[科普中国]-生物色素

简介

生物色素是生物细胞中的一类化学物质，它们因为一些特殊的化学结构，能够对光线造成反射、干涉、散射或吸收等效果。生物色素种类繁多，来源广泛，工业生产中的许多色素来源于植物和微生物，比如花青素、胡萝卜素、靛蓝、番茄红素、叶绿素、红曲色素、黑色素等。动物的皮肤、毛发、眼睛等部位具有不同种类的色素细胞。目前．天然色素主要可以通过植物提取或者微生物发酵获得。和人工合成色素相比，天然色素的安全性高，色泽自然鲜艳，且具有很高的营养价值和药理功能。

1958年，珀金斯(Perkins)等首次合成了苯胺紫。随着科技的进步和工业的发展，合成色素迅速取代了天然色素在食品工业中的地位。但随着毒理学的发展，人们认识到合成色素不仅无任何营养价值，并且污染大，毒副作用严重。因此，开发微生物发酵生产色素成为人们生产天然色素的途径之一。微生物色素有很多种类，主要有红曲色素、类胡萝卜素、黑色素、靛蓝和醌类色素等1。

具有代表性的生物色素红曲色素红曲色素是一种由红曲菌属的丝状真菌经发酵而成的优质天然食用色素，是红曲菌的次级代谢产物。作为天然色素，红曲色素一直以来被认为是安全性较高的食用色素，试验已证明它不含黄曲霉毒素。红曲色素作为食品色素广泛应用于食品行业，也可用于医药和化妆品的着色，不仅具有增香、增色、防腐的功效，还具有抗氧化、抗疲劳、抗肿瘤、调节血氨、调节血脂水平等功效。

红曲色素主要通过微生物发酵获得，微生物发酵产红曲色素中含一种毒性的真菌毒素——桔青毒素，其可以通过各种育种手段筛选低桔青毒素或不含桔青毒素的菌株，也可以通过发酵等艺优化，获得低桔青毒素或不含估青毒素的产品。红曲色素的生产工艺有固态发酵和液态发酵。根据生产工艺的不同，红曲色素的溶解性也有所不同：一类是水溶性红曲色素，可溶于水，微溶于乙醇，不溶于氯仿；另一类是醇溶性红曲色素，可溶于乙醇、氯仿，但不溶于水2。

黑色素黑色素是酪氨酸经过一连串化学反应所形成的，动物、植物与原生生物都有这种色素。最普遍被了解的是经常被太阳照射后，人的面部会出现黑斑。这是因为在人体皮肤细胞受到紫外线照射时，肌肤就会处于“自我防护”的状态，生成一种叫“多巴”的物质，释放出黑色素，使面部出现黑斑。其实，黑色素还有很多生理功能，在人体内不可或缺。它还被广泛应用于食品着色剂、化妆品、染发剂、新型药物载体等，还用于治疗与黑色素缺乏有关的神经系统疾病，如帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷舞蹈病等。

黑色素主要通过黑芝麻、黑豆皮、黑米来提取制备，但是由于天然物质中黑色素含量较低，提取成本较高，且受到时间、原料等限制，目前有利用链霉菌、嗜麦芽假单胞或基因工程大肠杆菌菌株进行生产，并可实现连续生产。鉴于黑色素巨大的发展潜力，利用微生物发酵生产黑色素将被广泛应用3。

类胡萝卜素类胡萝卜素是另一类重要的色素，包括β-胡萝卜素、番茄红素、虾青素、花青素等。这类色素的特点是不溶于水、具有高抗氧化性；不仅对保护人的视力、心血管等方面具有直接效用，而且在药用辅料、保健品、食品添加剂、饲料添加剂等方面有着非常重要的地位。目前，这类色素的批量生产还主要依靠化学合成法。但化学法生产出的多为混合物，即具有不同构型和活性的手性物质混合物，所以其产品主要用于饲料添加剂、着色剂等；药用、食品的高端市场仍要依靠传统的植物提取法获得此类天然色素。

