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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2015, 31(2):196-201
番茄红素是一种具有 11 个共轭双键和两个非共
轭双键的不饱和碳氢化合物，是许多类胡萝卜素生
物合成的中间体，其经过环化后可形成其他种类的
类胡萝卜素，如 β-胡萝卜素、玉米黄素、虾青素等［1］。
番茄红素具有很强的抗氧化作用，其对单线氧的清
除能力是β-胡萝卜素的 2 倍，在类胡萝卜素中最强［2］，
同时番茄红素还具有对自由基的清除、抵挡 UV 导
致的皮肤光伤害［3-5］、阻断形成亚硝胺、抑制肿瘤
细胞增殖、诱导细胞分化、减少 DNA 损伤以及促
进细胞间隙连接通讯等作用［6，7］，故其在淬灭单线
态氧、消除氧自由基、降低癌症发病率、增强人体
免疫功能以及防治心血管疾病方面具有良好的应用
前景［8-12］。
目前，生产天然类胡萝卜素的主要菌种为三孢
布拉氏霉（Blakeslea trispora）和红酵母（Rhodotoru-
lar）。虽然与三孢布拉氏霉相比，红酵母的单位产量
比较低，但由于其具有营养要求简单、生长周期短、
易于放大培养、菌体营养丰富等许多优点，具有很
高的实用价值。
粘红酵母发酵生产番茄红素是好氧发酵过程，
溶氧水平会影响细胞类胡萝卜素的产率，为了保证
发酵中氧的供应，通常是采用大通气量及高搅拌输
出功率相结合的方法，造成动力成本上升，并因剪
切力过大，泡沫增多，不易控制等从而不利于发酵
生产。
近来年，新的强化传氧技术的发展方向之一就
收稿日期 ：2014-08-19
作者简介 ：李娜娜，女，硕士研究生，研究方向 ：生物活性物质的研究 ；E-mail ：759365635@qq.com
通讯作者 ：吴晓英，女，副教授，硕士生导师，研究方向 ：生物制药与生物资源的综合利用 ；E-mail ：xywu@scut. edu. cn
液态烷烃氧载体对粘红酵母发酵产番茄红素的影响
李娜娜  吴晓英  吴振强
（华南理工大学生物科学与工程学院，广州 510006）
摘 要 ： 研究正己烷、正十二烷、正十六烷 3 种液态烷烃作为氧载体对粘红酵母生长和番茄红素合成的影响，发现氧载体
不仅使菌体生物量提高，同时使单位细胞的番茄红素产率增大，从而提高粘红酵母合成番茄红素的能力。3 种液态烷烃中正十二
烷作为氧载体效果较好，试验结果表明，在发酵第 0 h 时添加 4% 的正十二烷，细胞生物量达到 16.49 g/L，番茄红素合成量达到
42.32 mg/L 分别比对照组提高了 26.2% 和 50.17%。
关键词 ： 粘红酵母 ；番茄红素 ；液态烷烃 ；氧载体 ；传递效率
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.02.029
A Effect of Liquid Alkane Oxygen-vectors on Rhodotorula
Fermentations and Lycopene Production
Li Nana Wu Xiaoying Wu Zhenqiang
（School of Bioscience ＆ Bioengineering，South China University of Techology，Guangzhou 510006）
Abstract ： Addition of oxygen-vectors（n-hexane, n-dodecane, hexadecane）to fermentation medium was recognized as a method of
enhancing oxygen transfer and promoting lycopene yield by Rhodotorula fermentation. n-dodecane as an oxygen-vector is the best in three kinds
of liquid alkane. Experimental results show that the biomass of Rhodotorula attained 16.49 g/L and the yield of lycopene biosynthetic reached
42.32 mg/L by adding 4% n-dodecane in the 0 h, which was 26.2% and 50.17% higher than the control group, respectively.
