我国食用天然蓝色素研究进展 毛得奖 ，朱亚玲 （１．山东轻工业学院食品与生物工程学院，济南２．山东轻工业学院化学工程学院，济南摘２５０３５３； ２５０３５３） 要：天然色素具有安全、营养、多功能性的特点。天然蓝色素是天然色素中的稀缺色素。植物和微 生物是生产天然蓝色素的主要原料来源。植物天然蓝色素主要有靛蓝、栀子蓝、藻蓝蛋白色素等。链霉菌、 假单胞菌、假交替单胞菌、杜擀氏菌、黄杆菌、出芽短梗霉、光合细菌、基因工程菌株等微生物中的某些种 类能够产生天然蓝色素，其中放线菌紫（红）素、绿脓菌素、紫色杆菌素为兼具抗生素作用的蓝色素。超声 波破碎、柱层析和高速逆流色谱、超临界流体法、微滤和超滤等先进技术应用于天然蓝色素的提取分离及精 制纯化，微胶囊化、酯化、醚化、酰化等促进色素稳定的反应技术也被应用于改善天然蓝色素的稳定性及色 素的其它性能。 关键词：天然蓝色素；食用色素；微生物色素；提取分离技术；稳定化技术 中图分类号：ＴＳ２０２．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—２５１３（２０１１）０４—０１４９—０７ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｔｕ ｒａｌ ｂｌ ｕｅ ｅｄｉｂｌｅ ｐｉｑｍｅｎｔｓ ｉＩ ｎ Ｃｈｉｎａ ＭＡＯ Ｄｅ－ｊｉａｎｇ ．ＺＨＵ Ｙａ．１ｉｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５０３５３； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５０３５３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅ，ｎｕｔｉｅｎｔｒ ａｎｄ ｍｕｈｉｆｕｎｃｔｉｏｎ ｎａｔｕｒａｌ ｐｉｇｍｅｎｔｓ，ｎａｔｕｒａｌ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｒａｒｅ．Ｎａｔｕｒａｌ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｐｌａｎｔ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎｄｉｇｏ，ｇａｒｄｅｎｉａ ｂｌｕｅ，ｐｈｙｃｏｃｙａｎｉｎ ａｒｅ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ｐｌａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｓｔｒａｉｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ ｓｐ．，Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ｓｐ．，Ｐｓｅｕｄｏａｌｔｅｒｏｍｏｎａｓ ｓｐ．，Ｄｕｇ— ａｎｅｌｌａ ｓｐ．，Ｆｌａｖｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ ｓｐ．，Ａｕｒｅｏｂａｓｉｄｉｕｍ ｐｕｌｌｕｌａｎｓ，ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｂａｃｔｅｒｉａ ａｎｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｅｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｓｔｒａｉｎｓ ａｒｅ ｗｅｌｌ ｋｎｏｗｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｎａｔｕｒａｌ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃ ａｃｔｉｎｏｒｈｏｄｉｎ，ｐｙｏｃｙａｎｉｎ ａｎｄ ｖｉｏｌａｃｅｉｎ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔｓ，ｍａｎｙ ｍｏｄｅｌＴｌ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｃｏｌｕｍｎ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｅｏｕｎｔｅｒｅｕｒｒｅｎｔ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｆｌｕｉｄ ｍｅｔｈ— ｏｄ， ｍｉｃｒｏｆｉｈｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｏｆｔｅｎ ｕｓｅｄ． Ｍｉｃｒ０ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ， ｅｓｔｅｒｉｉｃａｔｉｆｏｎ， ｅｔｈｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ａｃｙｌａｔｉｏｎ ｒｅａｃ— ｔｉｏｎｓ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｐｉｇｍｅｎｔ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｏｍｅ ｏｔｈｅｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｐｉｇｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔ；ｅｄｉｂｌｅ ｐｉｇｍｅｎｔ；ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｐｉｇｍｅｎｔ；ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈ— ｎｉｑｕｅ 收稿日期：２０１１—０３—３１ 项目来源：山东省高等学校科技计划项目（Ｊ０９ＬＢ０７）。 作者简介：毛得奖（１９７１一），男，副教授，博士，主要从事天然色素及工业微生物应用研究。 史黾Ｃｈｉｎａ Ｆ ｏｏｄ Ａ 谢 １， 一三，皇 ，！，。 ： 色素是指能够使被媒染物着色的物质，也称 为着色剂，在生产生活及科研中有着广泛的应 用，世界各地开发和应用色素的历史也很悠久。 自从英国人Ｗ．Ｈ．Ｐｅｒｋｉｎｓ于１８５６年在世界上首次 人工合成有机色素苯胺紫以后，合成色素便因性 能优异、价格低廉、使用方便而占据了色素市场 的绝对优势。但自英国（１９６７年）、美国（１９７３ 年）、世界卫生组织（１９８４年）等国家或机构相 继对合成色素（焦油色素）对人体的安全性提出 质疑，以及合成过程中可能带入的砷铅等污染物 危害的研究报道日渐增多，各国使用这类色素的 产品品种在逐渐减少。我国允许使用的食用合成 色素也由过去的３０多种减少为目前的１０种，天 然色素的快速发展将是一种必然趋势 Ｊ。 天然色素通常是指利用自然界存在的物质 （如动植物材料）或培养方法生产得到的次生代 谢物质进行一定的加工而制成的色素。由于其具 有安全可靠、无毒副作用、色调自然及多功能性 等优点，伴随着食品工业、医药工业、日化工业 和养殖业等的发展而得到了广泛地应用。我国目 前允许使用的食用天然色素就有４３种。天然色素 已经占据了食用色素市场的主导地位并正在以每 年１０％的速度增长＿３』。加工天然色素的原材料来 源广泛（源于动植物、微生物、矿物质等）、种 类繁多（截至２００４年有记载的就有约６００ 种 ），但用这些材料制得的天然色素主要以红、 黄色调为主，蓝色素非常稀少，文献中常以“贵 重”、“极少”、“罕见”等词语提及 。。』。在我国 ＧＢ２７６０—２００７《食品添加剂使用卫生标准》中列 出的５６种色素中蓝色素仅有栀子蓝色素和藻青素 （即藻蓝蛋白色素）两种。蓝色是三原色之一， 可用于多种色调的调配，但由于蓝色素非常稀 少，使得天然蓝色素在国内外市场上均供不应 求，因此积极开展天然蓝色素的研究开发工作， 必将具有极大的现实意义和诱人的市场前景 Ｊ。 １天然蓝色素的自然来源 天然色素中天然蓝色素很少，自然来源也非 常有限。有机天然蓝色素则主要来源于植物和微 生物材料。蓼蓝、茶蓝、马蓝、吴蓝、菘蓝等木 蓝属植物的叶子可以用于制取靛蓝染料 ｊ。栀子 蓝色素是用茜草科植物栀子（Ｇａｒｄｅｎｉａ ｊａｓｍｉ— ｎｏｉｄｅｓ）的果实中的栀子苷制备的 Ｊ。麦冬 （Ｏｐｈｉｏｐｏｇｏｇｏｎｊａｐｏｎｉｃｕｓ）果实 、爵床科植物 山蓝（Ｐｅｒｉｓｔｒｏｐｈｅ ｂａｐｈｉｃａ）。。。 