Etude sur le mode de Production de la poudre de lycopène

Le lycopène est un caroténoïde importantQui appartient à la famille terpène des tétraterpénoïdes....... On le trouve dans la nature principalement dans les tomates, les produits à base de tomates et les fruits tels que les pastèques et les pamplemousses. C’est le principal pigment des tomates mûres. Le lycopène est un antioxydant puissant avec des fonctions physiologiques telles que l’anti-oxydation, la lutte contre le cancer et l’abaissement des lipides sanguins. Il est largement utilisé dans les aliments naturels, la médecine, les cosmétiques et d’autres domaines [1-2]. À l’heure actuelle, le lycopène est largement utilisé comme complément nutritionnel et agent colorant dans de nombreux pays [3]. Les ventes cumulées mondiales de matières premières de lycopène augmentent d’année en année, et les perspectives du marché sont larges.

Productionde poudre de lycopèneRepose principalement sur deux méthodes: l’extraction des plantes et la synthèse chimique. La méthode d’extraction des plantes est limitée par la saison, et le long cycle de croissance des plantes et la faible teneur en produit ne peuvent assurer une La productionintensive et à grande échelle du produit. La méthode de synthèse chimique présente des problèmes tels que les résidus de réactifs chimiques, les formes isomériques multiples et la pollution de l’environnement. La méthode de synthèse de la biotechnologie présente les avantages d’un faible coût, d’un cycle court, d’un approvisionnement stable et d’un développement respectueux de l’environnement et durable. Ces dernières années, elle a attiré de plus en plus l’attention des chercheurs.

A Al’heure actuelle, la recherche sur lesSynthèse biotechnologique de poudre de lycopèneA fait des progrès considérables, tels que la diversification des choix de cellules hôtes microbiennes, la recherche et l’innovation en ingénierie métabolique pour transformer les voies, et l’exploration des procédés de La fermentationet des techniques d’amplification, qui ont considérablement amélioré le rendement de lycopène synthétisé par la biotechnologie. Cependant, la plupart des recherches sont encore axées sur des percées dans un seul domaine technique, et il y a eu relativement peu de recherches systématiques et de synthèse de la synthèse biotechnologique du lycopène.

Par conséquent, cet article passe en revue les aspects physiques etPropriétés chimiques du lycopène et technologies de La productionactuelles, résume systématiquement les recherches sur la biosynthèse du lycopène à l’aide de la biotechnologie représentée par la biologie synthétique, en se concentrant sur la comparaison des méthodes de fermentation de différentes souches et des méthodes précises de quantification du lycopène, et propose des problèmes dans la production de lycopène à l’aide de la biotechnologie et des orientations de recherche futures, En vue de fournir une référence pour la production industrielle de lycopène par la biotechnologie et la biosynthèse d’autres produits naturels à forte valeur ajoutée par la biotechnologie.

1. Propriétés physiques et chimiques et applications de la poudre de lycopène

Le lycopène est un composé tétraterpène,Un composé d’alkényle insaturé, et un caroténoïde qui ne contient pas d’atomes d’oxygène. Le lycopène a la formule moléculaire C40H56 et une masse moléculaire relative de 536,85. Il a 11 doubles liaisons conjuguées et 2 doubles liaisons non conjuguées dans sa structure moléculaire, et existe souvent dans les isomères cis-trans. Dans la nature, le lycopène naturel est principalement all-trans, avec une très petite quantité de cis.

La poudre de lycopène est un pigment liposoluble qui est insoluble dans l’eau,Mais soluble dans les lipides et les solvants organiques non polaires. Sa structure moléculaire contient un chromophore, qui correspond à une région d’absorption unique dans le spectre d’absorption ultraviolet-visible. La profondeur de couleur varie du jaune orangé au rouge foncé selon la concentration de lycopène, et peut légèrement changer avec le solvant. Par exemple, les cristaux de lycopène dissous dans l’huile de tournesol apparaissent un rouge foncé visible, tandis que dissous dans l’éther de pétrole apparaissent jaune. En raison du nombre relativement élevé de doubles liaisons dans la molécule, le lycopène est très réactif et sujet à des réactions d’oxydation et d’isomérisation structurelle dans des conditions de lumière, d’oxygène et de température élevée, qui peuvent conduire à une diminution de l’activité physiologique [4]. Par conséquent, lorsque le lycopène est extrait, des antioxydants tels que la vitamine C, la vitamine E, le 2,6-di-tert-butyl-4-méthylphénol (BHT) et le tert-butylhydroquinone (TBHQ) sont souvent ajoutés [5].

Contrairement àβ-carotène, lycopèneN’a pas les propriétés proactives de la vitamine A, de sorte que son applicationn’a pas été appréciée dans les premiers jours. Cependant, au cours des dernières années, les fonctions physiologiques du lycopène étant progressivement mieux connues, son application s’est répandue. Le lycopène est un antioxydant puissant qui peut récupérer les radicaux libres d’oxygène dans le corps humadanset éteindre l’oxygène singlet. Sa capacité antioxydante est environ 100 fois celle de la vitamine E et deux fois celle du bêta-carotène [6-9]. Il a également été montré pour avoir anti-tumeur, prévenir la maladie de la prostate et réduire le risque de maladie cardiovasculaire [10-11]. Il est largement utilisé dans les cosmétiques, les produits de santé et les aliments. Le lycopène a actuellement obtenu l’agrément «novel food» de l’union européenne et le statut «generally recognizEd edas safe» (GRAS) aux États-Unis. Avec l’amélioration des personnes&#Les etats-unis prévoient que les ventes de lycopène augmenteront à un rythme de 35% par an. Par conséquent, la technologie de biosynthèse efficace du lycopène a une grande valeur d’application sur le marché.

2 méthode de Production de poudre de lycopène

2.1 comparaison des méthodes de production de la poudre de lycopène

Actuellement, il y aTrois méthodes pour produire du lycopène: extraction végétale, synthèse chimique et biosynthèse. La méthode d’extraction des plantes consiste principalement à extraire et à purifier le lycopène des fruits de plantes mûres tels que les tomates. Cependant, cette méthode est influencée par divers facteurs tels que la région, la saison, la variété de tomate et la maturité, et est donc instable. En Chine, le lycopène est principalement extrait des tomates cultivées au Xinjiang (avec de longues journées de soleil). Cependant, la teneur en lycopène des tomates est très faible, généralement seulement 20 mg/kg, et même dans la peau des tomates, où la teneur est plus élevée, elle est inférieure à 0,4 g/kg [12].

Le coût d’extraction est élevé et l’extrait contient souvent d’autres caroténoïdes, ce qui affecte la pureté du produit. Et comme le contenu est faible, le processus d’extraction consomme une grande quantité de solvants organiques, ce qui a un impact plus important sur la pollution de l’environnement. La méthode de synthèse chimique fait principalement appel à la réaction Wittig du chlorure octatriendial et de triphénylphosphine ou du sulfure de triphénylphosphine pour synthétiser le lycopène [13]. La méthode de synthèse chimique présente les caractéristiques d’un rendement élevé (plus de 65%), de matières premières bon marché et recyclables, et de conditions de réaction légères. Bien que la méthode de synthèse chimique ait un rendement élevé et un faible coût, elle est sujette à l’isomérisme en raison des nombreuses liaisons doubles dans la structure du lycopène, et il y a un risque pour la sécurité car le produit peut contenir des résidus de solvant. La méthode de biosynthèse se réfère au processus dans lequel les microorganismes ferment etProduire du lycopène en utilisant abondanteEt des matières premières facilement disponibles comme les sucres, le sirop de maïs et les sels inorganiques. La méthode de fermentation microbienne a non seulement la sécurité de la méthode d’extraction des plantes (les deux sont naturellement dérivés du métabolisme biologique et ne sont pas synthétisés artificiellement), mais présente également les avantages de la production à faible coût et à grande échelle de la méthode de synthèse chimique. Il est considéré comme une méthode idéale pour la production future de lycopène.

2.2 voie de biosynthèse de la poudre de lycopène

Le lycopène est un composé tétraterpénoïde semblable à d’autres terpénoïdes....... Les précurseurs courants de sa biosynthèse sont les deux unités de l’isopentenyle IPP (pyrophosphate d’isopentenyle) et DMAPP (pyrophosphate de diméthylallyle), qui sont des isomères l’un de l’autre [14]. Actuellement, il existe deux façons de synthétiser IPP et DMAPP dans la nature: l’une est la voie MEP (2-méthyl-érythritol-4-phosphate) dans les procaryotes et les plantes, et l’autre est la voie MVA (mévalonate) dans les eucaryotes.

La voie MEP (2-méthyl-érythritol-4-phosphate) dans les procaryotes et les plantes, et la voie MVA (mévalonate) dans les eucaryotes.

