生物技術(shù)在天然色素生產(chǎn)中的應(yīng)用舉例

天然色素開發(fā)中的應(yīng)用生物技術(shù)在背景介紹

人類使用天然色素的歷史由來已久，最早可追溯到古埃及時期。1865年，第一個合成有機色素苯胺紫被創(chuàng)造，合成色素有了飛躍式的開展。

20世紀后，人們逐漸對合成色素進入身體后的轉(zhuǎn)化機理得以了解，發(fā)現(xiàn)合成色素對人體有較為嚴重的慢性毒性?，F(xiàn)在，世界各國又開始重視天然色素和無毒無害食品添加劑的開發(fā)與應(yīng)用，從而使天然色素取得了巨大的開展。而生物技術(shù)在色素生產(chǎn)工藝上的應(yīng)用又使色素生產(chǎn)的效率得以大大提高，天然色素生產(chǎn)涉及到的生物技術(shù)有植物細胞和組織培養(yǎng)、微生物發(fā)酵和細胞以及酶工程等方面的研究工作。主要內(nèi)容一、天然色素的主要特點二、天然植物色素的種類三、天然色素舉例——番茄紅素四、生物技術(shù)在其他天然色素中的應(yīng)用五、天然植物食用色素開發(fā)利用中的問題及對策一、天然色素的主要特點１、從衛(wèi)生學的觀點來看，絕大多數(shù)的天然色素平安性高，無毒、副作用。2、在營養(yǎng)價值方面，天然植物色素大多為花青素類、黃酮類、類胡蘿卜類化合物，因此很多食用天然色素都含有人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)或本身就是維生素或具有維生素性質(zhì)的物質(zhì)。3、在醫(yī)學藥理方面，有一些天然色素具有一定的藥理功能，對某些疾病有預(yù)防和治療作用，具有增強人體功能、保健防病等成效。二、天然植物色素的種類按來源植物色素動物色素微生物色素按結(jié)構(gòu)異戊二烯衍生物〔類胡蘿卜類色素〕酚、酮衍生物胡蘿卜素胡蘿卜醇胡蘿卜醇的酯類胡蘿卜酸黃酮與黃酮醇類查耳酮類花青素類黃素類卟啉類衍生物〔四吡咯衍生物〕醌類色素其他天然植物色素分類葉綠素血紅素和膽色素三、生物技術(shù)在天然色素生產(chǎn)中的應(yīng)用舉例番茄紅素我國幅員遼闊，植物資源豐富，品種多，許多品種產(chǎn)地集中，從南到北都有天然食用色素生產(chǎn)的原料，都可以加以開發(fā)利用。利用生物技術(shù)選取含有植物色素的細胞，在人工精制的條件下進行培養(yǎng)、增殖，可在短期內(nèi)培養(yǎng)出大量的色素細胞，然后用通常方法提取。這些方法克服了許多天然食用色素生產(chǎn)的缺乏，不受自然條件的限制，能在短期內(nèi)生產(chǎn)大量的色素，這就為天然食用色素的開發(fā)提供了豐富的原料，也為農(nóng)副產(chǎn)品深加工開辟了新的途徑。為了保持天然色素固有的色澤、產(chǎn)品的穩(wěn)定性和平安衛(wèi)生性，生產(chǎn)色素一般都采用物理方法、生物學方法，而很少采用化學方法。其中，生物學方法主要有組織培養(yǎng)法、微生物發(fā)酵法和酶處理法。番茄紅素番茄紅素是植物中所含的一種天然色素，是類胡蘿卜素的一種。它主要存在于番茄及其制品、西瓜、石榴、秋橄欖和紫色葡萄柚中。番茄中番茄紅素72%～79%存在于皮及番茄籽周圍的類脂物中,與大分子物質(zhì)緊密結(jié)合,釋放困難。它是目前自然界中被發(fā)現(xiàn)的最強抗氧化劑。它越來越受到營養(yǎng)學界和醫(yī)學界的關(guān)注，具有可觀的開發(fā)利用前景。因此被譽為“植物黃金〞。

分子式C40H56，相對分子質(zhì)量536.88；紅色晶體；熔點174℃，可燃；易溶于氯仿、二硫化碳、苯、油脂；可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮；不溶于水；難溶于甲醇等極性有機溶劑；無毒。番茄紅素在自然界中主要以全反響式結(jié)構(gòu)存在，是一種具有11個碳碳共軛雙鍵的多不飽和脂肪族烯烴。如圖：〔1〕理化性質(zhì)