Key words ： Rhodotorula ；lycopene ；liquid alkane ；oxygen-vectors ；oxygen transfer
2015,31(2) 197李娜娜等：液态烷烃氧载体对粘红酵母发酵产番茄红素的影响
是向发酵液中引入一种新的液相，以减少气液传氧
阻力，从而提高传氧效率［13］。这种液相一般具有比
水更高的溶氧能力，且与发酵液互不相溶，称为氧
载体。有文献报道［14］加入诸如煤油、正己烷、正
十二烷等氧载体后，可提高同一反应系统的 Kla（传
氧系数）值 30%-300%，或达到同一混合效果降低
搅拌功率 30% 以上的优点。目前，国内用液态烷烃
作为氧载体发酵粘红酵母产类胡萝卜素鲜有报道，
本研究主要研究不同液态烷烃氧载体对粘红酵母液
态发酵生产番茄红素的影响，旨在探讨氧载体在相
应发酵体系中的作用。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 菌种 本实验室保藏的粘红酵母（Rhodotorula
glutinis）2.27，-80℃冷冻保存。
1.1.2 主要仪器和试剂 番茄红素标准品（≥ 95%），
上海融合科技发展有限公司 ；烟碱（95%），西安天
则生物技术有限责任公司。
SHP-450D 型生化培养箱，上海森信实验仪器
有限公司 ；SKYB2112B 型恒温摇床，广州科桥实验
技术设备有限公司 ；LD5-2A 低速离心机，背景医用
离心机厂 ；2802S 型紫外分光光度计，尤尼科（上
海）仪器有限公司 ；Waters 高效液相色谱仪 1525、
Waters 紫外分光检测器 2487。
1.1.3 培养基与培养方法 斜面活化培养基 ：葡萄
糖 20 g/L，蛋白胨 10 g/L，酵母粉 10 g/L，琼脂 20 g/L，
pH 自然。
液体种子培养基：葡萄糖 20 g/L，蛋白胨 10 g/L，
酵母粉 10 g/L，pH 自然。
液体发酵培养基：葡萄糖 50 g/L，蛋白胨 15 g/L，
酵母粉 10 g/L，核黄素 0.5 mg/L，初始 pH5。
种子斜面活化培养 ：挑取一环粘红酵母接入斜
面活化培养基中，28℃培养 48 h。
液体种子培养 ：从活化了的斜面种子中挑取
两环黏红酵母接种于装有 30 mL 液体种子培养基的
250 mL 三角瓶内，28℃下 200 r/min 振荡培养 24 h。
液体发酵培养 ：以 5% 的接种量，将液体种子
接入到装有 25 mL 发酵培养基的 250 mL 三角瓶中，
28℃下 200 r/min 振荡培养 96 h。
1.2 方法
1.2.1 氧载体试验 选择正己烷、正十二烷、正
十六烷作为待测氧载体，通过 0.22 μm 滤膜过滤除菌。
筛选氧载体试验中，在接种的同时分别进行添加浓
度同为 2%（V/V）的正己烷、正十二烷、正十六烷，
在发酵 24 h 添加环化酶抑制剂烟碱，继续发酵至 96
h。考察具有不同 LogP 值的氧载体对粘红酵母产番
茄红素的影响。所有试验均做 3 个平行。
1.2.2 生物量的测定 发酵结束后，取 10 mL 液体
发酵液转入离心管中，以 4 000 r/min 离心 10 min，
弃去上清液，沉淀水洗离心两次，得到酵母泥，于
60℃下过夜烘干，称干重量。
1.2.3 番茄红素的提取 发酵结束后，参照文献［15］
采用热酸法破壁。
丙酮浸提 ：取发酵液 10 mL 转入离心管中，以
4 000 r/min 离心 10 min，沉淀水洗后得到酵母泥 ；
加入 3 mol/L 的 HCl 溶液 5 mL，混合均匀后浸泡 90
min，然后沸水浴 6 min，迅速冷却，再 4 000 r/min
离心 10 min，得沉淀水洗 2 次，离心后得到菌体残片；
加入丙酮 9 mL，混合均匀，浸提 60 min，4 000 r/min
下离心 10 min，得到色素丙酮浸提液。
1.2.4 番茄红素含量测定方法 将色素提取液用
0.22 μm 的 微 孔 滤 膜 过 滤 后， 以 高 效 液 相 色 谱 法
