合成营养成分玉米黄素 “菌宝宝”的方法成本低产量高

玉米黄素(zeaxanthin)是光合生物的重要色素，具有保护细胞免受高光损伤的作用。它也是视网膜黄斑重要色素，具有保护眼睛、维护视觉和认知等功能。
科技日报记者近日从中科院昆明植物研究所了解到，该所黄俊潮研究员率领的研究团队，在利用工业微生物生产玉米黄素的研究方面取得了重要进展。
天然玉米黄素来源贫乏
玉米黄素是β-胡萝卜素的衍生物，呈脂溶性粉末状或油状，存在于绿色蔬菜、玉米种子、枸杞和酸浆果实等植物组织和一些微生物中。它不能由人和动物自身合成，必须从食物中摄取。但人体每天需摄取数毫克的玉米黄素，日常饮食只能获得微克水平，大多数人因此缺乏玉米黄素。相对于叶黄素、β-胡萝卜素等其他类胡萝卜素，玉米黄素的自然资源更加贫乏，因此发掘玉米黄素新资源具有现实意义。
大量研究表明，玉米黄素具有抗氧化、预防黄斑衰退、治疗白内障、预防心血管疾病、增强机体免疫力、减缓动脉粥样硬化等健康功效。随着人口老龄化引发的相关疾病增多，玉米黄素作为膳食补充剂，可在医药和功能食品领域发挥重要作用。在食品工业中，玉米黄素作为天然食用色素，正在逐渐取代柠檬黄、日落黄等合成色素。
有望实现产量翻番的目标
黄俊潮研究员向记者介绍，此前，他们团队聚焦于虾青素的生物合成研究，研究对象涉及到藻类、细菌和高等植物，并取得一系列研究进展，为后来开展自然资源稀缺的玉米黄素和念珠藻黄素等其他类胡萝卜素的生物合成奠定了良好基础。“迄今，对玉米黄素和念珠藻黄素资源的发掘以及它们的功能研究相对较少。”
鞘氨醇单胞菌广泛分布于各种环境中，是普遍认为安全的菌株，这类菌多数能合成不同的类胡萝卜素，如β-胡萝卜素、玉米黄素、念珠藻黄素等，已用于工业化生产多用途的胞外多糖。
通过比较功能基因组学分析和代谢工程改造，团队成功获得一株新的、能合成和积累玉米黄素的鞘氨醇单胞菌DIZ工程菌株。随后，经过优化培育，他们惊喜地发现，在发酵罐吃住4天后，这种“菌宝宝”竟然可得到每升培养物含479毫克的玉米黄素，以及22克胞外多糖。这也是业界首次对鞘氨醇单胞菌实现遗传操作，获得高产玉米黄素的安全工程菌株。
“通过进一步的改良，有望实现玉米黄素产量翻番的目标，从而解决目前玉米黄素供不应求、价格高等问题。”黄俊潮告诉记者。这项研究结果已发表在国际期刊《农业与食品化学杂志》上。
微生物方法将成产业主流方向
根据国内外媒体的报道，目前，在玉米蛋白粉中提取玉米黄素已有成熟的工艺。但黄俊潮研究员介绍，虽然从玉米提取玉米黄素的技术成熟，但其产量低、成本高，只能作为玉米加工业的副产品看待。通过代谢工程改造的微生物——鞘氨醇单胞菌DIZ菌株，玉米黄素产量远高于用玉米提取的产量。且微生物拥有生长周期短、生物量高以及大规模发酵培养等优势，利用微生物生产自然资源稀缺的玉米黄素，将是产业的主流方向。
合成生物学通常以大肠杆菌和酿酒酵母为研究对象，研究成果的转化很大程度上还得依赖于生产工艺成熟的工业微生物，尤其是那些食品安全级微生物。利用这些微生物“朋友”，可以低成本生产药物或食物所需的强抗氧化功能类胡萝卜素和多不饱和脂肪酸。“团队未来将聚焦发掘能高产这些功能分子的微生物资源和植物新品种。”黄俊潮说。