番茄紅素的生物合成過程為：異戊烯焦磷酸〔IPP〕與其異構(gòu)體二甲基丙烯基二磷酸〔DMP〕縮合生成二甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸〔GPP〕，在GPP合成酶的作用下，繼續(xù)與IPP縮合，生成二甲基辛烯二甲基辛烯焦磷酸〔GGPP〕，2個GGPP縮合為預(yù)八氫番茄紅素焦磷酸〔PPPP〕，再進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榘藲浞鸭t素，在脫氫酶作用下，脫氫生成番茄紅素。

番茄紅素性質(zhì)十分活潑,易受氧、紫外線、溫度的影響而迅速氧化。其中，受溫度的影響最顯著，在25℃以下，溫度升高，酶的活性增加，色素的轉(zhuǎn)變也愈快。但當溫度升高到25℃以上，番茄紅素的形成就緩慢，如溫度到達30℃以上時，番茄紅素難于形成。如果溫度升高35℃時，番茄紅素不能生成，更高溫度甚至已形成的番茄紅素還會分解。

番茄紅素可以被完整吸收,其吸收率受許多因素的影響,食物中蛋白質(zhì)、藻酸鹽、果膠、瓜膠、樹脂、纖維素等，人的腸道疾病和缺鐵、缺鋅狀態(tài)均可干擾其吸收。攝入未經(jīng)加工的番茄等富含番茄紅素的食物,血漿番茄紅素濃度變化不大,而經(jīng)加熱或用較多油脂同時加熱后食用,血漿番茄紅素的濃度增加3倍。這是因為生番茄中的番茄紅素可能被截留基質(zhì)中,加熱后細胞壁破裂,減弱番茄紅素與組織基質(zhì)間的結(jié)合力從而使番茄紅素溶出,增加了生物利用度?！?〕吸收、分布吸收：

番茄紅素是人血清中的主要類胡蘿卜素,人體血清中番茄紅素含量在不同人群之間差異較大。有報道認為，女性體內(nèi)的番茄紅素和B2胡蘿卜素顯著高于男性,且番茄紅素和B2胡蘿卜素的濃度高度相關(guān)。在人體胃中的酸性條件下,全反式番茄紅素異構(gòu)化為順式結(jié)構(gòu),這可能有助于增加小腸對它的吸收。番茄紅素主要分布在腎上腺、睪丸、前列腺中,在人的晶狀體中不含有番茄紅素和B2胡蘿卜素。分布：一般采用直接粉碎法和浸提法。此外，酶反響法也有應(yīng)用。酶反響法的工藝流程為：清洗鮮番茄100℃熱燙去皮，5~7s用高速攪拌機打漿加熱鈍化酶活冷卻到45℃，調(diào)整pH到3.5加果膠酶和纖維酶0.05%處理4h粗濾去核高速離心〔4000r/min,10min〕70℃枯燥沉淀物的樣品樣品得率為0.585%，微溶于水。這可能是因產(chǎn)品雜質(zhì)過多所致，有待進一步深入研究?！?〕番茄紅素的提取。

科學證明，人體內(nèi)的單線態(tài)氧和氧自由基是侵害人體自身免疫系統(tǒng)的罪魁禍首。番茄紅素與眾多類胡蘿卜素一樣,是有效的抗氧化劑,能淬滅單線態(tài)氧和捕捉過氧化自由基,以物理淬滅為主。通過淬滅單線態(tài)氧預(yù)防脂類過氧化,保護生物膜免受自由基的損傷。它可以有效地防治因衰老、免疫力下降引起的各種疾病，并且可能在抑制與氧化損傷相關(guān)的腫瘤促進方面起積極的保護作用。

〔4〕功能一、抗氧化作用由于番茄紅素能夠保護低密度脂蛋白免受氧化破壞，因而有可能預(yù)防心血管疾病的發(fā)生，荷蘭學者對心肌堵塞患者的檢查中發(fā)現(xiàn)病人的番茄紅素含量低于健康人，而且α和β胡蘿卜素含量也比正常人體顯著降低，說明這幾種胡蘿卜素都與心肌堵塞的發(fā)生密切相關(guān)。

保護心血管疾病

在這方面的研究主要是在實驗室中進行的體外細胞培養(yǎng)實驗和動物實驗。研究發(fā)現(xiàn),番茄紅素具有降低乳腺癌細胞有絲分裂原的活性,番茄紅素延遲細胞周期進程是由于干擾胰島素樣生長因子I受體信號造成的。據(jù)認為番茄紅素抑制人乳腺癌和子宮內(nèi)膜癌細胞生長與抑制細胞周期進程G1有關(guān)。盡管各研究報道不盡一致,但大局部實驗結(jié)果支持番茄紅素具有抗腫瘤作用。二、抑制腫瘤細胞增殖

