微生物色素作为下一代食品着色剂：解析结构-功能关系与生物技术创新

《Food Production, Processing and Nutrition》：Microbial pigments as next generation food colorants: unraveling structure, function relationships and biotechnological innovations

　　

摘要专业翻译 微生物色素（Microbial pigments）已成为极具前景的下一代食品着色剂，其驱动力来自消费者对可持续、天然且具有健康促进作用产品的日益增长的需求。与植物源色素不同，微生物色素具有可规模化生产（scalability）、快速生产（rapid production）以及不受季节变化影响的一致产量（consistent yield）等优势。近年来，代谢工程（metabolic engineering）、合成生物学（synthetic biology）和发酵技术（fermentation technology）的进步显著提升了色素的生产效率与稳定性，使其在食品体系中的工业化应用成为可能。本综述对微生物色素的多样性进行了批判性审视，涵盖红曲色素（Monascus pigments）、类胡萝卜素（carotenoids）、甜菜色素（betalains）、核黄素（riboflavin）和黑色素（melanin），并讨论了其生物合成途径（biosynthetic pathways）与生产策略。此外，本文探讨了纯化、提取和纳米封装（nano-encapsulation）模型方面的最新技术进展，以增强色素在食品基质中的稳定性与功能性。新兴趋势如智能包装指示剂（smart packaging indicators）、功能性食品（functional foods）和植物基产品配方（plant-based product formulations）亦被重点介绍。同时，本文总结了涉及微生物色素表征的实验研究，涵盖光谱分析（spectroscopic analysis）和电子显微镜技术（electron microscope techniques），以阐明其功能与结构特性。最后，本文针对监管审批（regulatory approval）、毒性问题（toxicity concerns）、生产成本（production cost）和可规模化性（scalability）等当前挑战进行了讨论，并展望了可持续色素生产的未来研究方向。

论文主体内容学术总结

引言

颜色对人类情绪和心理的影响不亚于任何高价物品，食物的视觉属性能够激活大脑特定神经元，显著影响消费者的接受或拒绝决策。颜色为消费者提供了关于食品整体状态和组成的关键信息，同时也能降低或增强消费意愿。根据国际食品法典（Codex Alimentarius）的相关标准，食品色素在营养层面的作用已受到关注。天然色素来源于动植物组织，包括植物叶片、果实、蔬菜、花卉以及动物皮肤、眼睛等解剖结构，也存在于细菌和真菌等微生物中。除视觉吸引力外，色素还具有抗氧化、抗炎和抗菌等生化特性，可提升食品安全性。历史上，天然色素在食品中的应用可追溯至古埃及时代，日本奈良时代的正仓院文献记载了大豆和豆糕的染色实践，中国使用天然植物和昆虫染料的历史超过5000年，欧洲可追溯至青铜时代，印度河流域文明（约公元前2500年）亦有相关证据。

微生物（包括真菌、细菌和微藻）作为天然色素的重要来源，相比植物源色素具有全年可持续生产、不受季节变化影响、可通过菌株改良大规模生产以及下游提取效率高等优势。有机化学和代谢工程领域的进展使研究人员能够大规模生产高价值微生物菌种。基因克隆和重组DNA技术可有效应对色素产量提升中的难题。纳米化天然食品色素能够改善稳定性、延长货架期、提高溶解度并增强食品和饲料中的递送效率。表1比较了微生物色素与动植物源天然色素的差异：植物色素面临季节性和提取效率问题，动物源色素可能引发可持续性担忧，而微生物色素则具有可规模化、受控生产和降低环境依赖性的优势，但商业化和加工方面的挑战仍然存在。

历史背景与色素生产技术进展

天然食品着色剂：替代合成色素

外观对食品至关重要，直接影响消费者接受度。由于合成色素添加剂对健康的不良影响，食品行业正转向天然食品着色剂，推动生物色素的工业化生产。喹啉黄、日落黄和柠檬黄等合成色素的替代趋势在食品生产商中日益普遍。微生物色素因其天然生产能力和多种健康益处而成为合成着色剂的可行替代方案，同时具有生产成本相对较低、提取简便、产量良好和原材料供应稳定的特点。目前微生物色素占全球食品色素使用量的三分之一以上，其中类胡萝卜素（包括β-胡萝卜素和虾青素）由多种微生物产生，占据重要市场份额。封装微生物色素有助于在室温储存时保持色泽，延长货架期；纳米乳液可提高溶解度，使不可见尺寸的颗粒可用于透明饮料的着色。

