食品工业中微生物色素的研究进展

杨双春，李春雨，潘一

（辽宁石油化工大学环境与生物工程学院，辽宁抚顺113001）

色素广泛应用于食品、制药、化妆品、印染等工业[1]。自从1856年Perkins 等首次合成了苯胺紫后，合成色素随着科学技术的发展迅速取代了天然色素在食品中的地位走进了我们的生活[2]。但随着毒理学、医学、生物学技术的发展，合成色素被证明不但没有任何营养价值，而且有严重的毒副作用。利用微生物可以产生各种天然色素，而且这种方法生产的天然色素不受环境、资源、空间等条件的制约。因此微生物色素成为了广大学者的研究热点。

2012年我国发布的《食品工业“十二五”发展规划》中指出：到2015年食品添加剂制造业总产值达到1 100 亿元，产品产量达到1 100 万t；利用生物工程技术提高酶制剂、生物发酵制品的技术水平，提高提取物产品质量，利用高新技术提高化学合成产品的纯度。此规划表明国家要加大对食品添加剂制造业的投入，并大力支持微生物技术的研究。

研究了目前广泛应用到食品行业中的几种微生物色素的结构、功能、生物提取方法、应用现状和未来发展趋势。在分析这些微生物色素的成功之处的基础上，提出微生物色素工业化生产建议。

1 微生物色素

1.1 红曲微生物色素

红曲微生物色素是红曲霉菌丝的分泌物，目前已确立的结构有6 种，应用最广泛的是醇溶性的红色素、红斑素和红曲红素。由于红曲色素具有较好的耐热性，且对金属离子稳定，我国GB2760—1996《食品添加剂使用卫生标准》已经将红曲色素作为安全食品添加剂，允许其用于各种肉制品、水产品、配制酒、膨化食品、调味类罐头、奶制品、植物蛋白、果品的生产过程中[3]。

红曲色素一般为红色或暗红色粉末、糊状物或液体，红曲色素中的红、紫两种色素因为分离效果不好，常混合使用。红曲色素现今在食品行业中应用最广，其应用已有一千多年的历史。但由于红曲色素对光不稳定，限制了红曲色素的着色效果。连喜军对此进行了研究，提出在发酵过程中添加氨基酸、多肽等物质，使红曲霉分泌聚酮酶时将护色物质结合到色素结构上，从而提高红曲色素对光的稳定性[4]。还有学者在红曲色素中添加抗氧化剂，但是产物的耐光性并没有得到提高。红曲色素传统提取方法是采用有机溶剂浸提法，这种方法提取量少、纯度低。为此，有许多学者对提高红曲色素产量进行了大量研究。2010年明红梅等利用微波辅助法将红曲色素的产量提高了72.2%。但是微波破碎法在破碎过程中会产生热量，不易控制[5]。2011年杨成龙等采用超声波辅助提取法也成功的在红曲霉液态发酵菌体中提取了红曲色素，运用此方法提取红曲色素的量比同条件下的传统浸提法提取效果好，对有效成分结构破坏较小、可操作性好[6]。在国外，2003年Rosa M 等通过小麦基板深层发酵成功提取了红曲色素[7]；2011年Donghua Jiang 等利用高γ-氨基丁酸生产红曲[8]。如果能对红曲色素的耐光性和水溶性进一步改性，红曲色素的应用范围将会更广。

1.2 栀子微生物色素

栀子为茜草科植物，又名黄栀子，其色素成分主要是栀子黄色素、栀子蓝色素、栀子红色素[9]。其中栀子黄色素和栀子蓝色素以稳定在性强、着色性好等诸多优点而得到广泛应用。

