摘要：藏红花素是一类水溶性类胡萝卜素，具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化应激、神经保护等药理活性，应用前景广阔。然而，其传统植物提取法产量低、成本高，应用受限。近年来，微生物异源合成因生产周期短、成本低廉且易于遗传调控等优势成为研究热点。文章综述藏红花素的结构特性、药理活性及微生物合成的研究进展，重点探讨基于大肠杆菌和酿酒酵母的工程化策略。展望未来，需强化藏红花素的酶功能挖掘与代谢调控，以推动其在医药与食品领域的应用。

　　关键词：藏红花素；微生物合成；代谢工程；大肠杆菌；酿酒酵母

　　藏红花素（Crocin）又称西红花苷、西红花素，是以藏红花素I为主的一类水溶性类胡萝卜素，是中药材西红花中的主要药用成分和质量评价指标。藏红花素对各种人类疾病具有治疗潜力，包括癌症、神经系统疾病和心血管疾病等。然而，藏红花和栀子作为藏红花素的原料，具有产量低、纯度低、成本高等缺点。因此，人们一直在探索藏红花素合成的替代方法。

　　本文介绍了藏红花素的结构性质与药理活性，以及生物合成的关键酶，并综述了目前藏红花素异源工程微生物合成的研究现状。

　　1藏红花素的结构、性质与来源

　　藏红花素是由藏红花酸和龙胆二糖或葡萄糖形成的一系列酯类化合物，主要包括藏红花素I～V，结构较为相似，差别仅在于分子中糖基的种类和数量。其分子式为C44H64O24，外观为红色晶体粉末，易溶于热水，微溶于无水乙醇、乙醚等有机溶剂。

　　藏红花素的来源主要有2种：一种是鸢尾科番红花属植物西红花，其柱头中藏红花素的含量较高，可达10%以上；另一种是栀子，普通水栀子中的藏红花素含量约0.5%～1.2%。

　　2藏红花素的药理活性与应用

　　药理学研究表明，藏红花素具有多种生物活性，对中枢神经系统疾病（阿尔茨海默病、抑郁、癫痫、抽搐和失眠）和心血管疾病（高血压、高脂血症和动脉粥样硬化）疗效突出。同时，其具有抗肿瘤、抗炎、抗氧化应激、保肝利胆、治疗眼部疾病、抗糖尿病、保护心脏、改善学习记忆等功效[1]。

　　基于多种生物活性，藏红花素在各领域应用广泛。在医药领域，藏红花素是治疗心血管系统疾病和肝脏疾病的重要药物成分，如西红花总苷片等，也可用于研发治疗神经退行性疾病、癌症、糖尿病等疾病的药物。在食品领域，作为一种天然的食品着色剂和调味剂，藏红花素可为面包、饼干、饮料等提供颜色和香味，是传统印度香料（如咖喱）的重要成分之一。在化妆品领域，因具有抗氧化性、天然色泽和皮肤护理特性，藏红花素可用于染发剂、口红、指甲油等美容产品，提供紫外线防护，淡化皱纹，延缓皮肤老化。

　　3藏红花素生物合成中的关键酶

　　藏红花素的生物合成途径已被阐明，主要涉及3类关键酶[2]：一是类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD），用于裂解藏红花素的直接前体玉米黄质，生成藏红花酸二醛；二是醛脱氢酶（ALDH），负责将藏红花酸二醛转化为藏红花酸；三是UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGT），主要使藏红花酸糖基化以产生藏红花素。

　　4藏红花素的微生物合成

　　为实现藏红花素的可持续供应，研究人员引入了化学合成与异源生物合成方法。传统从植物细胞培养物中提取藏红花素的方式，易出现表观遗传沉默和毒性中间体。对此，用于稀有天然产物异源生产的工程微生物菌株，成为一种前瞻性选择，已在大肠杆菌和酿酒酵母中成功转化合成藏红花酸和藏红花素。