細胞間隙連接是細胞間的連接和交流信息的重要方式與結(jié)構(gòu)。大多數(shù)腫瘤細胞的細胞間隙連接通訊功能微弱或缺失,細胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化后其細胞間隙連接通訊功能降低或抑制。細胞間隙連接通訊功能的抑制或破壞被認為是促癌變階段的重要機制?？梢哉J為番茄紅素能增強腫瘤細胞的間隙連接通訊功能,從而使腫瘤細胞向良性轉(zhuǎn)化。三、誘導(dǎo)細胞間隙連接通訊番茄紅素對胸腺內(nèi)和外周T細胞亞群發(fā)揮作用,用番茄紅素處理乳腺癌小鼠,其異常的胸腺內(nèi)T細胞分化得到恢復(fù)并到達非患腫瘤組的水平。研究說明番茄紅素等可顯著減少血管細胞粘附分子1和細胞間的粘附分子1，并且在降低人主動脈內(nèi)皮細胞粘附至單核細胞以及降低細胞外表粘附分子的表達方面番茄紅素在各種類胡蘿卜素中是最強的,而粘附分子的減少將有利于延緩動脈粥樣硬化的進程。四、增強機體免疫功能

對番茄紅素功能的研究雖然已經(jīng)有許多流行病學資料及實驗室觀察資料,但在細胞培養(yǎng)、動物實驗及人群干預(yù)試驗方面的研究尚不多,而有關(guān)番茄紅素在機體中的吸收、分布、排泄、代謝和生物利用率及藥物動力學的資料還不充分,對于其抗癌機制,還需進行大量實驗研究予以證實,但毫無疑問,多攝食富含番茄紅素的食品對保護機體健康肯定是有益的。

番茄紅素在西紅柿中的含量隨品種和成熟度的不同而異，紅色番茄中的含量約是黃色番茄的10倍左右。番茄買回后，最好放在冰箱中低溫避光保藏，盡快烹調(diào)食用，因為番茄紅素在日光的長期照射下容易分解。另外，番茄屬于茄科果實，其農(nóng)藥殘留在各種蔬菜中最少。番茄果皮很薄，加工或食用時對果肉中番茄紅素的釋放幾乎沒有影響，而在人為有意的去皮過程中會使番茄紅素隨汁液流失。且番茄皮以膳食纖維為主，食用后有助于維護腸道健康。對于多數(shù)果蔬來說，加熱食用會造成其中的維生素C大量損失，但番茄是個例外。你知道嗎？

除了從果蔬中提取番茄紅素外，還可以采用藻類和真菌及酵母發(fā)酵制備番茄紅素。目前番茄紅素含量較高的微生物有紅色細菌，但均未得到工業(yè)化生產(chǎn)。研究說明，利用生物誘導(dǎo)合成可以顯著提高新鮮果蔬的番茄紅素含量，為提取番茄紅素打下更堅實的物質(zhì)根底。四、生物技術(shù)在其他天然色素中的應(yīng)用

近年來國內(nèi)研究較多的有紫草寧色素、紅曲色素、紅辣椒色素、高粱皮色素、橘皮色素、草莓紅色素、黑芝麻色素、黑加侖果渣紅色素、山楂紅色素等。酶工程法生產(chǎn)天然色素是利用現(xiàn)代生物工程技術(shù)從農(nóng)副產(chǎn)品中提取無毒、無害的天然植物色素，這類天然色素可廣泛應(yīng)用于食品、化裝品、制藥、保健品等行業(yè)。五、天然植物食用色素開發(fā)利用中的問題及對策一、穩(wěn)定性方面，防止大多數(shù)天然色素在空氣中氧化，并且使色素在通常方法制得的天然色素粗品，常常內(nèi)含蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、等雜質(zhì)，影響天然色素的穩(wěn)定性和著色度。在解決天然色素穩(wěn)定性差方面，可以通過添加抗氧化劑、穩(wěn)定劑加工、儲藏等過程中減緩?fù)噬俣?，延長半衰期；加金屬離子封鎖劑，消除金屬離子對色素的影響，提高天然色素的穩(wěn)定性，如Na3PO4可消除Fe3+對黃色素的影響；改性天然色素，葉綠素銅鈉鹽就是葉綠素的改性產(chǎn)物。此外，還可以通過如溶劑別離、兩相萃取、酶精制、膜別離、柱層析等方法進一步精制純化后取得精品，直接提高產(chǎn)品檔次。天然色素本錢較高，必須綜合利用，降低本錢。另一方面，還可以開發(fā)各種劑型，如水溶性、油溶性及乳化劑等新劑型，開發(fā)產(chǎn)品并開發(fā)各種調(diào)配產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的附加值。天然色素的生產(chǎn)，在原料上應(yīng)當走綜合利用、變廢為寶