Optimization of carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa using sugarcane bagasse hydrolysate as carbon source and mutagen ethyl methanesulfonate for biosynthesis of antioxidant

在食品与医药领域，自然界提供了一套色彩斑斓的色素，它们不仅丰富了我们的世界，更在保护着这个世界。其中就包括类胡萝卜素，这是一类存在于胡萝卜、西红柿及许多其他植物中的抗氧化化合物。这些分子如同生物细胞的盾牌，能够中和那些可能损伤组织并导致慢性疾病的有害物质。几十年来，科学家们一直试图寻找生产这些珍贵化合物的方法，而不必仅仅依赖于农作物的收割，因为后者具有季节性且占用大量土地。相反，他们转向了微观世界，利用像酵母和细菌这样微小的生物作为“活工厂”。这些微生物可以摄取简单的糖分，并被诱导产生大量的类胡萝卜素，从而提供了一种不会与粮食供应竞争的可持续替代方案。然而，挑战在于如何为这些微生物找到一种廉价且充足的食物来源，并训练它们比自然状态下的同类工作得更努力，从而生产出更多的色素。

印度尼西亚的一个研究小组通过将农业废弃物转化为高价值产品，在这一努力中迈出了重要的一步。他们将目光投向了甘蔗渣——即甘蔗汁榨出后留下的纤维状残余物。这种材料产量巨大，全球每年生产数亿吨，但往往未被充分利用。研究人员知道，甘蔗渣富含纤维素，这是一种复杂的糖类，可以被分解成像葡萄糖这样简单的糖，而这正是酵母最爱的食物。他们的目标是将这种废弃物转化为红酵母（Rhodotorula mucilaginosa）的生长培养基，这种红酵母以其生产类胡萝卜素的能力而闻名。为了使过程更加高效，他们不仅依赖天然酵母，还使用了一种化学工具来创造一种“超级酵母”突变体，使其产生的色素远高于原始菌株。

旅程始于对甘蔗废弃物的准备。研究人员将干燥的甘蔗渣用弱碱性溶液处理，以松动其坚韧的结构，使其更容易被分解。随后，他们加入了一种特定的酶——纤维素酶，它就像一把“分子剪刀”，将长链纤维素切割成酵母生存所需的葡萄糖和木糖等简单糖类。通过对不同化学浓度的仔细测试，他们确定了完美的配方：使用0.75摩尔的氢氧化钠进行处理，随后用每升20克的酶进行水解。这种组合产生了一种富含可发酵糖类的液体，每升约含有27.34克葡萄糖和3.59克木糖。这种甜美的肉汤成为了酵母的新家，用这种可再生、低成本的替代品取代了昂贵的精制糖。

准备好食物来源后，研究人员将注意力转向了改进酵母本身。他们知道天然的红酵母虽然具备能力，但他们想要突破其极限。为此，他们将酵母细胞暴露在甲基磺酸乙酯中，这是一种化学诱变剂，会在生物体的遗传密码中引入微小的、随机的变化。可以将这个过程想象成在酵母的“说明书”中重新洗牌：大多数洗牌会导致没有变化或得到一副烂牌，但偶尔，一次洗牌会创造出一手好牌。他们测试了各种浓度的化学物质，发现4%的溶液是“黄金比例”。该浓度足以杀死绝大多数细胞（约97.6%），确保只有最强壮的幸存者留下，同时也足够温和，能留下一些经历了有益遗传变化的活力菌落。

从这些化学挑战的幸存者中，研究人员挑选了七个不同的菌落，以观察哪一个进步最大。他们在标准营养液中培养每个菌落，并测量其产生的类胡萝卜素含量。虽然几个突变株都展现出了潜力，但被称为M7的菌株因其稳定性和高产出脱颖而出。当团队将这种突变体与原始的、未经修饰的酵母进行比较时，差异是显著的。M7突变体每克干酵母生物量产生33.12微克的类胡萝卜素，比仅产生22.64微克的原生菌株高出1.46倍。这种提升不仅在于细胞内色素含量的增加，还在于突变体将甘蔗渣肉汤中的糖转化为类胡萝卜素的效率更高。对于每消耗一克葡萄糖，突变体能产出5.15微克类胡萝卜素，而原生菌株的产量不到其一半。

突变体的表现还延伸到了整体产量方面。在相同的时间内，M7菌株产生的总类胡萝卜素浓度为每升液体66.80微克，几乎是原生菌株产出的33.51微克的两倍。这意味着生产速度也快了两倍，突变体每小时每升可产生0.46微克类胡萝卜素，而原始菌株为0.23微克。除了数字之外，研究人员还观察到，该突变体更好地适应了甘蔗环境。原生酵母需要六个小时来适应这种新的肉汤后才开始生长，而M7突变体则能立即开始增殖，这表明遗传变化使其更具韧性且准备好投入工作。

最后，团队测试了这种产量的增加是否真的带来了更强大的抗氧化能力。他们使用了一项衡量物质中和自由基能力的标准化测试，而中和自由基是抗氧化剂的核心功能。来自M7突变体的提取物显示出46.94%的自由基清除活性，高于原生菌株的35.75%。然而，统计分析显示，这一差异在统计学上并不显著，不足以被视为对原始菌株的决定性改进。这表明，尽管突变体产生的类胡萝卜素总量更多，但其产生的色素具体成分可能发生了偏移。酵母会产生多种类型的类胡萝卜素，包括β-胡萝卜素、托鲁烯（torulene）和托鲁红（torularhodin），它们具有不同的抗氧化强度。这可能是因为突变体产生了更多在特定测试中效力较低的类型，或者总色素量的增加还不足以在这一检测中显示出明显的统计学差异。

研究结论指出，结合农业废弃物与遗传改良是实现可持续类胡萝卜素生产的一条可行路径。通过使用甘蔗渣，研究人员证明了不需要昂贵的食用级糖类来驱动这些微生物工厂。通过使用化学诱变，他们展示了天然酵母菌株可以通过增强来工作得更努力、更高效。虽然最终产品的抗氧化能力仍需进一步的详细研究以了解其具体的色素成分，但该过程本身提供了一个充满前景的框架。它将一种废弃物转化为高价值资源，并创造出一种更高效的生物，指向了一个无需通过压力破坏地球粮食系统即可廉价、可持续地生产天然色素的未来。