综合生物精炼厂旨在从原料中制造多种产品，从而为循环经济铺平道路[1]。生物质可转化为高级生物燃料、化学品、聚合物、药品等多种高价值物质[2]。在更高效地利用木质纤维素生物质的过程中，半纤维素和木质素的深度开发也备受关注。例如，在纸浆和造纸生产中，可以从副产品中分离出半纤维素。如果经济可行，木质纤维素的分馏可能有助于提高最终生物材料（如生物炭）的质量[3]。例如，提取半纤维素可以改善生物炭的吸附性能[4]。
柳树（Salix属）具有再生能力，在不同气候条件下通过适当施肥能在短时间内产生大量生物质。作为先锋物种，柳树能够在降雨量高和易发生洪水的地区良好生长[5]。过去20年来，许多具有高生长潜力的柳树杂交品种已被商业化种植用于生物能源应用[6]。目前尚无专门利用柳树生物质生产多种产品的商业生物精炼厂，但柳树作为生物能源作物已被广泛使用[7]。虽然有关柳树生物炭的应用报道较多[8]，然而据我们所知，尚无关于在生物反应器中利用柳树半纤维素生产类胡萝卜素的研究。
类胡萝卜素是一类由光合生物以及某些非光合细菌和真菌合成的异戊二烯类色素。它们是高效的抗氧化剂，具有多种健康益处[9]，能够降低癌症、心血管疾病、黄斑变性和白内障等退行性疾病的风险[10]。由于这些特性，类胡萝卜素在化工、制药、食品和化妆品行业得到广泛应用[10]。预计到2027年，全球类胡萝卜素市场的规模将从2022年的20亿美元增长到27亿美元，复合年增长率为5.7%[11]。在植物、藻类和细菌合成的数百种类胡萝卜素中，只有少数几种被工业化生产，包括β-胡萝卜素、番茄红素、虾青素、角黄素、叶黄素和玉米黄质[10,12]。
油酵母Rhodotorula glutinis以其产生类胡萝卜素的能力而闻名。Rhodotorula属酵母能够产生超过其干重70%的脂质[13]。由于类胡萝卜素是脂溶性色素，其微生物合成通常与脂质一起进行研究。R. glutinis合成的类胡萝卜素包括β-胡萝卜素、torulene和torularhodin，其比例受培养条件影响[14]。大多数关于R. glutinis类胡萝卜素的研究都显示β-胡萝卜素占主导地位，仅有少数研究指出torularhodin的含量较高[15,16]。Torulene和torularhodin属于酵母和真菌合成的类胡萝卜素，但由于生物合成效率较低，目前尚未实现商业化[9]。然而，多项研究表明torularhodin和torulene的抗氧化效果优于β-胡萝卜素[9,10,17]。因此，开发一种成本低廉且产量高的torularhodin生物生产过程具有广泛的应用前景。R. glutinis可以从多种生物质废弃物（如糖蜜、精馏葡萄汁、枇杷核提取物、甘薯提取物[14]、工业啤酒厂废水[18]、乳清[19,20]、马铃薯提取物[19]、甘蔗糖蜜[22]和橄榄榨汁厂废水[23]）中生产类胡萝卜素。最近还提出了新的Rhodotorula类胡萝卜素提取方法[24],[25],[26]。
在许多木质纤维素生物质生物精炼过程中，会生成半纤维素水解物（HH），然后进一步提纯以生产生物化学品或生物产品。也有报道利用级联生物精炼技术处理木质纤维素残渣，例如利用微波辅助催化法分离半纤维素和纤维素以获得木糖和左旋糖酸，随后通过热化学方法将木质素活化制备活性炭[27]。HH富含糖分，但其组成取决于木质纤维素的来源和预处理条件。在柳树等硬木物种的半纤维素水解物中，木糖和葡萄糖是主要单糖。然而，水解物中还含有羟甲基糠醛（HMF）等呋喃化合物，这些化合物可能抑制微生物生长和生物转化[28]。在微生物精炼之前，明确这些水解物的可用性及是否需要脱毒处理非常重要。
关于Rhodotorula属酵母利用不同来源和化学组成的木质纤维素生物质水解物生产类胡萝卜素的研究较少：包括绿豆废弃物面粉与甘薯提取物的水解物[29]；经过脱毒和未脱毒处理的枇杷核水解物[30]；稻壳水解物[31]；酶法水解并经过碱预处理的甘蔗渣与糖蜜混合的水解物[32]、小麦麸皮水解物[26]和小麦秸秆水解物[33]。所有这些研究均表明，酵母中的脂质和类胡萝卜素积累量取决于水解物的类型，但营养补充物和培养条件也起着重要作用。
本研究的首要目标是探讨R. glutinis利用Salix schwerinii的半纤维素水解物生产脂质和类胡萝卜素的情况，并在生物反应器系统中优化条件以提高torularhodin的产量。
