综述：红酵母菌从废物流中微生物合成和提取高价值代谢产物的可持续方法

这篇综述系统阐述了红酵母菌(R. toruloides)通过代谢工程和废弃物利用合成脂质(如TAGs、FFAs)和类胡萝卜素(如β-胡萝卜素、圆酵母烯)的研究进展。文章重点解析了甲羟戊酸(MVA)途径与肯尼迪途径的代谢关联，强调了光/盐胁迫调控和CRISPR-Cas9基因编辑对产物积累的促进作用，并评述了超临界流体提取(SFE)等绿色分离技术。该研究为微生物细胞工厂在食品、化妆品和生物燃料领域的应用提供了新策略。

　　

红酵母菌的生物合成潜力

红酵母菌(Rhodotorula toruloides)作为一种严格好氧的产油酵母，能够合成多种高价值代谢产物。其独特的代谢网络使该菌株能同时积累占总干重70%的脂质和具有抗氧化活性的类胡萝卜素。研究发现，该酵母可利用茶渣水解物、小麦秸秆等农业废弃物作为碳源，在30°C、pH 5.5条件下实现最高产量，展现出显著的工业应用前景。

色素与脂质的双重价值

类胡萝卜素生物合成途径始于乙酰辅酶A，经甲羟戊酸(MVA)途径生成异戊烯焦磷酸(IPP)和二甲基烯丙基焦磷酸(DMAPP)。这两个C₅
单元通过缩合反应形成牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(GGPP)，最终转化为β-胡萝卜素、圆酵母烯等色素分子。值得注意的是，蓝光照射可使类胡萝卜素产量提升70%，而4% NaCl胁迫能促进脂质积累至71.3% DCW。

脂质合成则通过"柠檬酸-苹果酸穿梭"机制实现，当氮源受限时，AMP脱氨酶激活导致异柠檬酸脱氢酶(ICDH)失活，促使乙酰辅酶A转向脂肪酸合成。最常见的脂肪酸包括棕榈酸(C_16:0
)、油酸(C_18:1
)和亚油酸(C_18:2
)，这些组分可作为生物柴油的理想原料。

代谢工程的突破性进展

通过过表达二酰基甘油酰基转移酶(DGA1)和乙酰辅酶A羧化酶(ACC1)，红酵母菌的脂质产量提升18.1倍。在类胡萝卜素合成方面，过表达内源性八氢番茄红素合成酶(crtYB)使β-胡萝卜素产量增加3.5倍。CRISPR-Cas9技术的应用进一步解决了该菌株因厚细胞壁导致的基因操作难题。

环境友好的提取工艺

与传统有机溶剂提取相比，超临界CO₂
提取展现出显著优势：

1. 酶辅助提取通过裂解细胞壁提高产物得率
2. 超声波辅助提取利用空化效应促进溶质释放
3. 微波辅助提取通过分子摩擦加速渗透过程
4. 皂化处理可有效去除共提取的脂质干扰

环境修复的多重功效

红酵母菌在废水处理中表现出卓越性能：

• 对苯酚耐受浓度达2.5 g/L
• 可使棕榈油厂废水COD降低43%
• 对铀(6 mM)和汞具有显著吸附能力
  这种"废物处理-资源回收"的双重模式，完美契合循环生物经济理念。

产业化应用前景

基于红酵母菌的微生物合成具有明显优势：

1. 生产周期短（较植物提取缩短80%）
2. 碳源成本低（利用木质纤维素水解物）
3. 产物多样性（同时获得脂质和色素）
   目前该技术已在饲料添加剂、化妆品基质和生物燃料等领域实现初步应用，预计到2027年全球类胡萝卜素市场规模将达到20.9亿美元。

未来研究将聚焦于：

1. 开发混合培养系统提升底物利用率
2. 优化多组学指导的代谢网络重构
3. 建立零废物生产的集成生物精炼模式
   这种微生物细胞工厂的发展，将为可持续化生产提供创新解决方案。