（HPLC）测定提取液中番茄红素的含量。同时配制
不同浓度的标准品溶液，在相同条件下测定，根据
峰面积制备标准曲线定量。
Waters-1525 高 效 液 相 色 谱 仪 ；色 谱 柱 为 ：
Agilent HCC18 柱（5 μm，250 mm×4.6 mm）；
Binary 高 效 泵 ；检 测 器 为 ：Waters-2487，Double
Absorbance Detector ；数据分析软件 ：Breeze。
高效液相色谱条件：流动相为 V（乙腈）∶V（甲
醇）∶V（二氯甲烷）=21∶21∶8，检测波长为 472
nm，流速为 1.5 mL/min，柱温为 28℃，进样量为
10 μL。
2 结果
2.1 番茄红素标准曲线
准确称量 2.0 mg 的番茄红素标准品，用丙酮
溶解，定容于 10 mL 的棕色容量瓶中，质量浓度
为 200 μg/mL。再分别稀释成 150、100、50、25 和
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.2198
12.5 μg/mL 的质量浓度梯度，经 0.22 μm 滤膜过滤后
HPLC 检测，数据处理，得到峰面积与质量浓度的
关系，如图 1 所示。
本试验考察的 3 种液态烷烃氧载体中，正十六
烷对细胞生长最有利，但正十二烷对粘红酵母合成
番茄红素最有利（表 2）。当正十二烷的添加体积分
数为 2% 时，生物量和番茄红素产量达到 16.6 g/L 和
46.9 mg/L，分别比对照组增长了 25.37% 和 46.9%。
正己烷对粘红酵母生长和番茄红素合成也都有一定
的促进作用，但效果不显著。综合考虑，正十二烷
是粘红酵母生长和番茄红素合成的最佳氧载体。
2.3 正十二烷不同添加浓度的影响
表 2 的结果已经证实正十二烷是粘红酵母生长
和番茄红素合成的最佳氧载体，因此对其添加浓度
和添加时间作了进一步优化考察。在发酵的初始，
向 发 酵 液 中 分 别 添 加 0%，1%、2%、4%、8% 和
12% 不同浓度的正十二烷，发酵结束后使用高效液
相色谱（HPLC）测定番茄红素含量以确定氧载体
的最优加入时间。试验结果（图 2）显示，添加正
十二烷的试验组的生物量和番茄红素产量都高于未
添加的对照组，随着正十二烷浓度的不断增大，粘
红酵母的生物量和番茄红素产量均呈现先上升后下
降的趋势，当正十二烷的浓度为 2% 时，生物量达
到最大值 16.9 g/L，比对照组增加 29.4%，番茄红素
产量则在正十二烷的添加浓度为 4% 时达到最大值
42.32 mg/L，比对照组提高了 50.17%。从发酵液的
表观上可以看出，加入 8% 和 12% 的正十二烷时，
摇瓶中存在显著的较大油滴易于浮于表面，而正
十二烷的加入量为 2% 和 4% 的摇瓶中则分散乳化
效果较好，从而更有利于油 - 水两相间的接触与物
质传递。可见，正十二烷作为氧载体有利于菌体的
生长，并能提高单位细胞番茄红素的合成能力，二
者的共同作用使番茄红素的产量显著增加。究其原
因可能是一方面液态烷烃起到了分散剂的作用，增
y=7.9607x4.3226
R2=0.9991
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
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0
0 50 100 150 200⮚㤴㓒㍐ḷ߶૱⎃ᓖμg·mL-1ጠ䶒
〟mV*sec
图 1 番茄红素的标准曲线
2.2 对氧载体的筛选
有机溶剂对细胞生长的影响与其在辛醇 - 水
系统中的分配系数 LogP 密切相关，即 LogP 越高，
对细胞的刺激性或者毒性越小，生物相容性越好。
Laane 等［16］曾提出生物相容性较好的溶剂其 LogP
应该大于 4。参照表 1 中的相关数据，本试验考察
了正己烷、正十二烷、正十六烷作为氧载体对粘红
酵母产番茄红素的影响，结果如表 2 所示。
表 1 有机溶剂的物理性质
溶剂 Log Poctanol Density/（g·L-1）
