食品工业中微生物色素的研究进展
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2014 1川 — J『14 第35卷筇1期 Food Research轰 l》e elopment 交菇磷究筠释 专题论述 DOI:10.3969/j.issn.1005-6521.2014.01.031 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:r大学环境与生物工程学院,辽宁抚顺1 13001) 摘要:天然色素是指从动物和植物组织及微生物(培养)中提取的色素,具有色泽自然鲜艳,营养价值高,无毒无 害、安全性高的特点。利用微生物生产天然色素可以解决天然色素原料稀少、成本高昂等诸多问题,更有利于工业化 生产 本文介绍的微生物色素,有红曲色素、栀子色素、类胡萝l,素、黑色素、靛蓝等,对其特性、菌种选育、提取方法等 进行了综述,并对各种微生物色素如何进行工业化生产提出了建议。 关键词:微生物色素;食品安全;食品添加剂;食品行业;天然色素 Research Progress of Microorganisms Pigments in the Food Industry YANG Shuang-chun,LI Chun-yu,PAN Yi (College of Environmental and Biological Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 1 1 300 1, Liaoning,China) Abstract:Natural pigment is extracted from the animals and plants organization and microorganism cuhivation. It has many characteristics such as natural bright colour and luster,high nutritional value,avirulent,harmless aml high safety.It is a good method that natural pigment was produced by microorganism to solve the problems of raw material scarce and high costs.By the way,this way also could increase yield of natural pigment.In this paper,the microorganism pigment,monascus pigment,gardenia pigment,carotenoids,melanin,indigo were introduced and summarized.Characteristics of microorganism pigment were reviewed including breeding strains, extraction method,and recommendations on a variety of the microbial pigment in the industrial production. Key words:microbial pigment;food safety;food additive;food industry;natural pigment 色素广泛应用于食品、制药、化妆品、印染等工 、l l】I。}{从1 856年Perkins等首次合成了苯胺紫后,合 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 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口I。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 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 何营养价值,而且有严重的毒副作用。利用微生物可 以产生符种天然色素,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J、‘大学者的研究热点。 2012年我国发布的《食品1_业“十二五”发展规 划》中指 :到2015年食品添加剂制造业总产值达到 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, 1 100亿元,产品产量达到l1()()万t;利用生物1二程技 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。此规划表明围家要加大对食品添加剂制造业的投 作者简介:杨双春(J977一),女(汉),讲师,博1:,研究方向:环境化丁。 通信作 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、凋 味类罐头、奶制品、植物蛋白、果品的生产过程中I31。 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, 专题论述 杨双春,等:食品工业中微生物色素的研究进展 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 。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,不易控制翻。 201 1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[61。在国 外,2003年Rosa M等通过小麦基板深层发酵成功提 取了红曲色素同;2011年Donghua Jiang等利用高 一氨 基丁酸生产红曲[81。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 。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ll 21。目前较为先进的方法是2008年章 建国等通过将B一葡萄糖苷酶发酵和酶促反应分开的 两步法制得栀子色素 1。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 ofFood 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㈣。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B一胡萝卜 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 。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l】63。 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 丰富等优点旧。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『I8】。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n91。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[201。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『2】]。Y¥ ̄FDong—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[221。在国内,2012年1月份国内学者董华群 杨双春,等:食品-T-,2k中微生物色素的研究进展 专题论述 ===l l 6 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I列 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 rain, 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。此方法已经是当今同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124j。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 于衣物的染色,《葡子・劝学》中有“青,取之于 蓝而青f蓝”,其中的“青”即是靛蓝 靛蓝作为一种食品着色袁IJ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 现如今存市场E流通的靛蓝绝大多数是人T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 合成的靛蓝是 允许添加到食品中的,但是仍有很 多商人,唯利是 ,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_『-‘泛的关注,如何在低成本投入的情况下得到 大量的夫然靛蓝成为 罔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 合成靛监,这之后大家把目光都投到微生物方法生产 靛蓝上,并做r大量的研究,取得了一定的成果。目前 最前沿的技术是201 1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 特的催化刹存大肠杆菌巾大量表达,通过对口8l哚及吲 哚衍生物的氧化得到了靛蓝及一系列靛蓝类色素I巧I。 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T业生产中。目前微生物提取靛蓝依旧是 热点问题,对它T业化生产的前景也是十分的期盼, 但不可 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。这些色素南于提取技术 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、酸一热法等。其中酸一热法效果最好 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丁业生 产。无论是法夫酵母色素、可可色素、还是黄色素都具 备微生物色索不受地理条件、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 Ik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L大J l厂程手段得到编码 色素合成酶的相关基因,构建微生物色素生产 1 程 菌,并对其代谢途径进行有效涮控,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_口T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,厂作量非常巨大;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。 参考文献: [1 J上 ,罗海澜,刘畅,等.一株粘质沙雷氏菌的分离和 红色素初 步研究[J1.食品工业,201 l(3):53—55 【2]LieskeB,Konrad G.Thermal modiifcatiorl of sodium easeiante:ln— lfu—ence of 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