快速细胞生长以及丰富遗传操作工具等优势使大肠杆菌成为工业化产品开发的理想宿主平台。有学者通过代谢工程和合成生物学技术成功地实现工程改造大肠杆菌异源高产类胡萝卜素的工
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是一种真核模式生物，其基因组已被测序，细胞生物学特性也得到很好的表征，并且有成熟的遗传操作工具和手段。在酿酒酵母大规模发酵过程中不存在噬菌体污染的隐患，相对于大肠杆菌它通常被认为是安全的，因此利用代谢工程改造酿酒酵母异源生产番茄红素被认为非常有应用前景。与大肠杆菌一样，酿酒酵母自身无法合成类胡萝卜素，必须引入相关合成基
解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica）是一种非常规的微生物宿主，可产生大量脂质，被认为是安全的。虽然不能直接合成类胡萝卜素，但可以产生大量前体乙酰辅酶A，再通过引入外源关键酶来实现类胡萝卜素的合成。解脂耶氏酵母被认为是较有希望通过MVA途径生产类胡萝卜素的宿
真核微藻类作为自养型微生物能利用光能和二氧化碳产生生物质，因此在可持续生产萜类化合物方面具有巨大的代谢潜力。但是目前高水平的藻类代谢工程改造研究远落后于其他宿主，在一定程度上限制了其应
红酵母（Rhodosporidium toruloides）可以生成色素，如β-胡萝卜素、γ-胡萝卜素的细胞内生物合成。研究人员通过优化培养条件和诱变来增强红酵母生产类胡萝卜素的能力。但目前对红酵母的研究非常有限，可能是由于现有基因组数据的局限性以及关键基因的功能性注释不足，很大程度上阻碍了高产类胡萝卜素的代谢工程改
1）上游模块（前体IPP/DMAPP的供应）的增强。为实现番茄红素等类胡萝卜素的高产，增加类异戊二烯合成通用前体IPP和DMAPP是有效策略。IPP和DMAPP合成涉及2个天然途径，即MEP途径和MVA途径。（1）MEP途径主要存在于原核生物中，DXS和IDI通常被认为是该途径主要的限速酶，并且被过表达以增强类异戊二烯的合
2）下游模块（番茄红素异源合成途径）的研究。常见策略是将异源途径基因引入非类胡萝卜素宿主来生产类胡萝卜素，将萜类合成前体IPP和DMAPP转化成类胡萝卜素。Verwaal
3）旁路途径的下调。合成番茄红素的前体FPP也是许多酵母代谢产物（例如泛醌、萜醇、角鲨烯等）的常见前体，但直接敲除这些前体竞争途径基因（如角鲨烯的合成基因）会对细胞生长造成很大的影响。因此，许多学者致力于下调这些竞争途径来增强番茄红素的合成通量。用弱启动子替代天然启动子来下调竞争的角鲨烯合酶基因sqs1可使解脂耶氏酵母中β-胡萝卜素的滴度产量从（453.9±20.2） mg/L增加至（797.1±57.2） mg/
4）底盘细胞的改造。在高产番茄红素的研究中，除了优化番茄红素异源合成途径，还需要对宿主底盘细胞进行改造以匹配异源途径。底盘细胞的改造包括：乙酰辅酶A前体通量的加
5）系统代谢工程改造酿酒酵母高产番茄红素。归纳总结如图
图2 系统代谢工程改造酿酒酵母高产番茄红素
Fig.2 The system metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for efficient lycopene production
图3 酿酒酵母高产番茄红素中试放大至6 000 L规模
Fig.3 High lycopene production from Saccharomyces cerevisiae scaled up to 6 000 L
目前在微生物高产番茄红素发酵方面的研究也取得很大的进展，不同菌株所使用的发酵原料、发酵过程和规模会有所不同（
宿主 Host | 发酵罐规模/L Fermentor scale | 发酵原料/过程 Feedstocks/Process | 番茄红素滴度产量/(g/L) Lycopene tieter | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|---|
|
大肠杆菌 E. coli | 7 |
底料：甘油，磷酸二氢铵 Batch：glycerol,(NH4)2HPO4 补料：甘油，蛋白胨，酵母抽提物 Feeding: glycerol,peptone,yeast extract 30 ℃,pH 7.0 | 3.52 |
[ |
| 5~150 |
底料：甘油，硫酸铵 Batch：glycerol,(NH4)2SO4 补料：甘油 Feeding: glycerol 30 °C,pH 7.2 | 1.32~1.44 |
[ | |
|
酿酒酵母 S. cerevisiae | 5 |
