食品工業中微生物色素的研究進展

楊雙春，李春雨，潘一

（遼寧石油化工大學環境與生物工程學院，遼寧撫順113001）

色素廣泛應用于食品、制藥、化妝品、印染等工業[1]。自從1856年Perkins 等首次合成了苯胺紫后，合成色素隨著科學技術的發展迅速取代了天然色素在食品中的地位走進了我們的生活[2]。但隨著毒理學、醫學、生物學技術的發展，合成色素被證明不但沒有任何營養價值，而且有嚴重的毒副作用。利用微生物可以產生各種天然色素，而且這種方法生產的天然色素不受環境、資源、空間等條件的制約。因此微生物色素成為了廣大學者的研究熱點。

2012年我國發布的《食品工業“十二五”發展規劃》中指出：到2015年食品添加劑制造業總產值達到1 100 億元，產品產量達到1 100 萬t；利用生物工程技術提高酶制劑、生物發酵制品的技術水平，提高提取物產品質量，利用高新技術提高化學合成產品的純度。此規劃表明國家要加大對食品添加劑制造業的投入，并大力支持微生物技術的研究。

研究了目前廣泛應用到食品行業中的幾種微生物色素的結構、功能、生物提取方法、應用現狀和未來發展趨勢。在分析這些微生物色素的成功之處的基礎上，提出微生物色素工業化生產建議。

1 微生物色素

1.1 紅曲微生物色素

紅曲微生物色素是紅曲霉菌絲的分泌物，目前已確立的結構有6 種，應用最廣泛的是醇溶性的紅色素、紅斑素和紅曲紅素。由于紅曲色素具有較好的耐熱性，且對金屬離子穩定，我國GB2760—1996《食品添加劑使用衛生標準》已經將紅曲色素作為安全食品添加劑，允許其用于各種肉制品、水產品、配制酒、膨化食品、調味類罐頭、奶制品、植物蛋白、果品的生產過程中[3]。

紅曲色素一般為紅色或暗紅色粉末、糊狀物或液體，紅曲色素中的紅、紫兩種色素因為分離效果不好，常混合使用。紅曲色素現今在食品行業中應用最廣，其應用已有一千多年的歷史。但由于紅曲色素對光不穩定，限制了紅曲色素的著色效果。連喜軍對此進行了研究，提出在發酵過程中添加氨基酸、多肽等物質，使紅曲霉分泌聚酮酶時將護色物質結合到色素結構上，從而提高紅曲色素對光的穩定性[4]。還有學者在紅曲色素中添加抗氧化劑，但是產物的耐光性并沒有得到提高。紅曲色素傳統提取方法是采用有機溶劑浸提法，這種方法提取量少、純度低。為此，有許多學者對提高紅曲色素產量進行了大量研究。2010年明紅梅等利用微波輔助法將紅曲色素的產量提高了72.2%。但是微波破碎法在破碎過程中會產生熱量，不易控制[5]。2011年楊成龍等采用超聲波輔助提取法也成功的在紅曲霉液態發酵菌體中提取了紅曲色素，運用此方法提取紅曲色素的量比同條件下的傳統浸提法提取效果好，對有效成分結構破壞較小、可操作性好[6]。在國外，2003年Rosa M 等通過小麥基板深層發酵成功提取了紅曲色素[7]；2011年Donghua Jiang 等利用高γ-氨基丁酸生產紅曲[8]。如果能對紅曲色素的耐光性和水溶性進一步改性，紅曲色素的應用范圍將會更廣。

1.2 梔子微生物色素

梔子為茜草科植物，又名黃梔子，其色素成分主要是梔子黃色素、梔子藍色素、梔子紅色素[9]。其中梔子黃色素和梔子藍色素以穩定在性強、著色性好等諸多優點而得到廣泛應用。