La voie MEP utilise le pyruvate et le 3-phosphoglycérate comme substrats de départ pour synthétiser l’ipp et le DMAPP [15], tandis que la voie MVA utilise la coenzymeacétyle A comme substrat de départ pour synthétiser l’ipp et le DMAPP par une réaction enzymatique en sept étapes [16]. Par rapport à la voie MEP, la voie MVA a été étudiée plus tôt et son mécanisme de réaction est plus approfondi. La voie de biosynthèse du lycopène peut être divisée en deux modules. Le module en amont est le processus de synthèse des substances précurseurs IPP et DMAPP, et le module en aval est le processus de synthèse du lycopène à partir de la ppi et du DMAPP (voir la Figure 1 pour un aperçu). L’ipp et le DMAPP subissent des réactions de condensation par étapes sous l’action de l’isopentenyl transférase pour générer du GGPP, puis le GGPP (géranylgéranyl pyrophosphate) est converti enoctahydro-lycopènePar l’action de l’octahydro-lycopène synthase (phytoène synthase, CrtB), puis au lycopène par l’action de l’octahydro-lycopène déshydrogénase (phytoène dénaturase, CrtI).

2.3 micro-organismes qui synthétisent le lycopène

Les microorganismes actuellement connus qui ferment pour produirelycopèneComprennent: le pantoea qui peut synthétiser le lycopène lui-même, Blakeslea trispora, et la levure métabolisée, Yarrowia lipolytica, et Escherichiacoli. Parmi eux, Blakeslea trispora a été plus étudié [17] et est également la seule souche qui peut atteindre la production industrielle de β-carotène. Le lycopène, produit intermédiaire dans la synthèse du β-carotène, peut être accumulé en ajoutant un inhibiteur de lycopène cyclase au cours du processus de fermentation. Plusieurs études ont montré que la production de lycopène par Blakeslea trispora a été continuellement améliorée, et la production de lycopène la plus élevée rapportée est de 3,4 g/L [18]. Cependant, la moisissure à trichothecène est sujette à la dégénérescence pendant la sous-culture, ce qui entraîne des rendements instables. De plus, le long cycle de croissance le rend moins productif, et la nécessité d’ajouter des inhibiteurs pendant la production limite également considérablement le processus de fermentation du lycopène avec le moisissure trichothecène [19].

3 recherche sur la synthèse biotechnologique du lycopène

3.1 modification technique des principaux microorganismes pour la synthèse du lycopène

Escherichia coli est l’un des hôtes microbiens les plus couramment utilisés pour la synthèse hétérologue des terpénoïdes. Des avantages tels qu’un contexte génétique clair, une croissance cellulaire rapide et une multitude d’outils de manipulation génétique font de E. coli une plate-forme d’accueil idéale pour le développement de produits industriels. Certains chercheurs ont réussi à concevoir E. coli pour la production hétérologue deCaroténoïdes à haut rendementPar l’ingénierie métabolique et les techniques de biologie synthétique [20-21]. Toutefois, en raison des risques de sensibilité à l’infection par les phages et de la présence d’endotoxines [22], l’utilisation d’e. coli pour produire du lycopène présente actuellement certains risques pour la salubrité des aliments et son application industrielle est donc limitée.

SaccharomycesLes cerevisiaeest un organisme modèle eucaryote dont le génome a été séquencé, dont la biologie cellulaire a été bien caractérisée et pour lequel il existe des outils et des méthodes de manipulation génétique matures. Il n’y a aucun risque de contamination par les phages lors de la fermentation à grande échelle de Saccharomycescerevisiae, et il est généralement considéré comme plus sûr que Escherichia coli. Par conséquent, l’utilisation de l’ingénierie métabolique pour transformer Saccharomyces Les cerevisiaepour la production hétérologue de lycopène est considérée comme ayant de grandes perspectives d’application. Comme Escherichia coli, les Saccharomyces Les cerevisiaene peuventSynthétiser les caroténoïdesEt doit introduire les gènes de synthèse pertinents [23-26].

Yarrowia lipolytica est un hôte microbien non conventionnel qui produit de grandes quantités de lipides et est considéré comme sans danger. Bien qu’il ne puisse pas synthétiser directement les caroténoïdes, il peut produire de grandes quantités du précurseur acétylcoenzyme A, et la synthèse des caroténoïdes peut être réalisée en introduisant des enzymes clés exogènes. Les chercheurs ont mis au point de nombreux outils génétiques pour concevoir la levure de Lipomyces, considérée comme un hôte prometteur pour laProduction de caroténoïdes par la voie MVA[27-28].

Les microalgues eucaryotes, en tant que micro-organismes autotrophiques, peuvent utiliser l’énergie lumineuse et le dioxyde de carbone pour produire de la biomasse, et ont donc un grEt en pluspotentiel métabolique pour la production durable de terpénoïdes. Cependant, les recherches actuelles sur l’ingénierie métabolique des algues de haute altitude sont lodansderrière celles des autres hôtes, ce qui limite dans une certaine mesure son application [29].

