番茄红素是一类具有抗氧化活性的重要萜类化合物，在自然界中广泛存在，主要来自于蔬菜和水果，特别是成熟期的番茄[1]。1873年，Hartsen首次从番茄酱果中提取出来一种深红色的晶体。1903年Schunch将这种从番茄中提取到的物质正是名为番茄红素。素有”藏在西红柿里的黄金”的美称，在西方国家也被称为”植物黄金”[2]。因其具有抗氧化、抗癌、降血脂、提高免疫力等多种生理活性，而被广泛用于医药行业。例如：口服天然番茄红素，能使血清胆固醇降至5.20毫摩尔/升以下，番茄红素可以预防高胆固醇和高血脂症，减缓心血管疾病的发展；番茄红素大量存在于各种黏膜组织，长期服用可以改善各种因体内黏膜组织破坏而引起的各种不适；番茄红素能够阻断组织细胞在外界诱导剂的作用下发生基因突变的过程，从而可以起到抗癌的作用，用于预防肺癌、胃癌、胰腺癌、乳腺癌、皮肤癌、膀胱癌等癌症；番茄红素还能有效的清除人体内的自由基，保持正常代谢，预防衰老，增加免疫力等作用，番茄红素还可以作为重要的食品添加剂和营养增补剂，得到了 FDA、EEC、WHO 等国际组织的认可[3-4]。

1. 番茄红素的生产方法

目前，番茄红素的生产方法有化学合成法、有机溶剂提取法和微生物发酵法。化学合成法从1831年在胡萝卜中首次分离出胡萝卜素后建立了其结构式开始发展并用于商业化生产的。化学合成法可以用乙酸松油脂等为原料设计化学合成路线合成番茄红素以及中间代谢产物，然后用于各个行业。虽然原料成本低，生产工艺简单，但却含有大量的化学合成物，不利于长期服用。

有机溶剂提取法是选用一些亲油性的有机溶剂（如氯仿、二硫化碳等）将番茄中的番茄红素提取出来，在经过过滤浓缩去除溶剂而得到。虽然不需要复杂的纯化过程，但提取时间过长。

与前三种方法相比，微生物发酵法是在藻类，真菌等微生物中发酵得到番茄红素，能产生番茄红素的微生物包括能自身合成番茄红素的革兰氏阴性菌、三孢布拉氏霉菌、基因工程菌等。其生产的大致过程是:(1)构建携带番茄红素合成基因(crtE,crtB,crtI)的质粒;(2)将质粒转入宿主细胞;(3)将转基因的菌株在合适的培养条件下培养;(4)发酵结束后将细胞破碎,再提取、纯化。其具有工艺简单，可操作性强等优点，易于大规模生产，产率较高，随着生物技术的发展，利用基因工程调控番茄红素合成已经成为可能，是目前认为最有前途的生产方法[5]。

2. 番茄红素的生物合成

番茄红素的合成前体是异戊二烯焦磷酸（IPP），IPP是异戊烯代谢途径中各个产物的共同前体。根据生物合成IPP来源不同，番茄红素的合成分为两条途径，一种是2-甲基-D-赤藓糖醇-4-磷酸盐途径合成，存在于原核微生物体内；另一种是甲羟戊酸途经合成，存在于真核微生物中。细菌等原核微生物中，3-磷酸甘油醛与丙酮酸依赖于硫胺素的1-脱氧木酮糖-5-磷酸还原异构酶（DXR)转变为2-甲基-D-赤藓糖醇，然后产生IPP，IPP在IPP异构酶（IPPI)的作用下异构化形成二甲基丙烯焦磷酸酯(DMAPP)，DMAPP在牦牛儿基牦牛儿基焦磷酸合成酶（GGPS)的作用下，在于3个IPP分子缩合依次生成牦牛儿焦磷酸（GPP)、法尼基焦磷酸（FPP)、牦牛儿基牦牛儿焦磷酸（GGPP），2分子的GGPP经过八氢番茄红素合成酶（PSY）催化，进行二聚作用生成八氢番茄红素，随后又在八氢番茄红素脱氢酶（PDS）ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）的作用下逐步发生脱氢反应，形成链孢红素和番茄红素。番茄红素在番茄红素ε-环化酶（LCY-E）和番茄红素β-环化酶（LCY-B的作用下，继续转变为δ-胡萝卜素、γ-胡萝卜素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素等类胡萝卜素。

图1 番茄红素的MVA生物合成途径

3. 番茄红素生物合成途径中的关键酶和基因调控

3.1. IPP异构酶（IPPI）

IPPI是催化IPP和DMAPP之间相互可逆转化的酶。其基因已经陆续在拟南芥、金盏草、莴苣、玉米等植物中克隆，可溶性的 IPPI 己从辣椒、水仙和番茄的质体中纯化出来[5]。在大肠杆菌中导入藻类的IPPI基因，菌株中类胡萝卜素的含量增加的实验表明IPPI可能是类胡萝卜素合成的限制因素[6]。