虾青素是一种酮类类胡萝卜素，也是唯一的第四代抗氧化剂，能够高效清除自由基及其他氧化物质。其具有丰富的生物活性，包括抗肿瘤、保护视力、预防或治疗糖尿病以及增强免疫功能等。虾青素的应用领域广泛，涵盖水产养殖、食品、化妆品和医药等多个行业。虾青素分子包含多个共轭双键，使其能够以顺反异构体的形式存在，主要形式为全反式异构体，同时也有9-顺式和13-顺式以及15-顺式异构体。全反式构型是自然界中最稳定、最常见的构型。并且，全反式异构体比顺式异构体具有更高的色值、结晶度和更低的溶解度。与全反式异构体相比，顺式异构体表现出更高的自由基清除、抗炎和抗弹性蛋白酶活性。尽管9-顺式、13-顺式和15-顺式异构体不太丰富，但它们独特的物理化学性质能够显著影响虾青素的稳定性、溶解度和生物利用度，最终影响其在甲壳类动物中的生理作用。天然虾青素以其安全性高、可持续生产的优势，正逐渐取代目前市场上占据90%以上份额的化学合成虾青素。研究表明，天然虾青素的抗氧化能力是化学合成品的20～50 倍。目前，通过微生物发酵生产天然虾青素已成为研究热点。在众多微生物中，雨生红球藻被公认为最优质的天然虾青素来源，虾青素含量可达其干质量的1%～4%，且其商业化生产已实现。然而，雨生红球藻对环境条件要求苛刻、生产成本较高，其应用仍面临诸多挑战。相比之下，尽管红法夫酵母目前的虾青素产量有限，尚未具备商业化生产的条件，但其能够利用多种糖类作为碳源、培养周期短且适合高密度发酵，使其成为天然虾青素生产领域极具潜力的候选菌株。
红法夫酵母能够天然合成虾青素，这一特性很可能与其适应环境变化的进化策略密切相关。因此，深入研究红法夫酵母在虾青素合成过程中的代谢通路变化规律有助于揭示外源胁迫调控虾青素积累的机制，为优化生产提供理论依据。同时，对红法夫酵母施加胁迫条件已被证明是一种高效提高虾青素产量的方法。该方法操作简便、效率高且成本低廉。Silva等对红法夫酵母施用磁场，可使虾青素产量（4.51 mg/L）提高22.9%。Song Yuanzhen等利用褪黑素和原钒酸钠进行胁迫，可将红法夫酵母中的虾青素产量提高到5.83 mg/g，与对照组相比，提高了64.67%。大量研究表明，胁迫条件能够促进红法夫酵母中虾青素的快速积累，这一过程与活性氧（ROS）的产生及能量代谢密切相关。研究发现，ROS不仅可作为虾青素合成的调控因子，还能通过调节自身与ROS的相互作用，借助氧化作用保护细胞。代谢组学作为评估微生物对环境应激及内源信号分子时序响应的有力工具，发挥着重要作用。Luna-Flores等通过分析代谢组学数据发现，红法夫酵母中虾青素的合成对氨基酸、脂肪酸及中心碳代谢具有积极的调控作用。Zhang Jing等研究表明，TiO2可促进红法夫酵母中葡萄糖的消耗以及糖酵解途径，调节三羧酸循环，为虾青素合成提供能量和底物。
目前，揭示胁迫条件促进红法夫酵母合成虾青素的代谢调控机制已成为实现低成本、环保生产天然虾青素的关键前提。TiO2作为一种无毒、环保的材料，在促进细胞特定反应和代谢通路，尤其是提升产物产量方面发挥着重要作用。Zhao Die等研究了不同质量浓度TiO2对粘红酵母ZHK中类胡萝卜素产量的影响，结果显示，在培养120 h后，100 mg/L TiO2处理组的类胡萝卜素产量达到23.165 μg/g，显著高于对照组（6.099 μg/g）。也有研究表明，500 mg/L TiO2可将红法夫酵母PR106中的虾青素产量显著提升至14.74 mg/L，是对照组的2 倍。浙江海洋大学食品与药学学院的韩田田、张晶*和吉林农业大学食品科学与工程学院的王玉华*等人聚焦于PR106菌株合成虾青素的过程，结合非靶向代谢组学和显微镜观察技术，深入探讨TiO2处理后PR106中与虾青素积累密切相关的代谢物变化规律，以及细胞形态和微观结构的变化规律，旨在为天然虾青素的合成生物学提供理论基础，推动红法夫酵母虾青素生产的产业化进程。
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PR106不同生长阶段的代谢组学特征
1.1 代谢物差异分析