La levure rouge Rhodosporidium toruloides peut produire des pigments tels queβ-carotène et γ-carotènePar biosynthèse intracellulaire. Les chercheurs ont amélioré sa capacité de production de caroténoïdes en optimisant les conditions de culture et la mutagénèse. Cependant, il existe actuellement très peu de recherches sur la levure rouge, probablement en raison des limites des données génomiques disponibles et du manque d’annotation fonctionnelle des gènes clés, ce qui a largement nui à l’ingénierie métabolique des caroténoïdes à haut rendement [30]. D’autres levures non caroténogènes, comme Pichia pastoris, qui peuvent croître à de fortes densités sans accumulation d’éthanol, ont également été modifiées pour synthétiser les caroténoïdes, mais les rendements sont faibles et doivent être étudiés [31].

3.2 stratégies d’ingénierie des microorganismes pour synthétiser le lycopène

1) amélioration du module en amont (fourniture de précurseurs IPP/DMAPP)

Pour obtenir des rendements élevés de caroténoïdes tels que le lycopène, l’augmentation de la synthèse des précurseurs généraux IPP et DMAPP est une stratégie efficace. La synthèse de la pip et du DMAPP implique deux voies naturelles, la voie MEP et la voie MVA. (a) la voie MEP se trouve principalement chez les procaryotes. Le DXL let l’idi sont généralement considérés comme les principales enzymes limitant le taux dans cette voie, et ont été surexprimés pour améliorer la synthèse de l’isoprénoïde [32]. Li et al. [33] ont constaté que l’ispa, l’isph et l’ispe augmentaient davantage le flux de la voie dans les souches surexpressées DXS et IDI. La surexpression de l’ispg peut effectivement réduire le flux sortant de MEC dans la cellule, ce qui entraîne une augmentation significative de la production d’isoprénoïde en aval [34]. Sur cette base, Li et coll. [35] ont réussi à augmenterProduction de lycopène de 77%En activant IspG et IspH pour éliminer l’accumulation d’intermédiaires MEP. (b) la voie MVA se trouve principalement chez les eucaryotes. La HMG-CoA réductase est la première étape de la biosynthèse des composés isoprénoïdes par la voie MVA [36]. La surexpression de la région catalytique HMG-CoA réductase (tHMG1) chez Saccharomyces cerevisiae peut augmenter la production de lycopène [24]. De plus, bien que certains progrès aient été réalisés dans la production de caroténoïdes en optimisant la voie du peoa, les mécanismes de régulation des hôtes naturels dans la voie du peoa limitent son application [37]. Pour contourner cette voie, Zhu Fayin et al. [20] ont introduit la voie MVA complète et les gènes exogènes dans Escherichia coli, et ont obtenu un rendement en lycopène de 1,44 g/L par alimentation en lots et optimisation de la fermentation.

(2) (2) La recherche sur les modules en aval (leLycopène voie de synthèse hétérologue). Une stratégie commune consiste à introduire des gènes de voie hétérologues dans des hôtes non caroténoïdes pour produire des caroténoïdes, en convertisant les précurseurs de la synthèse terpène IPP et DMAPP en caroténoïdes. Verwaal et al. [38] ont exprimé un plasmide chez E. coli contenant des gènes codant pour la geranylgeranyl pyrophosphate synthase et l’octahydro-lycopène synthase, ainsi que l’adnc codant pour la lycopène désaturase, et ont finalement observé l’accumulation de lycopène. L’introduction de copies de CrtI et de tHMG1 dans des cellules de levure synthétisant des caroténoïdes a augmenté la teneur en β-carotène. Afin d’obtenir une expression de haut niveau et génétiquement stable des gènes de voie hétérologue, Tyo et al. [39] ont établi un système d’expression sans plasmides et à haute copie génétique pour l’évolution chromosomique induite chimiquement, qui a été utilisé dans le génie génétique E. coli et a finalement augmenté la production de lycopène de 60% par rapport au système d’expression plasmides. Des études ont montré que l’optimisation de la voie de synthèse du lycopène est très importante pour le lycopène hétérologue à haut rendement.