微生物色素已在食品生产中得到应用，包括红曲色素、由草酸青霉（Penicillium oxalicum）生产的Arpink Red?、多种微生物来源的虾青素以及三孢布拉霉（Blakeslea trispora）产生的β-胡萝卜素。黄杆菌属（Flavobacterium sp.）产生的玉米黄质作为家禽饲料添加剂，可增强鱼类和甲壳类动物的壳色。其他真菌如卡门培尔青霉（Penicillium camemberti）用于布里奶酪、罗克福尔青霉（Penicillium roqueforti）用于罗克福尔奶酪的发酵，以改善色泽和风味。从土壤中分离的新菌株如Acinetobacter mufti、Enterococcus hirae和Pseudomonas aeruginosa显示出作为食品着色剂的潜力。近期研究还发现了产生聚酮类红曲样色素的丝状真菌，海洋真菌正成为多种新型色素的潜在来源。

历史视角与微生物色素转变

研究显示产品颜色显著影响消费者对香气、味道和风味的感知。过去八十年间，学术界对多种食品的色素认知影响进行了研究，涵盖面条、农产品、动物蛋白、调味品、奶酪、酸奶、果酱、果冻和冰糕等，但多数研究集中于液体食品，因其颜色强度易于调控。食品着色剂自古就被用于改善食品外观，最早的文献记载约在公元前1500年，最初来源于藏红花、辣椒粉和各种花卉等生物材料。古埃及人在药物制备中使用色素，罗马人在约公元前400年有葡萄酒着色的文字记载。黑色来源于黑糯米或黑芝麻，黄色来源于栀子果、藏红花和姜黄，红色来源于甜菜根、萝卜和红甘蓝。

十九世纪，人工色素具备了工业化着色剂所需的基本特性：化学稳定性、成本节约和更广泛的色域。1856年Perkin's Mauve颜料的问世开启了合成色素的新纪元。然而，合成色素引发了社会对其负面效应的担忧，包括儿童多动症和过敏反应。苋菜红、赤藓红和柠檬黄经体外实验检测对人工淋巴细胞具有毒性作用，因其能够与DNA结合。

色素是食品添加剂中最重要的类别之一，其化学组成、来源和预期应用的差异导致分类的复杂性，主要分为天然和合成两大类。合成色素是不存在于自然界的人工染料，多为偶氮染料，主要来源于石油化工原料，含有重金属和有害有机化合物。合成食品色素因其高稳定性、着色能力强、色泽鲜艳、色域广泛、生产一致性和可重复性以及成本低廉而受到青睐。然而，消费者日益倾向于天然替代品，因为合成色素的摄入与不良健康风险相关，在人体肠道中可能转化为有害产物，导致神经功能障碍和过敏等健康问题。

天然色素是与藻胆体（phycobilisomes）相关的高极性分子，在光合作用光能捕获中发挥关键作用。天然色素食用安全且具有健康益处，但其应用受限于稳定性不足、颜色匹配困难、色素强度低以及对食品成分和环境条件的敏感性。目前尚无一种天然色素能够在所有应用中完全替代特定的人工色素。

天然色素分类

天然色素根据来源和化学结构等不同特性进行归类。早期分类依赖植物学名称的字母顺序排列，随后演变为考虑来源、颜色、应用和化学性质的分类体系。本综述将天然色素分为植物源、动物源和微生物源三大类。

植物源色素赋予植物鲜艳的色彩，对光合作用和抗逆性至关重要，主要包括类黄酮（flavonoids）、甜菜色素（betalains）、花青素（anthocyanins）和叶绿素（chlorophylls）。其局限性包括提取复杂、季节性变异和稳定性问题。动物源色素常用于保护、通讯和伪装，包括黑色素（melanins）、类胡萝卜素（carotenoids）、肌红蛋白（myoglobin）和血红蛋白（hemoglobin）、胭脂虫红（cochineal）和胭脂红（carmine）等。

微生物源色素来源于细菌、真菌、藻类和微藻，化学组成、功能、耐久性和溶解度差异显著。这些作为次级代谢产物的色素因其着色能力、潜在健康益处和工业应用而备受追捧。微生物色素是传统着色剂的低成本、环保替代品，能够满足全球对天然产品日益增长的需求。与植物色素不同，微生物色素不受生长期间温度和降雨变化的影响，提供丰富且一致的天然着色剂来源，可从低成本原材料中快速大规模生产，因此比传统色素来源更具经济可行性。微生物色素具有受控生产、可持续性等优势，发酵优化、稳定化技术和代谢工程的最新进展显著提高了色素产量。

食品中微生物色素的类型及其生物合成途径

微生物呈现多种色相，包括黑色、蓝色及其他多种色调。食品工业中常用的微生物色素包括类胡萝卜素、红曲色素、甜菜色素、黑色素和核黄素等。

微生物色素通过源自初级碳代谢的多种代谢途径合成，形成类胡萝卜素、聚酮色素（polyketide pigments）和黄素色素（flavin pigments）等类别。理解这些生物合成途径对于通过代谢工程和发酵优化提高色素产量至关重要。

