《Trends in Food Science & Technology》：Rare glycosylated apocarotenoids for food applications: production strategies, functionality, and challenges highlighted by staphyloxanthin
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稀有糖基化脱番茄红素因独特结构、稳定性和食品功能潜力受关注。STX作为膜关联型脱番茄红素，连接了糖基化、氧化应激保护与脂质-膜相互作用，但其致病性限制直接应用，需通过异源生产实现安全转化。
Cassamo U. Mussagy|Encarnación Díaz-Santos|Antonio J. Meléndez-Martínez
可持续生物工艺开发实验室（Labisost），农学院，农业与食品科学学院，瓦尔帕莱索天主教大学，邮编2260000，智利，基约塔
摘要 背景 由于独特的结构特征、增强的稳定性和在食品系统中的生物功能潜力，稀有的糖基化类胡萝卜素引起了越来越多的关注。其中，由Staphylococcus 属细菌自然产生的膜相关类胡萝卜素staphyloxanthin（STX）已成为连接类胡萝卜素糖基化、氧化应激保护和脂质-膜相互作用的典型分子。然而，其致病性限制了其在食品中的直接应用，而对结构相关且安全生产的糖基化类胡萝卜素的知识仍然零散。这种生物合成、分子设计和食品功能之间的缺乏整合阻碍了它们在可持续食品系统中的价值实现。
范围和方法 本综述主要关注稀有糖基化类胡萝卜素的生物技术生产、稳定化和以食品为导向的价值转化，以STX作为生物学模型而非直接成分。我们将微生物类胡萝卜素代谢、酶促类胡萝卜素形成和糖基化策略的见解结合起来，重点关注在食品级和公认安全（GRAS）微生物中的异源生产。
主要发现和结论 糖基化和类胡萝卜素链调节类胡萝卜素的溶解度、氧化稳定性和界面行为，使其具有传统类胡萝卜素难以实现的功能。代谢工程和生物催化方面的最新进展使得在非致病性宿主体内安全生产受STX启发的糖基化类胡萝卜素成为可能。这些分子在食品系统中具有作为着色剂、抗氧化剂和脂质结构调节剂的潜力。总体而言，本综述强调了基于STX的分子设计如何指导开发符合安全性、可持续性和功能性能要求的食品用类胡萝卜素。
引言 类胡萝卜素是一类在自然界中广泛分布的天然色素，其特征是含有共轭的多烯链，赋予它们鲜艳的颜色和强抗氧化活性（Meléndez-Martínez等人，2021, 2022）。最著名的类胡萝卜素如β-胡萝卜素、虾青素和番茄红素是源自异戊二烯前体的C40 碳氢化合物（Mussagy等人，2019）。然而，类胡萝卜素的碳链长度并不局限于此。异戊二烯单元数量的变化以及随后的结构修饰产生了不同的亚类：例如，4,4′-二丙烯基番茄红素和4,4′-二烯基神经孢素属于C30 类胡萝卜素；壬黄质和二氢异戊烯基脱氢罗多品属于C45 结构；而细菌红素、十烯黄质和肉毒黄质则属于C50 类（Yabuzaki，2017）。这种偏离经典C40 碳链长度的情况在微生物中尤为常见，因为微生物中的类胡萝卜素生物合成是在与植物和藻类不同的选择压力下进化的（Kelly等人，1967, 1970；Mussagy & Meléndez-Martínez，2025）。因此，微生物类胡萝卜素经常表现出一些不常见的碳链长度、独特的功能基团和新的生物活性。在这些非典型的微生物类胡萝卜素中，staphyloxanthin（STX）尤为突出，它是由革兰氏阳性细菌Staphylococcus aureus 产生的稀有糖基化叶黄素（Pelz等人，2005）。最近的研究还表明，Staphylococcus capitis 亚种（一种存在于人体皮肤中的细菌）的黄色菌株也能产生STX（Siems等人，2023）。STX是S. aureus 菌落特征性金黄色的原因，这一特性虽然早就被注意到，但直到最近才被确认具有功能性意义（Nosair, Abdelaziz, Abo-Kamer等人，2025）。