利用Xanthophyllomyces dendrorhous从蒸汽爆破处理的Eucalyptus grandis水解物中生产虾青素：代谢机制研究及生物精炼技术整合

《Biomass and Bioenergy》：Astaxanthin production from steam-exploded Eucalyptus grandis hydrolysates using Xanthophyllomyces dendrorhous: metabolic insights and biorefinery integration

本研究评估了使用蒸汽爆破桉木废料经酶解获得的糖液，由五种Xanthophyllomyces dendrorhous菌株生产虾青素的可行性。筛选发现DSM5626菌株在酶解液中生产量最高（1.7 mg/L），与合成葡萄糖相当。补充谷氨酸促进生产，但过度氧化抑制。结果证实桉木废料可作为可持续的虾青素生物基原料。

　　

卡米拉·罗德里格斯（Camila Rodríguez）|尤金妮亚·维拉（Eugenia Vila）|巴勃罗·G·德尔-里奥（Pablo G. Del-Río）|贝阿特丽斯·古隆（Beatriz Gullón）|克劳迪娅·拉雷奥（Claudia Lareo）

乌拉圭共和国大学工程学院化学工程研究所生物化学与生物工艺系，邮编11300，蒙得维的亚

摘要

从木质纤维素残渣中生产高价值生物制品是一种提高新兴生物精炼厂经济效益的可行策略。本研究评估了使用从蒸汽爆破处理的Eucalyptus grandis木材中获得的酶解物，通过Xanthophyllomyces dendrorhous菌株生产虾青素（AXT）的可行性。Eucalyptus grandis是一种会产生大量工业加工残渣的树种。在葡萄糖、木糖和酶解物培养基中筛选了五种菌株（Y-17810、Y-17268、Y-17832、Y-27179和DSM 5626）。其中，DSM 5626的表现最佳，其AXT产量高达1.7毫克/升（mg L^?1），这一结果与合成葡萄糖培养基中的产量具有统计学上的可比性，表明桉树衍生的底物可以支持类胡萝卜素的生物合成。木糖培养基下的AXT产量较低，这反映了戊糖利用过程中存在的代谢和氧化还原限制。谷氨酸补充剂促进了类胡萝卜素的生成，而过度的氧化应激则会抑制AXT的积累，表明氧化应激的效应可能因强度不同而具有促进或抑制作用。高效液相色谱-质谱-电喷雾离子化（HPLC–MS–ESI）分析显示类胡萝卜素中间体的变化与CrtS依赖性氧化途径中的代谢流变化一致。通过简化质量平衡模型探讨了在木质纤维素生物精炼过程中共生产AXT的潜力。总体而言，这些结果表明DSM 5626是一种高效的AXT生产菌株，并证实桉树酶解物是一种具有色素生物生产潜力的可再生底物。

引言

虾青素（AXT）是一种高价值的叶黄素，因其强大的抗氧化、抗炎和光保护作用而被广泛应用于营养保健品、化妆品、功能性食品和水产养殖领域。除了其商业价值外，像AXT这样的高价值生物基产品作为增强新兴木质纤维素生物精炼厂经济可行性的战略分子受到了越来越多的关注，在这些精炼厂中，燃料和增值化学品的共生产对于克服大规模生物过程的固有局限性至关重要[1]。最新市场分析估计，2024年AXT的全球市场价值为9.981亿美元，到2034年这一数字预计将超过21亿美元。目前，天然AXT占全球销量的60%以上，并且由于监管限制以及消费者对天然成分的偏好增加，其增长率高于合成色素[2]。

微生物生产AXT已成为化学合成的可持续替代方案，具有更高的安全性、更受监管机构的认可度，并且与可再生原料更兼容[3]。在天然微生物生产者中，Haematococcus pluvialis和Xanthophyllomyces dendrorhous是最重要的菌种，因为它们具有较高的类胡萝卜素积累能力[3,4]。X. dendrorhous（以前称为Phaffia rhodozyma）是一种单细胞红酵母，能自然产生AXT作为其主要类胡萝卜素，被广泛认为是工业生产中的可靠微生物平台[4]。这种酵母能合成高生物利用度的（3R, 3′R）-虾青素异构体，为异养生长类型，能够利用多种碳源和氮源，在发酵过程中支持高细胞密度和高效的色素生物合成[3,5,6]。