甲苯 2.9 865
正己烷 3.5 660
正辛烷 4.5 702
正葵烷 5.6 730
正十二烷 6.6 750
正十四烷 7.6 760
正十六烷 8.6 770
表 2 不同有机溶剂作为氧载体对粘红酵母生长和番茄红素合成的影响
氧载体 对照 正己烷 正十二烷 正十六烷
Log P value*［16］ — 3.5 6.6 8.6
生物量 /（g·L-1） 13.24±0.4 15.195±0.3 16.6±0.6 17.34±0.2
单位细胞含量 /（μg·g-1） 1876.2±0.08 1911.2±0.01 2222.89±0.03 2029.98±0.06
番茄红素产量 /（mg·L-1） 24.84±0.3 29.04±0.1 36.5±0.5 35.2±0.5
生物量提高百分率 /% — 14.72 25.37 30.96
产量提高百分率 /% — 16.9 46.9 41.7
注 ：Log P value* ：有机溶剂在辛醇 - 水系统中的分配系数
2015,31(2) 199李娜娜等：液态烷烃氧载体对粘红酵母发酵产番茄红素的影响
加氧气界面的传递面积，从而利于粘红酵母细胞的
生长，另一方面液态烷烃作为氧载体，可以刺激粘
红酵母合成积累番茄红素。
本一致，但添加氧载体的发酵液稍低于对照组试验
（图 4-C），这与刘元帅等［17］研究添加液态烷烃氧载
体对法夫酵母发酵生产虾青素的影响中发现添加正
十六烷的试验组的 pH 值稍微低于对照组的结果一
致。基于试验结果推测这可能是由于正十二烷的添
加，促进菌体的生长，从而加快对氮源的吸收利用。
添加氧载体还增大了细胞对葡萄糖的利用率，葡萄
糖消耗明显加快（图 4-D），这可能也是氧载体促进
细胞生长和番茄红素合成的一个重要原因。
3 讨论
氧载体双液相发酵，强化发酵过程中的氧传
递，主要来自两个方面 ：一是氧在氧载体中的溶解
度大大高于氧在水中的溶解度，如据 Wang 等［14］报
道的有机溶剂正十二烷，氧载体的添加实际是增大
了氧传递的总推动力（C*-C）；另一方面是由于氧载
体在培养基中的分散、乳化，增大了氧传递的相面
积，从而大大提高了氧的体积传递系数，有利于氧
传递［13］。因此可将这些有机溶剂作为氧载体加入发
酵液以提高溶氧浓度，对于某些对氧浓度要求高的
发酵过程，添加适宜浓度的有机溶剂可大幅度提高
目的产物的合成水平［18］。
虽然国内外已有大量试验证明，向发酵液中添
加液态烷烃作为氧载体确实能促进代谢产物的合成。
Da Silva、 Mendes 等［19，20］研究正十二烷对隐甲藻发
酵产 DHA 产量的影响中，发现正十二烷作为一种便
宜的有机溶剂被添加到发酵培养基中时，一方面可
以作为氧载体来增强氧的传递 ；另一方面作为一种
有机相，可以增加 DHA 产量和浓缩脂肪酸。Xu 等［21］
向培养基中添加氧载体正十二烷和正十六烷能提高
三胞布拉氏霉菌合成番茄红素的能力。
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15
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⮚㤴㓒㍐ӗ䟿g·L-1 30201040
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12%8%4%2%1%0% ↓ॱҼ✧Ⲵ␫࣐⎃ᓖV·V
图 2 不同浓度的正十二烷对粘红酵母的生长和产番茄红素
的影响
2.4 4%的正十二烷不同添加时间对发酵的影响
使用氧载体的时间应该是发酵体系出现溶氧限
制时，此时加入氧载体可以解决溶氧不足的限制，
提高发酵生产能力。液体发酵粘红酵母生产番茄
红素的过程中，分别在不同的时间点加入 4% 的正
十二烷，发酵结束后使用高效液相色谱（HPLC）测
定番茄红素含量以确定氧载体的最优加入时间。试
验结果（图 3）显示，随着添加 4% 的正十二烷的时
间的推移，粘红酵母的生物量和番茄红素产量都呈
一个下降的趋势，在发酵开始添加 4% 的正十二烷