3) régulation vers le bas de la voie de contournement

4) lePrécurseur de la synthèse du lycopène, FPP, est également un précurseur commun de nombreux métabolites de levure (tels que l’ubiquinone, les alcools terpéniques, le squalène, etc.). Cependant, la suppression directe de ces gènes de voie concurrentielle précurseurs (comme le gène de synthèse du squalène) aura un grEt en plusimpact sur la croissance cellulaire. Par conséquent, de nombreux chercheurs sont engagés à réduire la régulation de ces voies compétitives pour améliorer le flux de synthèse du lycopène. Le remplacement d’un promoteur faible par le promoteur naturel pour réduire la régulation du gène de la squalène synthase sqs1 peut augmenter le rendement titrable de β-carotène de (453,9 ± 20,2) mg/L à (797,1 ± 57,2) mg/L chez Yarrowia lipolytica [40]. Xie Wenping et al. [41] ont utilisé le contrôle pHXT1 du promoteur à forte induction du glucose et à faible répression du glucose chez Saccharomyces cerevisiae pour obtenir l’expression séquentielle du gène erg9 et des gènes de la voie des caroténoïdes en réponse aux changements de la concentration de glucose dans la culture, entraînant une augmentation significative de la production de lycopène dans la levure. Hong et al. [42] ont éliminé les gènes dpp1 et lpp1 de Saccharomyces cerevisiae pour supprimer la voie concurrente pour la production de farnesol, et ont supprimé la production d’ergostérol en diminuant l’expression erg9, ce qui a également augmenté la production de lycopène. Les études ci-dessus ont pleinement démontré que la réduction des voies concurrentes est une stratégie efficace pour augmenter la production de lycopène.

4) Transformation de la cellule du châssis

En plus deOptimiser la voie de synthèse hétérologue du lycopène, la transformation de la cellule du châssis hôte est également nécessaire pour correspondre à la voie hétérologue. La Modification de la cellule du châssis comprend: l’amélioration du flux des précurseurs de l’acétyl-coa [43], le renforcement de l’approvisionnement en cofacteurs tels que l’atp et le NADPH, l’élimination de certains gènes non essentiels, et l’évolution adaptative de la souche. L’acétyl-coa est le substrat de la biosynthèse des caroténoïdes. Chen Yan et al. [24] ont étudié en détail le mécanisme d’action du gène ypl062w chez Saccharomyces cerevisiae. La suppression de ypl062w peut améliorer le flux d’acétylcoenzyme A et finalement augmenter la production de lycopène, jusqu’à 1,65 g/L. Zhou et al. [26] ont utilisé l’évolution adaptative de Saccharomyces cerevisiae combinée à des techniques d’ingénierie métabolique pour obtenir un rendement de fermentation alimenté en lot de 8,15 g/L de lycopène. L’apport d’atp en tant qu’énergie et de NADPH en tant que puissance réductrice est un facteur important affectant la synthèse des caroténoïdes. En modifiant les modules métaboliques centraux pour l’assimilation des sources de carbone (voies EMP et PPP), l’approvisionnement en ATP et en NADPH a été amélioré, et E. coli artificiel a pu synthétiser 2,1 g/L de β-carotène dans la fermentation discontinue [44]. La modulation de l’expression des gènes sucAB et sdhABCD peut augmenter le flux de carbone du cycle TCA et augmenter l’apport d’atp. De plus, la modulation du gène talB peut augmenter l’apport en NADPH, ce qui augmente le rendement de synthèse du lycopène par E. coli à 3,52 g/L [45].

(5) (en anglais) Ingénierie métabolique systématique de Saccharomyces cerevisiae pour produire du lycopène à haut rendement. Un résumé est présenté aux Figures 2 et 3.

Shi Bin et al. [25] ont systématiquement modifié Saccharomyces cerevisiae de manière efficaceBiosynthétiser le lycopène par l’ingénierie métaboliqueA) l’accumulation de métabolites secondaires et la croissance de la cellule hôte doivent être équilibrées; (b) la voie de synthèse hétérologue du lycopène doit être renforcée dans la levure; (c) les cellules du châssis de levure doivent être modifiées pour fournir plus de substances précurseurs et une puissance réductrice; (d) la technologie de fermentation de la levure doit être optimisée. Et des solutions correspondantes proposées, y compris: (a) en criant un groupe de promoteurs de GAL qui peuvent raisonnablement contrôler la voie de synthèse hétérologue du lycopène, en séparant la croissance des cellules de levure de l’accumulation du produit de lycopène en termes de séquence de temps, et la force du promoteur est également comparable à celle du promoteur fort constitutif pendant la période de synthèse du produit; (b) criblage complet des trois sources géniques clés de la voie de synthèse hétérologue du lycopène, en obtenant une nouvelle combinaison optimale de PaCrtE, PagCrtB et BtCrtI qui fonctionne efficacement chez Saccharomyces cerevisiae. C) une série de modifications ont également été effectuées sur les cellules du châssis de Saccharomyces cerevisiae afin de fournir suffisamment de précurseurs pour la synthèse du lycopène, la coenzyme acétyle A et le pouvoir réducteur NADPH (coenzyme réduit II), et d’éradiquer certains gènes endogènes non essentiels qui influent sur l’accumulation du lycopène afin d’augmenter encore la production de lycopène; (d) grâce à ces systèmes, des méthodes d’ingénierie métabolique combinées à la transformation des processus de fermentation de Saccharomyces cerevisiae permettent de biosynthétiser efficacement le lycopène.