随着栀子色素的应用越来越广泛，国内学者对栀子色素的提取做了大量研究。栀子色素生产的传统方法是溶剂浸提法，近年来还出现了微波法、超临界法、微生物发酵法[10-12]。目前较为先进的方法是2008年章建国等通过将β-葡萄糖苷酶发酵和酶促反应分开的两步法制得栀子色素[13]。这种方法提取栀子色素的量与传统方法比较有了很大提高，但这种方法制得的栀子色素色价和纯度都比较低。2012年浙江工业大学朱兴怡（音译）等在Journal of Food Science and Technology上发表文章表明可以采用响应曲面法从栀子果实匀浆中提取栀子色素[14]。多年来栀子色素的安全性已经得到了世界上许多国家的认可，国内也将栀子色素作为允许使用的食用天然微生物色素，列入到我国GB2760-1996《食品添加剂使用卫生标准》中。如果能在栀子色素的提取和改性方面做进一步研究，降低其成本增加其纯度，它将会有广阔的应用前景。

1.3 类胡萝卜色素

类胡萝卜素是一类重要的天然色素的总称，属于化合物。普遍存在于动物、高等植物、真菌、藻类和细菌中的黄色、橙红色或红色的色素，主要是β-胡萝卜素。类胡萝卜素是高度不饱和化合物，不溶于水而溶于有机溶剂，含有一系列共轭双键和甲基支链。色素的颜色随着共轭双键的数目而变动。共轭双键的数目越多，颜色移向红色越远[15]。类胡萝卜素因为具有保健功能，被认为是最具有潜力的微生物食品添加剂。

目前有很多类胡萝卜素的提取方法，其中最常用的有两种：一是用培养盐藻来提取类胡萝卜素，这种方法需要在高盐份的海域环境进行，所以只能在少数地区养殖，生产的局限性很大，不宜大范围推广；二是用微生物发酵法生产类胡萝卜素，目前能够发酵产生类胡萝卜素的微生物主要有真菌、细菌和酵母菌等[16]。2011年国内学者唐棠经过研究认为红酵母菌种具有营养要求低，代谢速度快，发酵周期短，菌体无毒、营养丰富等优点[17]。根据酵母菌株的特点，红酵母细胞能够在发酵罐中实现高密度培养，易于产业化生产，更适合生产类胡萝卜素。国外学者Pejman Azadi 等通过新铁炮百合多基因代谢成功合成类胡萝卜素[18]。国外学者Eon Seon Jin 等运用微藻生物技术由绿色藻类杜氏盐藻生产类胡萝卜素。但由于发酵设施昂贵，毒理研究时间较长等原因，在过去很长一段时间内微生物法生产类胡萝卜素倍受质疑[19]。然而，随着微生物技术的发展，目前市场上利用微生物方法生产的类胡萝卜素产品所占的市场份额逐年增加，这反映了微生物法生产类胡萝卜素已经得到了消费者的认可。有理由相信，运用微生物方法生产的产品在未来的市场会有一个良好的前景。

1.4 黑色素

黑色素是一种生物色素，是酪胺酸经过一连串化学反应所形成，动物、植物与原生生物都有这种色素。黑色素通常是以聚合的方式存在。微生物产生的黑色素主要分为壁（膜）结合黑色素和胞外黑色素，不溶于酸性溶液、不溶于常见有机溶剂，可溶于碱性溶液、微溶于水[20]。比如黑曲霉在生成孢子的同时就会分泌黑色素。

天然黑色素的提取主要是根据它在碱性溶液中溶解，而在酸性溶液中沉淀这一性质来进行提取，这种方法不但提取率低而且提取的黑色素色度不好，导致天然黑色素成本高，不易工业化生产。利用微生物方法生产则不受这些条件影响，而且不受地域和季节的限制更利于工业化生产。国外学者RCR Gon alves等利用构巢曲霉成功提取了黑色素[21]。另外Dong-Seok Kim 在2003年通过调节温度提高了黑色素细胞合成黑色素的量[22]。在国内，2012年1月份国内学者董华群等利用微波技术辅助碱提酸析法成功的在黎豆种皮中提取了黑色素[23]。得黎豆种皮黑色素粗提物得率（95.3±1.5）%，黑色素纯度（37.4±1.5）%，用时25 min，而运用常规方法得黑色素粗提物得率（91.2±2.0）%，黑色素纯度（36.5±2.1）%，用时4 h～6 h，明显的提高了黑色素的纯度和粗提物得率，而且大大缩短了提取时间。此方法已经是当今国内比较前沿的化学提取方法，但得到的黑色素纯度也只有37%左右。由此可见，微生物方法提取黑色素具有广阔的发展前景，随着生物技术的快速发展，微生物法提取黑色素一定会成为天然黑色素生产的主流。