根据PR106的生长曲线，选择培养16 h（滞后期）、32 h（对数期）和72 h（稳定期）后的酵母样品进行非靶向代谢组学分析。首先，对PR106不同生长阶段代谢物（对照16 h vs对照32 h vs对照72 h）和（TiO2 16 h vs TiO2 32 h vs TiO2 72 h）数量进行了差异显著性分析。对照组和TiO2组分别有177 种和205 种代谢物发生了显著变化（图1A），通过比较分析发现，两组共有133 种显著差异代谢物，主要包括碳水化合物、脂肪酸和氨基酸等初级代谢物。值得注意的是，TiO2胁迫会导致PR106中麦角钙化醇（VD2）、VD3和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的水平发生显著变化。微生物中VD的合成来源于胆固醇，而胆固醇是通过甲羟戊酸途径产生的。显然，VD和虾青素合成有共同的前体，如甲羟戊酸和焦磷酸异戊烯酯。NADPH参与细胞呼吸和电子传递过程，与能量代谢密切相关。
1.2 差异代谢物通路富集分析
进行KEGG通路富集分析，对照组和TiO2组分别在100 条和107 条代谢通路中富集了显著差异代谢物。选取富集最显著的前20 条通路进行深入分析，对照组与TiO2组的显著变化代谢通路几乎一致，主要包括ABC转运蛋白、PTS、谷胱甘肽代谢、aa-tRNA生物合成、氨基酸代谢及脂肪酸代谢等（图1B、C），表明这些通路对PR106的生长和代谢至关重要，其与虾青素合成的关系如图1D所示。Liu Sijiao等研究了赤霉素对红法夫酵母虾青素合成的影响，代谢组学分析显示与虾青素合成相关的代谢物发生了显著变化，同时脂肪酸代谢和ABC转运蛋白通路也得到增强，表明ABC转运蛋白可能参与虾青素的生物合成与积累。与虾青素类似，谷胱甘肽也是一种抗氧化剂。Chen Mianmian等证明，谷胱甘肽合成酶通过调控PTS中的iiBman基因，增强了单核细胞增生李斯特菌的抗氧化能力，这一发现表明大量虾青素的合成可能激活PTS，从而有助于PR106适应TiO2胁迫环境。aa-tRNA作为一种大分子活化辅底物，为形成酰胺键或酯键提供氨基酸。Wang Baobei等的研究表明，氨基酸供应的增加促进了红法夫酵母对葡萄糖的消耗，进而提升了虾青素含量。与对照组相比，TiO2胁迫显著影响了PR106的类固醇生物合成通路。Jia Jianping等发现，褪黑素处理显著提升了红法夫酵母虾青素产量，转录组学分析显示类固醇生物合成通路中C22甾醇脱氢酶基因明显下调，证实该通路是红法夫酵母虾青素合成的负调控靶点。
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TiO2胁迫下PR106合成虾青素的代谢组学特征
2.1 代谢物差异分析
为揭示TiO2胁迫下PR106中虾青素大量积累的调控机制，采用LC-MS/MS技术分析了PR106在不同生长阶段（对照16 h vs TiO2 16 h、对照32 h vs TiO2 32 h、对照72 h vs TiO2 72 h）代谢物的变化。以T检验P＜0.05为筛选标准，筛选出对照组与TiO2组之间的显著差异代谢物。如图2A所示，在TiO2胁迫下，PR106生长至16 h的代谢谱最为复杂，显著差异代谢物达52 种。随着培养时间延长，TiO2对PR106细胞代谢的影响逐渐减弱，32 h和72 h分别检测到31 种和21 种显著差异代谢物。进一步分析发现，72 h显著差异代谢物与虾青素积累的相关性很低，因此重点对16 h和32 h的显著差异代谢物进行了综合比较。结果显示，有6 种代谢物（甲基异戊醇、L-犬尿氨酸、(6Z)-十八烯酸、蔗糖、5-脱氢表甾醇、VD2）在这两个时间点均表现出显著差异。值得注意的是，与虾青素合成密切相关的代谢物，如蔗糖、5-脱氢表甾醇和(6Z)-十八烯酸的差异倍数在16 h和32 h均排名靠前，且均呈现先下调后上调的趋势（表1）。Guerra等发现，当蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002的糖原合成通路被阻断时，突变株的蔗糖含量显著增加，这有助于其在黑暗条件下维持生存和生长。因此，在PR106的滞后阶段，蔗糖可能作为“碳库”储存在细胞内，调节细胞饥饿状态下的能量代谢（32 h），从而促进虾青素的积累。甾醇是真核细胞膜的重要组成部分，参与维持细胞完整性、膜流动性及物质运输等关键过程，同时作为细胞环境变化的感应器，调控信号传导以引发细胞的适应性反应。此外，甾醇与虾青素具有共同的生物合成途径，两者都是通过甲羟戊酸途径合成。多不饱和脂肪酸能够与游离虾青素酯化，减少对类胡萝卜素合成的反馈抑制。