从结构上看，STX由一个C30 类胡萝卜素核心、一个β-D-吡喃糖基团和一个酯化的脂肪酸链组成，形成了一个两亲性分子（Pelz等人，2005）。这种特殊结构不仅决定了它的光学性质，也决定了它的生物功能，特别是在保护S. aureus 免受氧化应激方面的作用，STX作为强效的膜保护抗氧化剂，能够淬灭活性氧（ROS）并在氧化条件下稳定膜脂质（Clauditz等人，2006；Xia等人，2025）。这使S. aureus 在面对宿主免疫反应（尤其是中性粒细胞介导的氧化爆发）时具有生存优势。因此，STX现在被认为是一个重要的毒力因子，有助于这种病原体的持续性和侵袭性（Xue等人，2019）。其他细菌中也描述了类胡萝卜素糖苷酯，特别是在适应极端条件的细菌中。典型的例子是极端嗜热菌Thermus属中的玉米黄质二葡萄糖苷酯和单葡萄糖苷酯（统称为thermozeaxanthins）。这些类胡萝卜素具有与不同类型脂肪酸酯化的葡萄糖基团。其他类胡萝卜素糖苷酯也在极端嗜热菌Meiothermus ruber、极端嗜盐菌Salinibacter ruber以及嗜热和嗜盐菌Rhodotermus marinus中被发现（Tian & Hua，2010）。
尽管STX与一种临床相关的细菌相关（Clauditz等人，2006），但它不仅在医学微生物学领域引起了兴趣，在天然产物化学、代谢工程和生物技术领域也备受关注（Nosair等人，2025a）。尽管S. aureus本身由于生物安全性和致病性问题不适合工业生产（Cheung等人，2021），但STX的结构和功能特性使其成为异源生物合成的有希望的目标。合成生物学的进步现在允许将类胡萝卜素生物合成途径整合到非致病性微生物宿主中，如Escherichia coli、Bacillus subtilis以及酵母系统Saccharomyces cerevisiae或Yarrowia lipolytica（Jeong等人，2018；Wang等人，2019；Xin-Kai Zhang，2020）。这些工程化的宿主可以在受控发酵条件下生产STX或STX类似物，消除了与致病微生物相关的风险，并实现了工业规模的生产。异源STX生产的可行性依赖于对其生物合成途径、调控机制、物理化学特性和生物活性的全面理解。特别是，明确STX如何与脂质双层相互作用，其糖基化和酰基化基团如何调节溶解度和细胞内定位，以及其延长的共轭多烯链如何贡献于氧化还原和抗氧化性能，对于指导代谢工程至关重要。在评估STX与市场上已建立的类胡萝卜素（如虾青素、β-胡萝卜素和叶黄素）时，这些知识也非常关键（Fact.MR，2024；Industryexperts，2025）。重要的是，STX的潜在应用不仅限于其在S. aureus生理学中的作用，还包括作为化妆品中的抗氧化剂和光保护剂、食品和营养保健品中的功能性活性成分，以及作为生物聚合物中的稳定成分。
本综述全面介绍了STX作为一种稀有细菌叶黄素的特性，涵盖了其化学结构、生物合成起源、物理化学性质和膜相关功能。讨论了在安全微生物宿主体中的异源生物合成和可扩展生产方面的进展。重点讨论了支持STX在食品系统中应用的物理化学和实际应用相关性质，而不仅仅是微生物学或致病性方面的考虑。基于当前对STX生物化学的理解，该综述还提供了对该领域研究人员未来研究方向的指导，包括探索新的应用前景。COST Action EUROCAROTEN（
https://www.cost.eu/actions/CA15136/#tabs|Name:overview ）指出了利用未开发类胡萝卜素的研究需求，该行动有近40个国家参与（Meléndez-Martínez等人，2021, 2022）。
小节片段 糖基化STX的化学结构是什么？它是如何发挥作用的？ STX是一种由三个化学上不同的部分组成的混合分子：(i) 一个C30 类胡萝卜素核心，来源于4,4′-二烯基神经孢素，含有一个扩展的共轭多烯系统，负责其金黄色和抗氧化活性；(ii) 一个通过O-糖苷键连接到C30 类胡萝卜素的D-吡喃糖基团，提供了一个极性的、亲水的头部，改变了溶解度并使其能够与膜和蛋白质相互作用；(iii) 一个连接到...