Il a édité quatre questions clés: a) l’accumulation de métabolites secondaires et la croissance de la cellule hôte doivent être équilibrées; B) selon le cas:Lycopène voie de synthèse hétérologueDoit être amélioré en levure; (c) les cellules du châssis de levure doivent être modifiées pour fournir plus de substances précurseurs et une puissance réductrice; (d) la technologie de fermentation de la levure doit être optimisée. Et des solutions correspondantes proposées, y compris: (a) en criant un groupe de promoteurs de GAL qui peuvent raisonnablement contrôler la voie de synthèse hétérologue du lycopène, en séparant la croissance des cellules de levure de l’accumulation du produit de lycopène en termes de séquence de temps, et la force du promoteur est également comparable à celle du promoteur fort constitutif pendant la période de synthèse du produit; (b) examen exhaustif des trois sources géniques clés de laLycopène voie de synthèse hétérologue, obtenir une nouvelle combinaison optimale de PaCrtE, PagCrtB et BtCrtI qui fonctionne efficacement dans Saccharomyces cerevisiae. C) une série de modifications ont également été effectuées sur les cellules du châssis de Saccharomyces cerevisiae afin de fournir suffisamment de précurseurs pour la synthèse du lycopène, tels que la coenzyme acétyle A et le pouvoir réducteur NADPH (coenzyme réduite II), et d’éradiquer certains gènes endogènes non essentiels qui influent sur l’accumulation du lycopène afin d’augmenter encore la production de lycopène; D) grâce à ces systèmes, des méthodes d’ingénierie métabolique combinées à l’optimisation de la fermentation des milieux synthétiques par Saccharomyces cerevisiae, le rendement en lycopène a atteint 3,28 g/L, ce qui a atteint au départ le niveau industriel. En outre, la stratégie d’ingénierie métabolique développée pour le Saccharomyces cerevisiae a également été étendue avec succès à la synthèse biotechnologique d’autres composés terpéniques, tels que le β-farnesène [46], le bergapten [47], et d’autres sesquiterpènes tels que le β-caryophyllène. Parmi eux, Deng Xiaomin et al. [47] ont utilisé cette stratégie d’ingénierie des systèmes pour augmenter le rendement du bergapten produit par l’ingénierie métabolique des souches de Saccharomyces cerevisiae à 34,6 g/L.

3.3 processus de Fermentation des bactéries issues du lycopène

A l’heure actuelle, les recherches sur la fermentation desLycopène à haut rendementPar les micro-organismes a également fait de grands progrès. Les matières premières de fermentation, les procédés et les écailles utilisés par les différentes souches seront différents (résumés dans le tableau 1). La matrice du substrat utilisé dans le processus de fermentation varie selon le type de micro-organisme. Les hôtes de fermentation ayant une synthèse hétérologue du lycopène plus mature sont généralement Escherichia coli et Saccharomyces cerevisiae. En général, la fermentation d’escherichia coli utilise le glycéol comme source de carbone [20,45], tandis que Saccharomyces cerevisiae utilise principalement le glucose comme source de carbone [23-26].

Zhu Fayin et al. [20] ont utilisé le glycéol comme source de carbone pour l’escherichia coli d’ingénierie et ont obtenu unRendement en lycopène de 1,44 g/LUtilisation d’un milieu entièrement synthétique dans un fermenteur de 5 L. L’échelle de fermentation a ensuite été étendue à 150 L, donnant 1,32 g/L, ce qui indique que la souche peut être mise à l’échelle pour la production. Sun et al. [45] ont utilisé des E. coli artificiels pour fermenter dans un fermenteur de 7 L avec du glycénol comme source de carbone dans l’alimentation en lots, et ont finalement obtenu 3,52 g/L de lycopène. Chen Yan et al. [24] ont utilisé des Saccharomyces cerevisiae pour fermenter le glucose et l’éthanol comme sources de carbone et l’extrait de levure et le peptone comme sources d’azote dans un fermenteur de 5 litres utilisant l’alimentation en lots.