2.2 差异代谢物通路分布分析
KEGG代谢通路富集分析显示，PR106培养至16 h和32 h的显著差异代谢物分别富集在56 个和41 个通路中。选取了PR106在16 h和32 h内最明显富集的前20 个通路进行分析（图2B、C）。值得一提的是，两个时间点共同富集的通路包括ABC转运蛋白、PTS、类固醇生物合成、淀粉和蔗糖代谢、氨基酸生物合成和辅助因子生物合成。与32 h富集的途径不同，参与aa-tRNA生物合成的代谢物在16 h发生了显著变化，这表明在PR106生长的滞后阶段，TiO2胁迫导致细胞内遗传信息改变。32 h与16 h之间最显著的差异是三羧酸循环途径的大量富集。总地来说，TiO2胁迫最初诱导PR106的遗传信息、ABC转运蛋白、PTS、糖代谢和氨基酸生物合成发生变化；随后，通过三羧酸循环、类固醇生物合成、ABC转运蛋白、PTS、淀粉和蔗糖代谢以及氨基酸代谢等关键途径发出信号，最终将代谢途径导向类胡萝卜素合成，从而促进虾青素的积累（图2D）。
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TiO2胁迫对PR106细胞壁和细胞膜的影响
酵母细胞壁具有一定的机械强度和柔韧性，能够调控有机物和无机物的进出，从而为细胞提供保护。细胞膜作为酵母与外界环境的屏障，在维持细胞内稳态和保证物质正常运输方面发挥着关键作用。同时，在胁迫条件下，细胞内某些代谢产物与细胞膜之间存在紧密的耦合关系。与对照组相比，TiO2胁迫显著降低了PR106细胞壁的通透性（图3A）。当PR106生长至16 h时，TiO2胁迫使其细胞膜流动性明显增加（图3B）。Dong Wenqi等发现，增强细胞壁通透性可以增加耻垢分枝杆菌对抗生素的敏感性。Huang等则发现，低温胁迫促进了紫球藻中不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的合成，这两类物质通过一种“举臂操作与螺栓紧固”的调控机制共同调节细胞膜流动性，帮助该藻类抵御低温胁迫。Liu Peitong等发现，维持重组酿酒酵母细胞膜的最佳流动性对于有效提高类胡萝卜素产量至关重要。
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CLSM分析TiO2胁迫下PR106细胞内虾青素分布
虾青素的荧光强度与其细胞内含量密切相关，虾青素含量越高，产生的荧光强度也越强。如图4所示，不同培养时间PR106细胞表现出不同的荧光强度。无论是对照组还是TiO2胁迫组，32 h的荧光强度均高于16 h，这与虾青素作为PR106细胞次级代谢产物的合成规律相符。16 h时，TiO2组与对照组的荧光强度无显著差异，且虾青素的荧光分布较为均匀，未集中于细胞的特定区域，表明虾青素最初是在细胞质中合成的。然而，32 h时，PR106细胞边缘出现明显且呈环状的强荧光，表明此阶段虾青素主要聚集在脂滴中。崔红利等利用共聚焦拉曼显微镜结合多变量分析研究了雨生红球藻中的类胡萝卜素分布，证实虾青素在细胞质内呈球状和点状分布。
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TiO2胁迫对PR106细胞形态及超微结构的影响
为了直观展示TiO2胁迫对PR106细胞形态及虾青素分布的影响，深入探究PR106高产虾青素的代谢机制，本研究采用SEM和TEM对TiO2胁迫下PR106细胞的超微结构进行观察，结果如图5所示。无论是将PR106培养至16 h还是32 h，在对照组和TiO2组中，均呈现出正常的短杆状酵母形态，细胞表面饱满光滑，未见细胞破裂或内容物外流的迹象。Yang Liang等通过TiO2驯化红法夫酵母获得了高产虾青素的优良菌株，SEM分析显示其最佳菌株ALE105的细胞体积明显小于原始菌株。细胞壁和细胞膜完整性的破坏会导致细胞形态改变，显著增加细胞对渗透压变化的敏感性，最终引发细胞死亡。因此，本研究在培养PR106 16 h和32 h后，分析了TiO2胁迫后细胞蛋白质和核酸泄漏的情况，以评估其对细胞壁和细胞膜完整性的影响。如图6A、B所示，0～32 h PR106细胞的OD280 nm和OD260 nm变化趋势稳定，且对照组与TiO2组间无显著差异，表明TiO2并未破坏PR106细胞的完整性，也未影响其正常生理活动。研究表明，细胞膜脂质的组成（如鞘脂和固醇）及其生物物理特性能够协同调控细胞壁的完整性。