隨著梔子色素的應用越來越廣泛，國內學者對梔子色素的提取做了大量研究。梔子色素生產的傳統方法是溶劑浸提法，近年來還出現了微波法、超臨界法、微生物發酵法[10-12]。目前較為先進的方法是2008年章建國等通過將β-葡萄糖苷酶發酵和酶促反應分開的兩步法制得梔子色素[13]。這種方法提取梔子色素的量與傳統方法比較有了很大提高，但這種方法制得的梔子色素色價和純度都比較低。2012年浙江工業大學朱興怡（音譯）等在Journal of Food Science and Technology上發表文章表明可以采用響應曲面法從梔子果實勻漿中提取梔子色素[14]。多年來梔子色素的安全性已經得到了世界上許多國家的認可，國內也將梔子色素作為允許使用的食用天然微生物色素，列入到我國GB2760-1996《食品添加劑使用衛生標準》中。如果能在梔子色素的提取和改性方面做進一步研究，降低其成本增加其純度，它將會有廣闊的應用前景。

1.3 類胡蘿卜色素

類胡蘿卜素是一類重要的天然色素的總稱，屬于化合物。普遍存在于動物、高等植物、真菌、藻類和細菌中的黃色、橙紅色或紅色的色素，主要是β-胡蘿卜素。類胡蘿卜素是高度不飽和化合物，不溶于水而溶于有機溶劑，含有一系列共軛雙鍵和甲基支鏈。色素的顏色隨著共軛雙鍵的數目而變動。共軛雙鍵的數目越多，顏色移向紅色越遠[15]。類胡蘿卜素因為具有保健功能，被認為是最具有潛力的微生物食品添加劑。

目前有很多類胡蘿卜素的提取方法，其中最常用的有兩種：一是用培養鹽藻來提取類胡蘿卜素，這種方法需要在高鹽份的海域環境進行，所以只能在少數地區養殖，生產的局限性很大，不宜大范圍推廣；二是用微生物發酵法生產類胡蘿卜素，目前能夠發酵產生類胡蘿卜素的微生物主要有真菌、細菌和酵母菌等[16]。2011年國內學者唐棠經過研究認為紅酵母菌種具有營養要求低，代謝速度快，發酵周期短，菌體無毒、營養豐富等優點[17]。根據酵母菌株的特點，紅酵母細胞能夠在發酵罐中實現高密度培養，易于產業化生產，更適合生產類胡蘿卜素。國外學者Pejman Azadi 等通過新鐵炮百合多基因代謝成功合成類胡蘿卜素[18]。國外學者Eon Seon Jin 等運用微藻生物技術由綠色藻類杜氏鹽藻生產類胡蘿卜素。但由于發酵設施昂貴，毒理研究時間較長等原因，在過去很長一段時間內微生物法生產類胡蘿卜素倍受質疑[19]。然而，隨著微生物技術的發展，目前市場上利用微生物方法生產的類胡蘿卜素產品所占的市場份額逐年增加，這反映了微生物法生產類胡蘿卜素已經得到了消費者的認可。有理由相信，運用微生物方法生產的產品在未來的市場會有一個良好的前景。

1.4 黑色素

黑色素是一種生物色素，是酪胺酸經過一連串化學反應所形成，動物、植物與原生生物都有這種色素。黑色素通常是以聚合的方式存在。微生物產生的黑色素主要分為壁（膜）結合黑色素和胞外黑色素，不溶于酸性溶液、不溶于常見有機溶劑，可溶于堿性溶液、微溶于水[20]。比如黑曲霉在生成孢子的同時就會分泌黑色素。

天然黑色素的提取主要是根據它在堿性溶液中溶解，而在酸性溶液中沉淀這一性質來進行提取，這種方法不但提取率低而且提取的黑色素色度不好，導致天然黑色素成本高，不易工業化生產。利用微生物方法生產則不受這些條件影響，而且不受地域和季節的限制更利于工業化生產。國外學者RCR Gon alves等利用構巢曲霉成功提取了黑色素[21]。另外Dong-Seok Kim 在2003年通過調節溫度提高了黑色素細胞合成黑色素的量[22]。在國內，2012年1月份國內學者董華群等利用微波技術輔助堿提酸析法成功的在黎豆種皮中提取了黑色素[23]。得黎豆種皮黑色素粗提物得率（95.3±1.5）%，黑色素純度（37.4±1.5）%，用時25 min，而運用常規方法得黑色素粗提物得率（91.2±2.0）%，黑色素純度（36.5±2.1）%，用時4 h～6 h，明顯的提高了黑色素的純度和粗提物得率，而且大大縮短了提取時間。此方法已經是當今國內比較前沿的化學提取方法，但得到的黑色素純度也只有37%左右。由此可見，微生物方法提取黑色素具有廣闊的發展前景，隨著生物技術的快速發展，微生物法提取黑色素一定會成為天然黑色素生產的主流。