发酵法生产类胡萝卜素始于20世纪50年代。1956年美国报道采用三孢布拉氏霉菌两性菌株发酵生产β-胡萝卜素，产率为1265毫克/升培养液；日本也报道了利用红色精元杆菌生产类胡萝卜素．在此基础上可以较容易地生产番茄红素。目前。我国部分企业已经掌握了生物法生产β-胡萝卜素和番茄红素的工艺。并已有相关产品而世。而虾青素的生物法制造仍然是世界范围内的研究热点。从长远来看，生物发酵生产类胡萝卜素是生产天然色素的最佳途径．而现代生物技术的发展势必推动此类技术的快速发展4。

叶绿素叶绿素(Chlorophyll)是植物体内光合作用膜中的绿色色素，是植物光合作用过程中捕捉光能的绿色有机化合物，存在于所有绿色植物中称为叶绿体的细胞器内的盘形膜(称为类囊体)中。叶绿素有四个类型：叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c和叶绿素d。其中叶绿素a和叶绿素b是主要类型，存在于高等植物的叶绿体及绿藻中，其分子式为C40H70O5N4Mg。

叶绿素是绿色植物进行伟大的光合作用的主要成分，它吸收、传递光能，参与将空气中的二氧化碳和土壤中的水分转变成化学能——葡萄糖，并释放出氧气，从而为植物界自身的生长及动物界的生存提供了源源不断的粮食，同时又制造了生物界所必需的氧气，维持了大气成分的稳定平衡。光合作用是自然界无与伦比的化学反应过程，无论是参与反应的物质数量、时间、空间及功能效果，都是任何化学反应无法比拟的，所以说光合作用是伟大的，而叶绿素作为光合作用的“始作俑者”则不愧为第一功臣。

叶绿素除进行光合作用外，其制品还有某些药用价值。因叶绿素与人体血红素的分子结构非常相似，唯一的区别是分子核心分别为镁原子和铁原子。所以饮用叶绿素对产妇和失血者有帮助。据营养专家说，服用叶绿素能去除杀虫剂与药物残留毒素，并能与辐射性物质结合而将其排出体外。另外，叶绿素还有养颜美肤的功效5。

叶黄素叶黄素又叫植物黄体素，化学名称为3-3'-二羟基-β-胡萝卜素，分子式为C40H56O2，分子量为568.85；不溶于水，易溶于油脂和脂肪性溶剂；纯叶黄素为黄色棱状晶体，有金属光泽，对光和氧不稳定，应贮存于阴凉干燥处，避光密封。

叶黄素在自然界中与玉米黄素共同存在，是构成玉米、蔬菜、水果、花卉的植物色素的主要成分，含于叶绿体中。叶黄素将吸收的光能传递给叶绿素，对光氧化、光破坏具有保护作用。叶黄素还是构成人眼视网膜黄斑区的主要色素。叶黄素是一种广泛存在于植物体中的天然色素，属于类胡萝卜族。目前已知自然界中存在着600多种类胡萝卜素，其中只有约20种存在于人的血液和组织中。在人体中发现的类胡萝卜素主要有α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、隐黄素、叶黄素、番茄红素和正未黄素。医学实验证明，植物中所含的天然叶黄素是一种性能优良的抗氧化剂，在食品中加入一定量的叶黄素可预防细胞衰老和机体器官衰老，同时还可预防老年性眼球视网膜黄斑退化引起的视力下降与失明。经一系列医学研究，胡萝卜素类已被建议用作癌症预防剂、生命延长剂、溃疡抵制剂，心脏病与冠状动脉疾病发作抵制剂。另外，叶黄素还可用作饲料添加剂、食品着色剂和营养保健剂。

叶黄素的医用保健机理概括如下：

（1）叶黄素对眼球视网膜黄斑有保护作用，这是因为叶黄素具有抗氧化作用和光保护作用。视神经不可再生，极易受到有害自由基的伤害，叶黄素的抗氧化作用可抑制有害自由基的形成。蓝光波长接近紫外线，是对眼睛危害最大的可见光，而叶黄素具有吸收蓝光的功能，可降低蓝光对视网膜的危害。