的生物量为 17.015 g/L，比在发酵 84 h 时添加 4% 的
正十二烷的生物量 13.17 g/L 提高了 29.1%，番茄红
素的产量达到最大 43 mg/L，比在 84 h 添加获得的
番茄红素产量 30.6 mg/L 提高了 40.52%。在发酵初
期加入正十二烷作为氧载体对粘红酵母的生长效果
明显，可能因为早期加入的正十二烷，可以及时缓
解粘红酵母培养过程中氧气不足的问题。
2.5 添加氧载体对粘红酵母发酵过程的影响
在液体发酵粘红酵母生产番茄红素的过程中的
0 h 时添加氧载体正十二烷 4%，定时取样测量相关
参数，试验组与对照组中粘红酵母的生物量、番茄
红素产量、pH、残糖含量的变化结果如图 4 所示。
从图 4 中可以看出，添加氧载体有利于菌体生
长（图 4-A）并提高了单位细胞类胡萝卜素的合成
能力（图 4-E），两者的共同作用促使番茄红素产
量显著增加（图 4-B）。发酵液的 pH 的变化趋势基
㋈㓒䞥⇽⭏⢙䟿g·L-1

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60 72 84483624120
4%Ⲵ↓ॱҼ✧Ⲵ␫࣐ᰦ䰤h
图 3 4% 的正十二烷的不同添加时间对粘红酵母的生长和
产番茄红素的影响
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.2200
但目前为止国内对氧载体的研究较少，本研究
利用正己烷、正十二烷、正十六烷 3 种液态烷烃作
为氧载体，考察其对粘红酵母生长和番茄红素合成
的影响，发现氧载体正十二烷是一种经济的提高粘
红酵母生物量和番茄红素产量的有机溶剂。但不同
氧载体对菌体生长促进程度和对粘红酵母合成积累
番茄红素促进效果不同，一方面可以考虑把不同氧
载体组合优化，考察其对粘红酵母产番茄红素的影
响 ；另一方面利用表面活性剂可以改变发酵液流体
特性和菌体通透性，构建氧载体偶联表面活性剂体
系研究其对粘红酵母产番茄红素的影响。
4 结论
本研究首次将液态烷烃氧载体应用于粘红酵母
产番茄红素的研究中，考察正己烷，正十二烷、正
十六烷对粘红酵母合成积累番茄红素的影响，发现
氧载体不仅使菌体生物量提高，同时使单位细胞的
番茄红素产率增大，从而提高粘红酵母合成番茄红
素的能力。结果表明，3 种液态烷烃中正十二烷作
图 4 添加氧载体（4%，正十二烷 ）对细胞生长（A）、番茄红素合成（B）、pH 值（C）、葡糖糖消耗的
影响（D）和单位细胞番茄红素的合成量（E）
20
18
16
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10⭏⢙䟿g·L-1  86
4
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0 12 24 36 48 60 72 84 96ᰦ䰤h
B
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٬
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C
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オⲭሩ➗↓ॱҼ✧
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オⲭሩ➗↓ॱҼ✧
2015,31(2) 201李娜娜等：液态烷烃氧载体对粘红酵母发酵产番茄红素的影响
为氧载体效果较好，在发酵第 0 h 时添加 4% 的正
十二烷，细胞生物量达到 16.49 g/L，番茄红素合成
量 达 到 42.32 mg/L 分 别 比 对 照 组 提 高 了 26.2% 和
50.17%。正十二烷价格低廉并且可重复利用，作为
粘红酵母发酵产番茄红素的氧载体具有较高的工业
应用价值和潜力。
参 考 文 献
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（责任编辑 马鑫）