1.5 靛藍

靛藍是一種芳香族化合物，藍色粉末，微溶于水、乙醇、甘油和丙二醇，不溶于油脂。耐光性耐熱性差，對檸檬酸、酒石酸和堿不穩定[24]。靛藍是世界上最早發現的天然染料之一，早在3 000 多年前的我國就已經把靛藍用于衣物的染色，《荀子·勸學》中有“青，取之于藍而青于藍”，其中的“青”即是靛藍。

靛藍作為一種食品著色劑也廣泛的應用于食品行業。但由于天然靛藍的原料稀少（主要產于印度）而全球靛藍的需求量又特別的高（每年80 t 左右），所以現如今在市場上流通的靛藍絕大多數是人工合成的靛藍，只有極少的一部分為天然靛藍而且價格非常高。人工合成的靛藍是不允許添加到食品中的，但是仍有很多商人，唯利是圖，不顧食品安全向中加入人工合成的靛藍。現如今化學合成色素的安全性問題在世界范圍內受到廣泛的關注，如何在低成本投入的情況下得到大量的天然靛藍成為了國內外學者關注的課題。

20 世紀初期，有學者發現微生物能夠將吲哚轉化合成靛藍，這之后大家把目光都投到微生物方法生產靛藍上，并做了大量的研究，取得了一定的成果。目前最前沿的技術是2011年Rioz-Martinez 等將一種細菌中的黃素依賴型單加氧酶與亞磷酸脫氫酶表達成融合蛋白，將這種融合蛋白應用到生物催化中，這種獨特的催化劑在大腸桿菌中大量表達，通過對吲哚及吲哚衍生物的氧化得到了靛藍及一系列靛藍類色素[25]。但由于此方法對儀器設備的要求較高依然不能投入到大規模的工業生產中。目前微生物提取靛藍依舊是熱點問題，對它工業化生產的前景也是十分的期盼，但不可否認與靛藍的化學合成相比微生物提取法仍有很多的不足之處。如何使靛藍的微生物提取法更簡便、更經濟、更高效是學者們未來努力的方向。

1.6 其他微生物色素

目前，能運用微生物方法生產的色素還有法夫酵母色素、可可色素、黃色素等。這些色素由于提取技術和菌株選擇等問題的限制都未能得到大規模的應用。例如，法夫酵母色素，它的主要成分為蝦青素，蝦青素是法夫酵母的胞內色素，要對蝦青素進行提取就必須破壞掉法夫酵母細胞的細胞壁，然而該酵母細胞的細胞壁異常堅硬極難破壞。現有的破壁方法有細胞自溶法、超速勻漿法、酸—熱法等。其中酸—熱法效果最好破壁率達到95.8%，但此方法的操作條件不易控制、成本高，所以直到現在也不能進行大規模的工業生產。無論是法夫酵母色素、可可色素、還是黃色素都具備微生物色素不受地理條件、季節條件、空間條件等因素影響的優點，具有廣闊的發展空間，只是技術上問題限制了其發展。

2 結論

在當今的食品行業中天然色素以安全、對人體有一定保健、營養或藥理作用重新被人們所重視，如何運用微生物方法大規模生產天然色素成為了學者們重點研究方向。研究表明自然界中存在著大量的能夠產生色素的微生物，而且利用基因工程手段得到編碼色素合成酶的相關基因，構建微生物色素生產工程菌，并對其代謝途徑進行有效調控，就有可能實現色素的工業化生產。但是微生物在發酵過程中有可能會產生部分有毒物質，作為生產菌株，既增加了提純難度，也增加了投入成本。目前在微生物法生產著色劑主要面臨兩大問題：一是如何在生產菌株方面選擇著色性好、穩定性強、無毒副作用的高產菌株，這要從大自然億萬微生物中進行選擇，工作量非常巨大；二是如何對現有的生物提取技術進行改進，這也需要生物技術的進一步革新和發展。隨著生物技術快速發展，微生物色素必將取代合成色素成為食用色素的主流。

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