利用Xanthophyllomyces dendrorhous從蒸汽爆破處理的Eucalyptus grandis水解物中生產蝦青素：代謝機制研究及生物精煉技術整合
《Biomass and Bioenergy》：Astaxanthin production from steam-exploded
Eucalyptus grandis hydrolysates using
Xanthophyllomyces dendrorhous: metabolic insights and biorefinery integration
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本研究評估了使用蒸汽爆破桉木廢料經酶解獲得的糖液，由五種Xanthophyllomyces dendrorhous菌株生產蝦青素的可行性。篩選發現DSM5626菌株在酶解液中生產量最高（1.7 mg/L），與合成葡萄糖相當。補充谷氨酸促進生產，但過度氧化抑制。結果證實桉木廢料可作為可持續的蝦青素生物基原料。
卡米拉·羅德里格斯（Camila Rodríguez）|尤金妮亞·維拉（Eugenia Vila）|巴勃羅·G·德爾-里奧（Pablo G. Del-Río）|貝阿特麗斯·古隆（Beatriz Gullón）|克勞迪婭·拉雷奧（Claudia Lareo）
烏拉圭共和國大學工程學院化學工程研究所生物化學與生物工藝系，郵編11300，蒙得維的亞
摘要
從木質纖維素殘渣中生產高價值生物制品是一種提高新興生物精煉廠經濟效益的可行策略。本研究評估了使用從蒸汽爆破處理的Eucalyptus grandis木材中獲得的酶解物，通過Xanthophyllomyces dendrorhous菌株生產蝦青素（AXT）的可行性。Eucalyptus grandis是一種會產生大量工業加工殘渣的樹種。在葡萄糖、木糖和酶解物培養基中篩選了五種菌株（Y-17810、Y-17268、Y-17832、Y-27179和DSM 5626）。其中，DSM 5626的表現最佳，其AXT產量高達1.7毫克/升（mg L?1），這一結果與合成葡萄糖培養基中的產量具有統計學上的可比性，表明桉樹衍生的底物可以支持類胡蘿卜素的生物合成。木糖培養基下的AXT產量較低，這反映了戊糖利用過程中存在的代謝和氧化還原限制。谷氨酸補充劑促進了類胡蘿卜素的生成，而過度的氧化應激則會抑制AXT的積累，表明氧化應激的效應可能因強度不同而具有促進或抑制作用。高效液相色譜-質譜-電噴霧離子化（HPLC–MS–ESI）分析顯示類胡蘿卜素中間體的變化與CrtS依賴性氧化途徑中的代謝流變化一致。通過簡化質量平衡模型探討了在木質纖維素生物精煉過程中共生產AXT的潛力。總體而言，這些結果表明DSM 5626是一種高效的AXT生產菌株，并證實桉樹酶解物是一種具有色素生物生產潛力的可再生底物。
引言
蝦青素（AXT）是一種高價值的葉黃素，因其強大的抗氧化、抗炎和光保護作用而被廣泛應用于營養保健品、化妝品、功能性食品和水產養殖領域。除了其商業價值外，像AXT這樣的高價值生物基產品作為增強新興木質纖維素生物精煉廠經濟可行性的戰略分子受到了越來越多的關注，在這些精煉廠中，燃料和增值化學品的共生產對于克服大規模生物過程的固有局限性至關重要[1]。最新市場分析估計，2024年AXT的全球市場價值為9.981億美元，到2034年這一數字預計將超過21億美元。目前，天然AXT占全球銷量的60%以上，并且由于監管限制以及消費者對天然成分的偏好增加，其增長率高于合成色素[2]。
微生物生產AXT已成為化學合成的可持續替代方案，具有更高的安全性、更受監管機構的認可度，并且與可再生原料更兼容[3]。在天然微生物生產者中，Haematococcus pluvialis和Xanthophyllomyces dendrorhous是最重要的菌種，因為它們具有較高的類胡蘿卜素積累能力[3,4]。X. dendrorhous（以前稱為Phaffia rhodozyma）是一種單細胞紅酵母，能自然產生AXT作為其主要類胡蘿卜素，被廣泛認為是工業生產中的可靠微生物平臺[4]。這種酵母能合成高生物利用度的（3R, 3′R）-蝦青素異構體，為異養生長類型，能夠利用多種碳源和氮源，在發酵過程中支持高細胞密度和高效的色素生物合成[3,5,6]。