Ils ontObtenu un titre de lycopène de 1,65 g/L.Shi Bin et al. [25] ont utilisé le Saccharomyces cerevisiae modifié pour effectuer une fermentation en deux étapes dans un fermenteur de 7 L utilisant du glucose et de l’éthanol comme sources de carbone et du sulfate d’ammonium comme source d’azote. Les résidus de glucose et d’éthanol dans le bouillon de fermentation ont été strictement contrôlés et un titre final de lycopène de 3,28 g/L a été obtenu. Étant donné que Saccharomyces cerevisiae présente de nombreux avantages par rapport à Escherichia coli, comme une sécurité alimentaire élevée et une résistance aux infections par phages, la recherche sur la fermentation du lycopène par Saccharomyces cerevisiae est plus prometteuse. À l’heure actuelle, les milieux naturels YPD, qui utilisent souvent du peptone et de l’extrait de levure comme sources d’azote pour la fermentation de la levure [24,26], ainsi que les milieux semi-synthétiques avec du sulfate d’ammonium, de l’extrait de levure et du peptone comme sources d’azote mélangées [23], et les milieux entièrement synthétiques avec du sulfate d’ammonium comme source d’azote [25]. Les médias entièrement synthétiques présentent les avantages d’être peu coûteux, faciles à fermenter à plusieurs reprises et à augmenter à grande échelle, et d’avoir une composition claire qui est commode pour une optimisation ultérieure. À l’avenir, des recherches supplémentaires devraient être faites sur la fermentation des milieux synthétiques de levure pour rendre la production de lycopène élevée et stable, reproductible et évolutive, posant une base solide pour les applications industrielles ultérieures.

Extraction et quantification du lycopène synthétisé par des micro-organismes

Caroténoïdes tels queLe lycopène a de fortes propriétés antioxydantes, et le risque d’oxydation et d’isomérisation doit être réduit au minimum pendant le processus d’extraction [49]. Par exemple, certaines études ont choisi d’opérer dans des conditions protégées contre la lumière [20,45], ou d’ajouter l’antioxydant BHT à l’agent d’extraction [24-25,27]. Les solvants d’extraction couramment utilisés sont l’acétone, l’éther de pétrole, le chloroforme, l’hexane, l’acétate d’éthyle, etc. [49]. Puisque le lycopène est un produit intracellulaire, la rupture de la paroi cellulaire est nécessaire, et la méthode de rupture de la paroi cellulaire varie en fonction de l’épaisseur de la paroi cellulaire hôte. Par exemple, la paroi cellulaire d’escherichia coli est relativement mince, la remise en suspension de l’acétone est généralement utilisée, suivie de la destruction de la paroi cellulaire dans un bain d’eau à 55 °C [20, 45]; Les organismes eucaryotes tels que la levure liposoluble et le Saccharomyces cerevisiae ont des parois cellulaires plus épaisses, et des billes de verre et des réactifs d’extraction sont habituellement ajoutés pour briser les cellules par agitation [25, 27]; La paroi cellulaire de la levure peut également être brisée par ébullition dans un bain-marie avec de l’acide chlorhydrique [23-24].

Les méthodes utilisées pour détecter etQuantifier les caroténoïdes tels que le lycopèneLes études existantes varient également. La plupart des études utilisent la chromatographie liquide à haute performance (CLHP) pour détecter les caroténoïdes tels que le lycopène et le β-carotène [23-26,45], tandis que quelques études utilisent la spectrophotométrie ultraviolette [20,27]. Parce que la détection par spectrophotomètre uv est perturbée par des impuretés ayant la même longueur d’onde d’absorption, et que la méthode HPLC détecte d’abord en séparant différentes substances puis en détectant la valeur d’absorption. Relativement, la quantification précise des caroténoïdes tels que le lycopène par CLHP est plus précise, tandis que la détection par spectrophotomètre uv peut être utilisée comme moyen supplémentaire pour évaluer dans un premier temps l’évolution des changements de rendement au cours de la fermentation.

La plupart des études ont utilisé une courbe standard avec des normes correspondantes pour le lycopène et le β-carotène pour calculer le rendement [23-26,45], mais n’ont pas indiqué si le produit acheté a été utilisé.Lycopène / β-carotèneLes normes ont été étalonnées. Seuls quelques chercheurs ont déclaré explicitement que la concentration de la solution étalon avait été étalonnée avant de tracer la courbe normalisée [25]. La raison pour laquelle la concentration de la solution étalon préparée doit être étalonnée est qu’il est difficile de peser avec précision une petite quantité de lycopène ou de β-carotène étalon, et il n’est pas facile de déterminer avec précision si les cristaux de lycopène dans le solvant organique se sont complètement dissous. En outre, la pureté de la norme achetée peut également changer en raison des méthodes de stockage et du temps. Ces facteurs objectifs peuvent causer des erreurs importantes dans le dessin de la courbe standard du lycopène, ce qui fait que le rendement calculé n’est pas très précis. Afin d’éliminer l’interférence des facteurs ci-dessus, la méthode courante consiste d’abord à utiliser un spectrophotomètre pour mesurer l’absorbance du lycopène préparé et d’autres solutions étalons de caroténoïdes, puis à calculer la teneur absolue des caroténoïdes dans la solution selon le coefficient d’extinction correspondant [25, 50-51]. Cette méthode permet d’éliminer les erreurs causées par une pesée inexacte ou une dissolution incomplète de l’échantillon. En résumé, la CLHP est utilisée pour détecter avec précision le lycopène dans l’échantillon, et une courbe normalisée est tracée à l’aide d’une solution étalon étalonnée, et les résultats quantitatifs seront plus précis.