（2）叶黄素可降低白内障的发生率。目前医学研究认为白内障的发生与较高的晶状体视觉密度有关，而老年人的较低黄斑色素密度可能是导致较高晶状体视觉密度的原因。

（3）叶黄素的抗氧化作用能抑制活性氧自由基的活性，而活性氧自由基可与DNA、蛋白质及脂类发生反应，削弱它们的生理功能，进而引发诸如癌症、动脉硬化、增龄性黄斑变性症等病变的发生。叶黄素可通过淬灭作用灭活单线态氧，从而增强机体免疫力。

（4）叶黄素有延缓动脉硬化的作用，是因为血液中叶黄素含量低易导致动脉血管壁增厚，所以血液中叶黄素增多会使动脉血管壁增厚的趋势降低。另外，动脉壁细胞中的叶黄素还可降低LDL胆固醇的氧化性。

（5）多项研究表明，叶黄素对多种癌症有抑制作用，如乳腺癌、前列腺癌、直肠癌、皮肤癌等。如果人均每天摄人400～600g水果和蔬菜，可使患癌症的危险性降低50%6。

花青素花青素学名OPC，是一种水溶性色素，可随细胞液的酸碱性改变颜色。细胞液呈酸性则偏红，呈碱性则偏蓝。花青素是构成花瓣和果实颜色的主要色素之一。自然界有300多中不同的花青素，广泛存在于各种花卉、水果和蔬菜中，如天竺葵、矢车菊、芍药花、牵牛花、牡丹、玫瑰、越桔、血橙、草莓、葡萄、胡萝卜、紫甘薯、茄子皮、樱桃、桑椹、山楂、紫苏、黑米等。花青素属于酚类化合物中的类黄酮类，多由苯基丙酸类合成路径和类黄酮合成路径生成，基本结构包含两个苯环，并由-3C的单位连接(C6-C3-C6)。影响花青素呈色的因子包括花青素的构造、pH值、共色作用等。果皮呈色受内在和外在因子及栽培技术的影响；光可增加花青素含量；高温会使花青素降解。花青素为植物的二级代谢产物，在生理上扮演着重要角色，有吸引昆虫和动物传授花粉、撒播种子以繁衍后代的功能。

花青素颜色随pH值发生变化，当pH值为3时呈覆盆子红，而pH值为5时则呈深蓝莓红。在大多应用中，这些色素具有良好的光、热和pH值稳定性，广泛应用千饮料、糖果、果冻和果酱中。近年来作为多酚的花青素因对健康可能带来好处而颇受人们关注。花青素是一种强有力的抗氧化剂，它能保护人体免受有害物质——自由基的损害。花青素还能增强血管弹性，改善循环系统和增进皮肤的光滑度，抑制炎症和过敏，改善关节的柔韧性。其功效概括如下：

（1）有助于预防多种与自由基有关的疾病，如癌症、心脏病、早衰及关节炎等；

（2）通过防止应激反应和血小板凝聚以减少心脏病和中风的发生；

（3）增强免疫系统能力，抵御致癌物质；

（4）降低感冒次数和缩短持续时间；

（5）具有抗突变的功能，从而减少致癌因子的形成；

（6）具有抗炎症功能，可预防关节炎、肿胀等炎症；

（7）缓解花粉病及其他过敏症；

（8）增强血管弹性，保护动脉血管内壁；

（9）保持血细胞的柔韧性，有益血液循环，增强细胞活力；

（10）松弛血管及防止肾脏释放出的血管紧张素转化酶而引起血压升高，以预防高血压；

（11）具有保护脑细胞的功能，可防止淀粉样8蛋白的形成、谷氨酸盐的毒性及自由基的攻击，从而可预防阿尔茨海默氏病；

（12）通过对弹性蛋白酶和胶原蛋白酶的抑制使皮肤光滑而富有弹性，可预防因过度日晒所致的皮肤损伤等病变。

鉴于花青素对人体健康长寿有益，无毒副作用，引起人们的重视与研究兴趣，有望人类社会从20世纪的抗生素、维生素时代进入21世纪的花青素时代7。