生物合成法即用微生物发酵法生产胡萝卜素，从品质、技术、资源和成本等因素考虑均优于化学合成法。国内外微生物合成β-胡萝卜素的研究主要集中在丝状真菌（三孢布拉氏霉菌）和红酵母方面。除此之外，也有杜氏盐藻提取法、螺旋藻提取法以及基因工程法用于β-胡萝卜素的生产研究。
1、红酵母发酵法
红酵母是酵母菌的一个属，它是一类腐生菌，抗逆性较强。利用红酵母产β-胡萝卜素的优点是成本低、周期短、发酵易于控制。据报道，利用高静水压处理过的红酵母，通过响应面分析法优化发酵培养基，可使β-胡萝卜素得产量达13.43mg/L。
2、三孢布拉氏霉发酵法
三孢布拉氏霉属于真菌，其生长迅速，产生发达的菌丝。曾强松在种子阶段，采用正负孢子混合培养，促进了β-胡萝卜素的积累，而这种促进方式是由两性配合产生的三孢酸介导的。所以研究三孢酸类似物，如青霉素、β-紫罗酮、脱落酸等都能对β-胡萝卜素产量的提高有很大的帮助。文献报道，三孢布拉霉培养基中加入10-4mol/L~10-3mol/L的β-紫罗酮后，β-胡萝卜素的含量比空白提高了250%，而且要在对数生长期添加，这样更有利于菌体产β-胡萝卜素，添加太早或太多都会抑制β-胡萝卜素的产量。廖春丽通过响应面法优化了β-胡萝卜素液体发酵培养基，得到了较高的β-胡萝卜素产量。
3、杜氏盐藻提取β-胡萝卜素
在杜氏盐藻中的β-胡萝卜素含量最高可达干细胞重量的0.3%，因而是提取天然β-胡萝卜素的理想原料。杜氏盐藻是一类生活在富含NaCl的水（如海洋、盐湖、盐池、盐碱等）中的单细胞低等真核生物。β-胡萝卜素作为盐藻光合作用的产物，受生长环境的盐度、温度、光照射条件及磷源的影响。根据这些条件对盐藻生长和β-胡萝卜素合成的影响，采用二步法培养杜氏盐藻，即先在盐藻生长有利的条件下培养，此时藻体生长繁殖快，待藻体生长成熟，再收集藻体转入不利于藻体生长但有利于合成积累β-胡萝卜素的强光、高盐、低氮、高温条件下培养。
4、螺旋藻培养提取法
螺旋藻是一种新兴的食疗食物，其成份包括β-胡萝卜素等。6g螺旋藻中的β-胡萝卜素相当于鸡蛋20个。由于螺旋藻中β-胡萝卜素的含量非常丰富而且要远高于某些动物或植物，因此从螺旋藻中提取β-胡萝卜素已经成为当前研究的热点。
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