　　4.1大肠杆菌

　　PU等[3]使用衍生的Gj-UGT74F8和Gj-UGT94E13在50 mg/L藏红花酸中生成藏红花素，转化率分别为66.1%和59.6%，明显高于使用微生物UGTs的水平。LI等[4]构建了高效GjCCD4a突变体（N212m），并发现其催化效率是野生型的25.08倍；将N212m和其他10个基因引入大肠杆菌，使用葡萄糖实现了藏红花素的从头生物合成。其结果显示：工程化的E57菌株的藏红花素III和V产量为11.50 mg/L；E579菌株藏红花素I～V的摇瓶水平下总产量为8.43 mg/L。

　　4.2酿酒酵母

　　酵母细胞能通过糖基转移酶作用进一步生成藏红花素。CHAI等[5]首次在酿酒酵母中实现藏红花酸的生物合成，从不同物种中筛选出β-胡萝卜素羟化酶（CrtZ）、CCD和ALD 3种关键酶，促进β-胡萝卜素的酿酒酵母菌株表达，并通过组合设计和过表达CCD2，使藏红花酸的产量达6 278μg/L。SONG等[6]借助调节关键酶与前体工程的结合，提高了酵母中藏红花酸的产率，通过阻断参与乙醛酸循环的柠檬酸合酶（CIT2）和苹果酸合酶（MLS1），促进了前体供应，并引入PsCrtZ和CsCCD2，在5 L生物反应器中实现了12.43±0.62 mg/L藏红花酸的滴度。LIU等[7]则使用基于CRISPR-Cas9的多重基因组整合技术增加CCD2和ALDH基因的拷贝数，进一步促进了藏红花酸的产生。最终工程菌株TL009产生的藏红花酸高达139.67±2.24μg/g DCW。上述案例表明，酿酒酵母中的藏红花酸生产是可行的。

　　5总结与展望

　　藏红花素的微生物生产仍处于早期阶段，产量不足以满足工业生产，而微生物合成可使用低成本基质，简化遗传操作并缩短生产周期，实现藏红花素的大规模生产。因此，微生物异源生产藏红花素的商业应用前景广阔。未来应深入调查和识别自然界中高产藏红花素的新型酶，积累来自各种生物体的基因组信息和基因产物催化特性，以构建生产途径中更好的酶组合，助力提高藏红花素产量，并扩展其在医药与食品领域的应用。

参考文献

　　［1］莲花,呼日乐巴根,海青春.简述藏红花中藏红花素和藏红花酸［J］.中国民族医药杂志,2021,27(8):53-57.

　　［2］HUA Z W,LIU N,YAN X H.Research progress on the pharmacological activity,biosynthetic pathways,and biosynthesis of crocins［J］.Beilstein Journal of Organic Chemistry,2024,20:741-752.

　　［3］PU X D,HE C N,YANG Y,et al.In vivo production of five crocins in the engineered Escherichia coli［J］.ACS Synthetic Biology,2020,9(5):1160-1168.

　　［4］LI S Q,ZHOU Z,LI Y F,et al.Construction of a high-efficiency GjCCD4a mutant and its application for de novo biosynthesis of five crocins in Escherichia coli［J］.International Journal of Biological Macromolecules,2024,277(Pt 2):133985.

　　［5］CHAI F H,WANG Y,MEI X A,et al.Heterologous biosynthesis and manipulation of crocetin in Saccharomyces cerevisiae［J］.Microbial Cell Factories,2017,16(1):54.

　　［6］SONG T Q,WU N,WANG C,et al.Crocetin overproduction in engineered Saccharomyces cerevisiae via tuning key enzymes coupled with precursor engineering［J］.Frontiers in Bioengineering and Biotechnology,2020,8:578005.

　　［7］LIU T F,DONG C,QI M M,et al.Construction of a stable and temperature-responsive yeast cell factory for crocetin biosynthesis using CRISPR-Cas9［J］.Frontiers in Bioengineering and Biotechnology,2020,8:653.