玉米黄质（Zeaxanthin）作为一种重要的类胡萝卜素，因其具有抗氧化、保护视力等显著的健康益处，广泛应用于食品、保健品和化妆品行业。然而，传统的玉米黄质生产方式主要依赖于化学合成或从植物中提取，这些方法不仅成本高昂、效率低下，还存在环境污染和可持续性问题。因此，开发一种高效、环保的生产方法成为研究热点。

近年来，微生物发酵技术在天然色素生产中展现出巨大潜力。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）因其优良的遗传操作特性和工业发酵适应性，成为生产玉米黄质的理想宿主。然而，玉米黄质的生物合成依赖于一种关键酶——β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ），该酶负责将β-胡萝卜素转化为玉米黄质。天然CrtZ酶的热稳定性较差，这限制了其在工业发酵中的应用效率，尤其是在高温发酵条件下，酶的活性会迅速下降，导致生产成本增加和发酵效率降低。因此，如何提高CrtZ酶的热稳定性和催化效率，成为解决这一问题的关键。

近日，天津大学姚明东博士联合肖文海副教授及其团队在Journal of Agricultural and Food Chemistry发表题为“Engineered β-Carotene Hydroxylase with Excellent Thermostability Promotes Zeaxanthin Production in Yeast”的研究性论文。该研究通过工程化改造β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ），成功提高了其热稳定性和催化效率，并在酵母菌中实现了玉米黄质的高效生产，产量显著提升至814.6 mg/L，为天然色素的工业化生产提供了新思路。

文献基本信息

为了提高β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）的热稳定性和催化效率，研究人员采用基于位置特异性评分矩阵（PSSM）的计算方法，对CrtZ酶进行了工程化改造。通过分析酶的氨基酸序列和结构特征，研究人员设计了一系列突变体，并利用分子动力学模拟预测其热稳定性。在这些突变体中，M83L突变体表现出了显著的热稳定性提升。随后，研究人员进一步通过体外实验验证了M83L突变体的性能。实验结果显示，M83L突变体在高温条件下（50 ℃）的半衰期比天然CrtZ酶延长了约3倍，表明其热稳定性得到了显著增强。此外，M83L突变体的催化效率也有所提高，其对β-胡萝卜素的转化率比天然酶提高了约20%。这些结果表明，通过工程化改造，CrtZ酶的性能得到了显著提升，为后续的微生物发酵应用奠定了基础。

在验证了M83L突变体的优异性能后，研究人员将其引入酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中，以评估其在玉米黄质生产中的实际应用效果。首先，研究人员在30℃的摇瓶发酵条件下进行了初步测试，结果表明，使用M83L突变体的酵母菌株玉米黄质产量比使用天然CrtZ酶的菌株提高了121.2%，达到了156.8 mg/L。这一显著的产量提升证明了工程化酶在玉米黄质生产中的巨大潜力。为了进一步提高产量，研究人员引入了氧化还原酶系统RFNR/FD3，与M83L突变体协同作用。经过优化后的酵母菌株在30℃的摇瓶发酵条件下，玉米黄质产量再次提高了138.9%，达到了374.6 mg/L。最终，研究人员在5.0 L的补料分批发酵过程中进行了放大实验，玉米黄质的产量达到了814.6 mg/L，这是迄今为止在酿酒酵母中报道的最高产量。这一结果不仅证明了工程化CrtZ酶在工业发酵中的高效性，也为玉米黄质的工业化生产提供了一种可行的解决方案。

这项研究不仅成功解决了CrtZ酶热稳定性差的问题，还通过工程化改造显著提高了玉米黄质的生产效率。通过引入M83L突变体和优化发酵条件，研究人员实现了在温和发酵条件下高效生产玉米黄质的目标。这一成果不仅为玉米黄质的工业化生产提供了一种可行的解决方案，还为其他类似生物合成过程的优化提供了宝贵的经验。

这项研究的成功为生物技术和食品工业带来了深刻的启示。首先，通过计算方法设计和优化酶的性能，可以有效解决传统酶在工业应用中的局限性。其次，将工程化改造的酶与优化的发酵系统相结合，能够显著提高目标产物的产量和生产效率。此外，这项研究还强调了微生物发酵在生产天然色素和营养物质方面的巨大潜力，为未来开发更多高效、环保的生物合成平台提供了新的思路。

这项关于工程化β-胡萝卜素羟化酶的研究，不仅在科学上取得了突破，更在实际应用中展现了巨大的价值。它让我们看到了生物技术在推动可持续发展和满足人类对健康食品需求方面的巨大潜力！

参考文献：

Mengying Shan, Zhenlu Li, Herong Wang, et al. Engineered β-Carotene Hydroxylase with Excellent Thermostability Promotes Zeaxanthin Production in Yeast. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2025,73,12319-12327.  DOI:10.1021/acs.jafc5c00653