类胡萝卜素（黄色、橙色和红色色素）：类胡萝卜素是天然的脂溶性四萜类化合物，呈黄色至红色。多种微生物含有类胡萝卜素，包括Xanthophyllomyces dendrorhous、Blakeslea trispora、Dunaliella salina和红酵母属（Rhodotorula spp.）。类胡萝卜素分为叶黄素（xanthophylls）和胡萝卜素（carotenes）两类，成员超过500种，包括虾青素、玉米黄质、紫黄质、角黄素、隐黄质、番茄红素、新黄质、叶黄素以及α-和β-胡萝卜素。其生物合成始于八氢番茄红素合酶（phytoene synthase），通过两分子香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）缩合产生八氢番茄红素。番茄红素通过一系列脱饱和和异构化反应生成。环化酶可将线性类胡萝卜素转化为α、β和γ-胡萝卜素等环状化合物，通过羟化酶、酮醇酶等添加氧原子实现β-胡萝卜素向β-隐黄质及叶黄素等化合物的转化。虾青素作为知名抗氧化剂，也被视为可行的营养保健品成分。

红曲素和安卡黄素（黄色-橙色色素）：红曲素（monascin）和安卡黄素（ankaflavin）是由红曲霉（Monascus purpureus）在特定环境条件（如pH、营养可利用性和温度）下发酵产生的天然生物活性色素。红曲霉属于子囊菌纲（Ascomycetes）丝状真菌，产生的色素归类为吖啶酮类（azaphilones）。红曲素和安卡黄素的生物合成涉及聚酮途径，由乙酰辅酶A缩合起始，经中间体最终形成色素。辛酸等中链脂肪酸来源于脂肪酸代谢途径，通过转酯化反应连接到发色团结构上，产生橙色色素（monascorubrin C₂₃H₂₆O₅或rubropunctatin C₂₁H₂₂O₅），随后经转酯化生成黄色色素（ankaflavin C₂₃H₃₀O₅或monascin C₂₁H₂₆O₅）。红曲色素在东方传统烹饪中用作天然着色剂，也用于乳制品和肉制品。黄色色素（红曲素和安卡黄素）具有抗炎和抗氧化特性。

甜菜色素（黄色、紫色和红色色素）：甜菜色素是水溶性色素，主要存在于石竹目（Caryophyllales）植物中，也存在于某些担子菌纲真菌（如鹅膏菌属Amanita和湿伞属Hygrocybe）以及细菌Gluconacetobacter diazotrophicus中。甜菜色素根据结构和光吸收特性主要分为黄色甜菜黄素（betaxanthins）和红色或紫色甜菜青素（betacyanins）。酪氨酸通过莽草酸途径（shikimate pathway）产生L-DOPA，L-DOPA经4,5-双加氧酶氧化为甜菜醛氨酸（betalamic acid），后者与氨基酸缩合产生甜菜黄素。甜菜青素由甜菜醛氨酸与环化DOPA缩合形成，后续修饰产生多种甜菜青素。甜菜醛氨酸是甜菜色素家族所有成员的唯一前体。甜菜色素用于乳制品、饮料和糖果的天然着色，并具有抗氧化等药理活性。近期已在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中利用葡萄糖实现甜菜苷的生产，为传统农业种植提供了有前景的替代方案。

黑色素（深棕-黑色色素）：黑色素是由多种微生物产生的天然色素，包括烟曲霉（Aspergillus fumigatus）、Alteromonas nigrifaciens、Colletotrichum lagenarium、Shewanella colwelliana和霍乱弧菌（Vibrio cholerae）等。黑色素是非均质的聚合色素，具有无定形结构，多呈深棕至黑色，少数为红色和黄色。根据前体化学性质分为五类：真黑色素（eumelanin）、褐黑色素（pheomelanin）、神经黑色素（neuromelanin）、异黑色素（allomelanin）和脓黑色素（pyomelanin）。真菌中的黑色素生物合成涉及乙酸/丙二酸途径的羟基萘亚基，受基因簇调控。烟曲霉具有包含六个基因的显著基因簇，马尔尼菲青霉（Penicillium marneffei）中也有类似基因簇。黑色素凭借其抗氧化和胃肠道特性改善产品质量，其抗菌特性使其可用于食品加工和包装，Nocardiopsis sp.产生的黑色素被用作天然着色剂，减少对合成等效物的依赖。

核黄素（维生素B2，黄素色素，黄色色素）：核黄素又称维生素B2，是必需的黄色水溶性物质，是重要黄素类物质的前体。其衍生物黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）对多种黄素蛋白/黄素辅酶至关重要，在电子传递链中作为氢载体并诱导氧化还原反应。核黄素由枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）等细菌以及假丝酵母（Candida famata）和棉阿舒囊霉（Ashbya gossypii）等真菌合成。核黄素的生物合成以GTP和磷酸戊糖途径的Ru5P为起始原料，GTP进入异咯嗪环结构，Ru5P提供末端碳原子。最后阶段由核黄素合酶催化，即6,7-二甲基-8-核糖醇基 lumazine（DrL）的歧化反应。