最近在发酵设计和代谢调控方面的进展强调了应激诱导机制在增强类胡萝卜素生物合成中的核心作用，特别是通过激活活性氧（ROS）响应途径和增加前体物质的可用性[3,6]。有氧代谢过程中产生的ROS既可以作为有害物质，也可以作为调节信号。类胡萝卜素作为有效的ROS清除剂，有助于膜保护，从而将氧化应激反应与色素积累的增加联系起来[3,7]。在X. dendrorhous中，适度的细胞内ROS积累是一种关键的代谢信号，可以上调AXT的生物合成途径；而过度的氧化应激则会抑制CrtS/CrtR催化的最终氧化步骤[8,9]。研究表明，谷氨酸补充剂通过刺激中心碳代谢和NAD(P)H的生成来促进AXT的产生，从而促进类胡萝卜素途径的代谢流[10,11]。此外，控制性地暴露于过氧化氢（H₂O₂）等氧化剂已被证明是刺激X. dendrorhous中AXT生物合成的有效策略，尤其是当与减轻氧化损伤的代谢或激素调节剂结合使用时[12]。

从生物精炼的角度来看，使用可再生和低成本的碳源对于降低生产成本和环境影响至关重要。木质纤维素酶解物是精制糖的替代品，多项研究表明X. dendrorhous能够将木质纤维素生物质中的糖转化为AXT[13]。蒸汽爆破预处理在工业上被广泛应用，能有效分离生物质并促进酶解反应，产生适合微生物转化的糖类[14, [15], [16]]。这些特性为将微生物AXT生产整合到木质纤维素生物乙醇精炼过程中作为高价值副产品提供了合适的框架。

Eucalyptus grandis是一种生长迅速的硬木树种，广泛用于纸浆和木材生产，会产生大量适合生物精炼应用的工业残渣。其化学组成和加工特性已被充分研究，已优化了蒸汽爆破和酶解条件，使其成为集成生物质增值的理想木质纤维素底物[15,16]。

本研究的目的是在生物精炼框架内，利用酶解后的Eucalyptus grandis纤维素作为碳源，评估五种X. dendrorhous菌株生产AXT的能力。在确定最具潜力的菌株后，进一步研究了营养组成和选定化学增强剂对AXT积累的影响，并评估了工艺的可扩展性。实验工作流程的示意图，包括蒸汽爆破预处理、酶解、发酵以及AXT在木质纤维素生物精炼过程中的整合，如图1所示。

实验细节

原材料、预处理和酶解物的制备

实验使用Eucalyptus grandis木材作为原料。纤维素酶解物是通过将桉木片在200°C下进行10分钟的蒸汽爆破处理后获得的，随后进行酶解。实验使用了Cebreiros等人[15]之前表征的同一批蒸汽爆破处理的生物质，该生物质在储存期间保持冷藏状态直至使用。尽管储存过程中可能会发生轻微的成分变化，但这种材料仍然与原始材料相同

X. dendrorhous菌株的筛选

评估了五种X. dendrorhous菌株（Y-17810、Y-17268、Y-17832、Y-27179和DSM 5626）利用从Eucalyptus grandis木材中获得的酶解纤维素生产AXT的能力。发酵过程使用葡萄糖、木糖和桉树酶解物作为碳源（见图2），7天后的最终结果总结在表1中。

在葡萄糖培养基中，各菌株的AXT浓度范围为0.6至1.5毫克/升（mg L^?1

结论

本研究表明，在实验室条件下，使用从蒸汽爆破处理的Eucalyptus grandis木材中获得的酶解物，X. dendrorhous DSM 5626菌株能够生产AXT。结果表明，这种木质纤维素资源可以作为类胡萝卜素生物生产的合适碳源，其产生的色素水平与精制糖相当。谷氨酸补充剂显著促进了AXT的积累

CRediT作者贡献声明

卡米拉·罗德里格斯（Camila Rodríguez）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、概念构建。尤金妮亚·维拉（Eugenia Vila）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法验证、实验设计、概念构建。巴勃罗·G·德尔-里奥（Pablo G. Del-Río）：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。贝阿特丽斯·古隆（Beatriz Gullón）：撰写 – 审稿与编辑、资金筹集。克劳迪娅·拉雷奥（Claudia Lareo）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的支持：(i) 西班牙科学与创新部（VALWIDE, TED2021–132088B-I00），(ii) Interreg VI-B Sudoe 2021–2027（NEWPOWER, S1/1.1/E0116），(iii) 加利西亚自治区文化、教育与大学事务部（通过合同ED431B 2025/34支持Bio2Val团队，该项目部分由欧洲区域发展基金（ERDF）资助），(iv) "食品安全与可持续发展服务"（来自"