底料：葡萄糖，硫酸铵，蛋白胨，酵母抽提物；Batch：glucose，(NH4)2SO4，peptone,yeast extract 补料：葡萄糖，甘油 Feeding: glucose，glycerol 30 °C,pH 5.0 | 1.61 |
[ |
| 5 |
底料：葡萄糖，硫酸铵，胰蛋白胨，酵母抽提物Batch: glucose,tryptone,yeast extract 补料：葡萄糖，乙醇 Feeding: glucose，ethanol 30 °C,pH 6.0 保持葡萄糖残留量在2 g/L以下，乙醇残留量在5 g/L以下 Keeping the glucose concentration under 2 g/L,ethanol concentration below 5 g/L | 1.65 |
[ | |
| 7 |
底料：葡萄糖，硫酸铵 Batch：glucose,(NH4)2SO4 补料：葡萄糖，乙醇 Feeding: glucose,ethanol 30 °C,pH 5.0 保持葡萄糖残留量在1 g/L以下，乙醇残留量在5 g/L以下 Keeping the glucose concentration under 1 g/L,ethanol concentration below 5 g/L | 3.28 |
[ | |
| 7 |
底料：葡萄糖，胰蛋白胨，酵母抽提物 Batch: glucose，tryptone, yeast extract 补料：葡萄糖，乙醇 Feeding: glucose，ethanol 30 °C,pH 6.0 保持葡萄糖残留量在2 g/L以下，乙醇残留量在10 g/L以下 Keeping the glucose concentration below 2 g/L,ethanol concentration below 10 g/L | 8.15 |
[ | |
|
解脂耶氏酵母 Y. lipolytica | 3 | 底料：葡萄糖，酵母无氨基氮源，酵母抽提物，硫酸铵 Batch: glucose,YNB,yeast extract,ammonium sulfate | 4.20 |
[ |
Zhu
番茄红素等类胡萝卜素具有较强的抗氧化作用，在提取过程中要最大程度地降低其被氧化和异构化的风
现有研究中对番茄红素等类胡萝卜素的检测和定量方法也有所不同。大多数研究都使用高效液相色谱（HPLC）来检测番茄红素、β-胡萝卜素等类胡萝卜
大多数研究使用对应的番茄红素、β-胡萝卜素标准品来绘制标准曲线进行产量计
番茄红素作为强抗氧化剂，具有许多良好的生理功能，市场前景广阔。本文详细综述了番茄红素的理化性质、生理功能、生产方法，着重汇总了目前生物技术生产番茄红素的研究进展，包括微生物宿主细胞多样性选择、最新的代谢工程改造策略、发酵方法和番茄红素提取和精准定量方法等内容。
尽管目前生物技术合成番茄红素已取得了一定的进展，但因其本身是一项复杂、影响因素较多的工程研究，番茄红素的生物合成工艺还存在较多问题，对未来的相关研究方向总结如下：
1）发酵生产规模的放大及稳定重复。目前大多数生物技术合成番茄红素的研究还处于实验室阶段的小型发酵罐试验规模，而产业化研究往往是以数吨、数十吨级计算的大规模发酵生产。从小试到中试生产的发酵放大并不是简单的罐体体积线性放大，还会涉及到传热、传质、传氧不均匀以及菌株生长模型发生改变等诸多难题。据笔者的实践经验，工程菌株在发酵放大的过程中会出现菌株早衰、菌株表型退化、补料策略变化、发酵产量不稳定等问题，需要研究者对发酵工艺放大参数条件逐一调试。未来发酵生产规模的放大研究是解决生物技术工业化生产番茄红素的关键问题。
2）微生物源番茄红素的提取纯化工艺。番茄红素是细胞内产物，在提取纯化的过程中涉及细胞破碎、杂质去除、番茄红素结晶等诸多工序，而在此过程中番茄红素又十分容易被氧化导致结构发生改变。因此，其提取率难以保证，需要深入研究微生物源番茄红素的提取纯化工艺。
3）微生物源番茄红素的质量检测等研究。微生物源番茄红素虽然也是酶催化反应的产物，但并非天然番茄来源，会涉及到转基因等问题。因此，微生物源番茄红素首先要通过结构鉴定是否与天然番茄来源一致，其次需要进行重金属残留、微生物含量等质量品质检测，以确保产品的结构和质量，这2项也是影响微生物源番茄红素市场应用的重要因素。
4）生产成本控制。若要与天然提取的番茄红素进行市场竞争，生物技术合成番茄红素必须在成本上有明显优势。生物发酵生产番茄红素的成本主要包括：发酵原料、设备折损、提取纯化、人工、销售等。在设计和优化生产工艺条件时必须考虑成本因素，如采用更便宜的全合成发酵培养基、扩大发酵规模分摊成本、采用更先进的酶解破碎细胞方式提取等方法来降低生产成本。
解决上述问题，对于推动生物技术生产番茄红素的工业化进程具有重要的理论与实践意义，也可为其他高附加值天然产物的生物技术研究提供参考。
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