1.5 靛蓝

靛蓝是一种芳香族化合物，蓝色粉末，微溶于水、乙醇、甘油和丙二醇，不溶于油脂。耐光性耐热性差，对柠檬酸、酒石酸和碱不稳定[24]。靛蓝是世界上最早发现的天然染料之一，早在3 000 多年前的我国就已经把靛蓝用于衣物的染色，《荀子·劝学》中有“青，取之于蓝而青于蓝”，其中的“青”即是靛蓝。

靛蓝作为一种食品着色剂也广泛的应用于食品行业。但由于天然靛蓝的原料稀少（主要产于印度）而全球靛蓝的需求量又特别的高（每年80 t 左右），所以现如今在市场上流通的靛蓝绝大多数是人工合成的靛蓝，只有极少的一部分为天然靛蓝而且价格非常高。人工合成的靛蓝是不允许添加到食品中的，但是仍有很多商人，唯利是图，不顾食品安全向中加入人工合成的靛蓝。现如今化学合成色素的安全性问题在世界范围内受到广泛的关注，如何在低成本投入的情况下得到大量的天然靛蓝成为了国内外学者关注的课题。

20 世纪初期，有学者发现微生物能够将吲哚转化合成靛蓝，这之后大家把目光都投到微生物方法生产靛蓝上，并做了大量的研究，取得了一定的成果。目前最前沿的技术是2011年Rioz-Martinez 等将一种细菌中的黄素依赖型单加氧酶与亚磷酸脱氢酶表达成融合蛋白，将这种融合蛋白应用到生物催化中，这种独特的催化剂在大肠杆菌中大量表达，通过对吲哚及吲哚衍生物的氧化得到了靛蓝及一系列靛蓝类色素[25]。但由于此方法对仪器设备的要求较高依然不能投入到大规模的工业生产中。目前微生物提取靛蓝依旧是热点问题，对它工业化生产的前景也是十分的期盼，但不可否认与靛蓝的化学合成相比微生物提取法仍有很多的不足之处。如何使靛蓝的微生物提取法更简便、更经济、更高效是学者们未来努力的方向。

1.6 其他微生物色素

目前，能运用微生物方法生产的色素还有法夫酵母色素、可可色素、黄色素等。这些色素由于提取技术和菌株选择等问题的限制都未能得到大规模的应用。例如，法夫酵母色素，它的主要成分为虾青素，虾青素是法夫酵母的胞内色素，要对虾青素进行提取就必须破坏掉法夫酵母细胞的细胞壁，然而该酵母细胞的细胞壁异常坚硬极难破坏。现有的破壁方法有细胞自溶法、超速匀浆法、酸—热法等。其中酸—热法效果最好破壁率达到95.8%，但此方法的操作条件不易控制、成本高，所以直到现在也不能进行大规模的工业生产。无论是法夫酵母色素、可可色素、还是黄色素都具备微生物色素不受地理条件、季节条件、空间条件等因素影响的优点，具有广阔的发展空间，只是技术上问题限制了其发展。

2 结论

在当今的食品行业中天然色素以安全、对人体有一定保健、营养或药理作用重新被人们所重视，如何运用微生物方法大规模生产天然色素成为了学者们重点研究方向。研究表明自然界中存在着大量的能够产生色素的微生物，而且利用基因工程手段得到编码色素合成酶的相关基因，构建微生物色素生产工程菌，并对其代谢途径进行有效调控，就有可能实现色素的工业化生产。但是微生物在发酵过程中有可能会产生部分有毒物质，作为生产菌株，既增加了提纯难度，也增加了投入成本。目前在微生物法生产着色剂主要面临两大问题：一是如何在生产菌株方面选择着色性好、稳定性强、无毒副作用的高产菌株，这要从大自然亿万微生物中进行选择，工作量非常巨大；二是如何对现有的生物提取技术进行改进，这也需要生物技术的进一步革新和发展。随着生物技术快速发展，微生物色素必将取代合成色素成为食用色素的主流。

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