作为细胞内产物，虾青素的最大浓度阈值受其在细胞内的定位限制。裴宇鹏等利用TEM清晰地观察到了酵母细胞核、核孔、线粒体、微体、液泡和内质网等细胞结构。通过TEM观察不同生长阶段的PR106细胞，如图7所示，16 h时PR106细胞内尚未形成脂滴（呈透明状球形），而32 h时细胞内脂滴数量明显增加。TiO2处理组的PR106细胞中脂滴数量显著多于对照组，表明虾青素的积累与脂滴的存在密切相关。结合PR106细胞内强荧光的分布位置（图4中呈环状的绿色荧光），可推断虾青素主要储存在脂滴中。Roach等的研究也表明虾青素可与脂肪酸结合形成虾青素酯，酯化后的虾青素储存在富含三酰甘油的脂滴中。尽管对照组与TiO2组的虾青素产量存在差异，但脂滴均分布于PR106细胞膜附近，表明虾青素的积累可能与细胞膜相关。虾青素具有强烈的疏水性共轭多烯及末端极性基团结构，能够存在于磷脂膜内部及表面。线粒体周围未见脂滴（线粒体呈圆形），说明虾青素的合成部位并非线粒体。然而，TiO2胁迫显著增加了PR106细胞内线粒体的数量，表明虾青素合成与线粒体存在一定关联。线粒体是微生物中负责三羧酸循环和氧化磷酸化的细胞器，是细胞能量生产的“动力工厂”。虾青素的合成与积累需要大量乙酰辅酶A作为前体物质，乙酰辅酶A进入三羧酸循环并通过氧化磷酸化途径促进ATP合成。因此，TiO2通过激活ABC转运蛋白和PTS等膜信号通路，促进PR106细胞内脂滴和线粒体数量的增加，从而推动虾青素的积累。
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结 论
本研究通过代谢组学分析明确了在胁迫条件下关键代谢物及代谢通路的动态变化规律，揭示了蔗糖代谢、类固醇生物合成、ABC转运蛋白及PTS等多条代谢网络协同调控虾青素合成的复杂机制。此外，TiO2胁迫对细胞结构具有调节作用，如降低细胞壁通透性、增强细胞膜流动性及增加脂滴和线粒体数量，促进了虾青素的积累和细胞代谢活性。本研究不仅深化了对红法夫酵母应激响应与次级代谢产物合成关系的理解，也为基于代谢机制的精准工程改造提供了理论基础，有助于推动天然虾青素绿色高效生产技术的发展。
作者简介
第一作者：
韩田田，硕士研究生，现就读于浙江海洋大学食品与药学学院，研究方向为天然产物的提取与开发。在《Food Chemistry》《食品与发酵工业》等期刊发表中英文论文7 篇，申请发明专利1 项。
通信作者：
张晶，浙江海洋大学讲师，主讲《食品化学》《食品营养与卫生》等本科生课程。2023年国家大学生创新创业训练计划项目结项合格。主持国家自然科学基金青年基金项目1 项，浙江海洋大学人才引进科研基金项目1 项，授权3 项发明专利。
引文格式：
韩田田, 董柯妤, 罗路, 等. 二氧化钛胁迫诱导红法夫酵母虾青素高效积累的代谢调控机制[J]. 食品科学, 2026, 47(2): 30-39. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250721-167.
HAN Tiantian, DONG Keyu, LUO Lu, et al. Metabolic regulation mechanism underlying efficient astaxanthin accumulation in Phaffia rhodozyma induced by titanium dioxide stress[J]. Food Science, 2026, 47(2): 30-39. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250721-167.
实习编辑：陈师昀；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽农业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、安徽省农科院农产品加工研究所、安徽科技学院、皖西学院、黄山学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。
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