4 Conclusion et perspectives

Le lycopène, en tant qu’antioxydant puissant, a beaucoup de bonnes fonctions physiologiques et a une large perspective de marché. Cet article fournit un examen détaillé des propriétés physico-chimiques, des fonctions physiologiques et desMéthodes de production du lycopène, et se concentre sur la synthèse des progrès actuels de la recherche dans la production de lycopène par la biotechnologie, y compris la sélection de la diversité des cellules hôtes microbiennes, les dernières stratégies d’ingénierie métabolique, les méthodes de fermentation et d’extraction du lycopène et les méthodes de quantification précises.

Bien que certains progrès aient été réalisés dans la synthèse biotechnologique du lycopène, il subsiste encore de nombreux problèmes avec le lycopène.Processus de biosynthèse lycopèneParce qu’il s’agit d’un projet de recherche d’ingénierie complexe avec de nombreux facteurs d’influence. Ce qui suit résume les orientations de recherche pertinentes pour l’avenir:

(1) (1) Intensification et réplication stable de la production de fermentation. A l’heure actuelle, la plupart des recherches sur la synthèse biotechnologique du lycopène en sont encore au stade de laboratoire d’expériences en cuve de fermentation à petite échelle, tandis que la recherche industrielle est souvent basée sur une production de fermentation à grande échelle calculée en tonnes ou en dizaines de tonnes. L’intensification de la Fermentation de la production à petite échelle à la production pilote n’est pas simplement une augmentation linéaire du volume du réservoir, mais implique également de nombreux défis tels que le transfert inégal de chaleur, le transfert de masse et le transfert d’oxygène, ainsi que des changements dans le modèle de croissance de la souche. Selon l’auteur&#Dans la pratique, au cours du processus d’amplification de la fermentation des souches modifiées, des problèmes tels que le vieillissement prématuré des souches, la dégradation du phénotype des souches, des changements dans les stratégies d’alimentation et des rendements de fermentation instables peuvent survenir. Les chercheurs doivent ajuster individuellement les paramètres et les conditions de l’amplification du processus de fermentation. La recherche Future sur l’amplification de l’échelle de production de fermentation est la clé pour résoudre le problème de l’industrieProduction de lycopène par la biotechnologie.

(2) Extraction etProcédé de purification du lycopèneDe sources microbiennes. Le lycopène est un produit intracellulaire, et le processus d’extraction et de purification comporte de nombreuses étapes telles que la rupture cellulaire, l’élimination des impuretés et la cristallisation du lycopène. Au cours de ce processus, le lycopène est facilement oxydé, ce qui entraîne des changements structurels. Par conséquent, le taux d’extraction est difficile à assurer, et des recherches approfondies sont nécessaires sur le processus d’extraction et de purification du lycopène à partir de sources microbiennes.

(3) recherche surTests de qualité du lycopène microbien.Bien que le lycopène microbien soit également un produit de catalyse enzymatique, il n’est pas dérivé de tomates naturelles et peut entraîner des problèmes tels que la modification génétique. Par conséquent, le lycopène microbien doit d’abord être identifié structurellement pour s’assurer qu’il est conforme aux sources naturelles de tomates, puis des tests de qualité de la qualité du produit, comme les résidus de métaux lourds et la teneur en microbiens, sont nécessaires. Assurer la structure et la qualité du produit est également un facteur important affectant l’application du lycopène microbien sur le marché.

(4) contrôle des coûts de Production: si elle veut être compétitive sur le marché avecLycopène naturellement extrait,Le lycopène synthétisé biotechnologiquement doit avoir un avantage significatif en termes de coûts. Les principaux coûts de la fermentation biologique pour produire du lycopène comprennent les matières premières de fermentation, la dépréciation des équipements, l’extraction et la purification, la main-d’œuvre et la commercialisation. Les facteurs de coût doivent être pris en compte lors de la conception et de l’optimisation des conditions de processus de production, comme l’utilisation de milieux de fermentation entièrement synthétiques moins coûteux, la répartition des coûts par une intensification de la fermentation et l’utilisation de méthodes plus avancées telles que la perturbation des cellules enzymatiques pour extraire le lycopène afin de réduire les coûts de production.

La résolution de ces problèmes revêt une grande importance théorique et pratique pour la promotion de l’industrialisation du pays.Production de lycopène par biotechnologie, et peut également servir de référence pour la recherche sur la production biotechnologique d’autres produits naturels à forte valeur ajoutée.

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