STX是如何生物合成的？ STX的生物合成遵循一个类胡萝卜素衍生的C30 途径，其酶促组织和反应序列通过遗传学、生物化学和基于NMR的结构分析得到了阐明，尤其是在Pelz等人（2005）的工作中。与常见的类胡萝卜素生物合成类似，该途径起源于通过甲羟戊酸途径产生的异戊二烯前体，这些前体提供异戊二烯二磷酸（IPP）和二甲基烯丙基二磷酸（DMAPP）。这些C5单元的顺序缩合...
STX可以在非致病性异源宿主体内生产吗？ 由于天然生产者Staphylococcus aureus 是一种致病性生物，直接用于工业规模的类胡萝卜素生产是不合适的，因此深入了解STX的生物合成至关重要。通过阐明< />操纵子及其涉及的酶促步骤，为在GRAS（公认安全）宿主体中异源重建该途径提供了分子基础。这种策略使得STX的合成可以受到控制和扩展。
STX如何促进S. aureus 的致病性？ 尽管STX常被归类为S. aureus 的毒力因子之一，但其在致病性中的作用往往被误解。与直接损害宿主细胞和组织的经典毒力决定因子（如溶血素、白细胞毒素、超抗原）不同，STX本身并不诱导细胞毒性或炎症（Yehia等人，2021）。相反，STX的作用是间接的但策略性的：它主要作为一种保护屏障，增加细菌在面对...
如何超越其生物学作用重新解读STX？ STX不仅为S. aureus 提供了进化优势，它还代表了一种天然发展的抗氧化结构，可以重新用于生物技术应用。其分子组成（C30 类胡萝卜素核心与葡萄糖残基共价连接，并与酯化脂肪酸相连）（Pelz等人，2005），结合了氧化还原反应性、两亲性和膜亲和性。这些特性赋予了S. aureus 抗氧化应激抵抗能力（Clauditz等人，...
STX与其他类胡萝卜素相比如何？ 将新的色素或抗氧化分子引入市场，特别是具有潜在生物技术应用价值的分子，需要对其性质与已经在商业领域占主导地位的类胡萝卜素进行全面比较。这种比较分析不仅突出了化合物的新颖性，还有助于识别哪些结构或功能属性可能带来工业优势。因此，了解STX与经典...STX未来研究的关键方向是什么？ 尽管STX具有有前途的抗氧化和两亲性特性，但由于其致病性起源和有限的监管接受度，其在食品系统中的应用仍然受到限制。未来的研究应优先考虑食品兼容的生产路线、基于设计的安全策略和应用驱动的功能评估。如前所述，尽管在阐明STX的化学、结构和生物合成途径方面取得了实质性进展，但仍有一些关键问题需要解决...
结论 STX作为一种罕见的细菌叶黄素，其结构特性远远超出了其在S. aureus 中的生物学作用。虽然STX的两亲性结构是其膜稳定和抗氧化行为的基础，但其在食品系统中的相关性取决于这些特性在复杂食品基质中的体现。最近对AldH介导的氧化步骤的阐明完善了STX的生物合成图谱，并使其能够在GRAS宿主体中重建。
作者贡献 CUM ：概念化、研究、初稿撰写、审稿与编辑、可视化、资金获取。EDS ：研究、初稿撰写、审稿与编辑。AJMM ：初稿撰写、审稿与编辑。
资助 本研究得到了ANID /FONDECYT /1250170和ANID /FOVI/250065的资助
利益冲突 CUM和AJMM偶尔为公司提供咨询服务。其他作者未声明利益冲突。