最近在發酵設計和代謝調控方面的進展強調了應激誘導機制在增強類胡蘿卜素生物合成中的核心作用，特別是通過激活活性氧（ROS）響應途徑和增加前體物質的可用性[3,6]。有氧代謝過程中產生的ROS既可以作為有害物質，也可以作為調節信號。類胡蘿卜素作為有效的ROS清除劑，有助于膜保護，從而將氧化應激反應與色素積累的增加聯系起來[3,7]。在X. dendrorhous中，適度的細胞內ROS積累是一種關鍵的代謝信號，可以上調AXT的生物合成途徑；而過度的氧化應激則會抑制CrtS/CrtR催化的最終氧化步驟[8,9]。研究表明，谷氨酸補充劑通過刺激中心碳代謝和NAD(P)H的生成來促進AXT的產生，從而促進類胡蘿卜素途徑的代謝流[10,11]。此外，控制性地暴露于過氧化氫（H2O2）等氧化劑已被證明是刺激X. dendrorhous中AXT生物合成的有效策略，尤其是當與減輕氧化損傷的代謝或激素調節劑結合使用時[12]。
從生物精煉的角度來看，使用可再生和低成本的碳源對于降低生產成本和環境影響至關重要。木質纖維素酶解物是精制糖的替代品，多項研究表明X. dendrorhous能夠將木質纖維素生物質中的糖轉化為AXT[13]。蒸汽爆破預處理在工業上被廣泛應用，能有效分離生物質并促進酶解反應，產生適合微生物轉化的糖類[14, [15], [16]]。這些特性為將微生物AXT生產整合到木質纖維素生物乙醇精煉過程中作為高價值副產品提供了合適的框架。
Eucalyptus grandis是一種生長迅速的硬木樹種，廣泛用于紙漿和木材生產，會產生大量適合生物精煉應用的工業殘渣。其化學組成和加工特性已被充分研究，已優化了蒸汽爆破和酶解條件，使其成為集成生物質增值的理想木質纖維素底物[15,16]。
本研究的目的是在生物精煉框架內，利用酶解后的Eucalyptus grandis纖維素作為碳源，評估五種X. dendrorhous菌株生產AXT的能力。在確定最具潛力的菌株后，進一步研究了營養組成和選定化學增強劑對AXT積累的影響，并評估了工藝的可擴展性。實驗工作流程的示意圖，包括蒸汽爆破預處理、酶解、發酵以及AXT在木質纖維素生物精煉過程中的整合，如圖1所示。
實驗細節
原材料、預處理和酶解物的制備
實驗使用Eucalyptus grandis木材作為原料。纖維素酶解物是通過將桉木片在200°C下進行10分鐘的蒸汽爆破處理后獲得的，隨后進行酶解。實驗使用了Cebreiros等人[15]之前表征的同一批蒸汽爆破處理的生物質，該生物質在儲存期間保持冷藏狀態直至使用。盡管儲存過程中可能會發生輕微的成分變化，但這種材料仍然與原始材料相同
X. dendrorhous菌株的篩選
評估了五種X. dendrorhous菌株（Y-17810、Y-17268、Y-17832、Y-27179和DSM 5626）利用從Eucalyptus grandis木材中獲得的酶解纖維素生產AXT的能力。發酵過程使用葡萄糖、木糖和桉樹酶解物作為碳源（見圖2），7天后的最終結果總結在表1中。在葡萄糖培養基中，各菌株的AXT濃度范圍為0.6至1.5毫克/升（mg L?1
結論
本研究表明，在實驗室條件下，使用從蒸汽爆破處理的Eucalyptus grandis木材中獲得的酶解物，X. dendrorhous DSM 5626菌株能夠生產AXT。結果表明，這種木質纖維素資源可以作為類胡蘿卜素生物生產的合適碳源，其產生的色素水平與精制糖相當。谷氨酸補充劑顯著促進了AXT的積累
CRediT作者貢獻聲明
卡米拉·羅德里格斯（Camila Rodríguez）：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、數據可視化、方法驗證、實驗設計、概念構建。尤金妮亞·維拉（Eugenia Vila）：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、方法驗證、實驗設計、概念構建。巴勃羅·G·德爾-里奧（Pablo G. Del-Río）：撰寫 – 審稿與編輯、資金籌集。貝阿特麗斯·古隆（Beatriz Gullón）：撰寫 – 審稿與編輯、資金籌集。克勞迪婭·拉雷奧（Claudia Lareo）：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能影響本文工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝
作者感謝以下機構的支持：(i) 西班牙科學與創新部（VALWIDE, TED2021–132088B-I00），(ii) Interreg VI-B Sudoe 2021–2027（NEWPOWER, S1/1.1/E0116），(iii) 加利西亞自治區文化、教育與大學事務部（通過合同ED431B 2025/34支持Bio2Val團隊，該項目部分由歐洲區域發展基金（ERDF）資助），(iv) "食品安全與可持續發展服務"（來自"