、紫甘蓝（Ｂｒａｓｓｉｃａ ｏｌｅｒａｃｅａ） 、蓝粒小麦（ｐｕｒｐｌｅ ａｎｄ ｂｌｕｅ—ｇｒａｉｎｅｄ ｗｈｅａｔ）种子¨ 等植物来源材料都用于制取相应 的蓝色素。虽然有研究报道转基因棉花和转基因 玫瑰能够产生蓝色素，但这类转基因植物材料因 来源珍稀，目前尚不能用于生产天然蓝色 素 １ 。螺旋藻、蓝藻、念珠藻等藻类可用于制 取藻蓝蛋白色素 ｊ。牡蛎舟形藻（Ｈａｓｌｅａ ＯＳ— ｔｒｅａｒｉａ）能产生提高牡蛎经济价值的蓝色马雷讷 素 。大蒜（Ａｌｌｉｕｍ ｓａｔｉｖｕｍ）经醋浸制后能发生 绿变，其中可以分离出蓝色素 卜 。有些微生物 如链霉菌（Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ ｓｐ．）、假单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏ— ｍｏｎａｓ ｓｐ．）、假交替单胞菌（Ｐｓｅｕｄｏａｈｅｒｏｍｏｎａｓ ｓｐ．）、杜擀氏菌（Ｄｕｇａｎｅｌｌａ ｓｐ．）、出芽短梗霉 （Ａｕｒｅｏｂａｓｉｄｉｕｍ ｓｐ．）、紫色非硫细菌等可利用培养 基质在生长过程中产生各不相同的蓝色素，另有 一些基因工程菌株可以产生靛蓝色素 Ｉ２ 。 ２天然蓝色素的结构与呈色 天然蓝色素尽管在蓝色色调上相似，但是蓝 色素的呈色机理并不相同。不同的呈色机理最终 都是由色素分子化学结构或空间结构的不同决定 的。不同原材料或不同方法制备的天然蓝色素的 分子结构可能不同，色素的理化性质及应用范围 也会因此而有所差异。常见天然蓝色素的结构及 有关性质见表１。 红球甘蓝色素呈蓝色的ｐＨ范围非常狭窄， 因此从严格意义上来说应该不能算作一种天然蓝 色素。 表１ 常见天然蓝色素的结构及有关性质 Ｔａｂｌｅ １ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅ￣ｚａｆｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｅｎ ｎａｔｕｒｅ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔｓ 刿Ｃｈｉｎ ａ Ｆ ｏｏｄ Ａ １， 。 。 ，。 三 利用微生物发酵方法生产蓝色素、红曲色素等多 ３微生物天然蓝色素 虽然目前大多数天然蓝色素产品仍是以动植 物材料为原料制取的，但是这类材料的获取容易 种天然色素在当前也已成为现实 ，实际上目前 市场上主要的天然蓝色素的生产都需要微生物的 参与，如靛蓝色素、栀子蓝色素的制备过程中需 要微生物参与发酵，而制取藻蓝蛋白色素的蓝 受到季节、气候、产地等因素的制约，从而使得 天然蓝色素的产量非常有限，因而价格昂贵，难 以普及应用。微生物生长迅速，而且自然界中能 藻、螺旋藻、小球藻等本身就是微生物。除此之 外，自然界中仍有许多能够产生天然蓝色素的微 生物，但绝大部分利用微生物发酵产天然蓝色素 的工作仍然停留在实验室阶段 』，距离实现利用 这些微生物直接发酵培养基进行天然蓝色素工业 够产生色素的微生物种类非常丰富，利用微生物 资源生产天然色素基本不受资源、环境、时间和 空间的限制，因而具有利用动植物来源的材料生 产天然色素所无法比拟的优越性，采用微生物生 产天然色素终将会成为天然色素来源的主流 。 化生产还有相当长的路要走。已报道的产蓝色素 微生物及其色素相关性质见表２。 表２产蓝色素微生物及色素相关－陛质 Ｔａｂｌｅ ２ ｍｉｃｒｏｂｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌｕｅ ｐｉｇｍｅｎｔｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅｍ 利用微生物产生蓝色素的研究工作主要包括 几个方面的内容：一、产蓝色素微生物的筛选鉴 产，则需要对此进行大量深入的研究，为微生物 发酵蓝色素产业化发展提供理论依据。 定；二、蓝色素理化性质与部分毒理学特性测 定，如温度、光照、ｐＨ、金属离子、氧、复配 物、添加剂等对色素稳定性的影响；蓝色素的光 谱学性质、抗氧化还原能力、抗菌活性、 （癌） 细胞毒性，清除自由基的能力等；三、发酵蓝色 ４天然蓝色素的提取分离与后处理 栀子蓝色素和藻蓝色素是食用天然色素市场 上占绝对优势的两种蓝色素。蓝藻和红藻是两类 主要的藻蓝色素原料来源，其中螺旋藻是生产藻 蓝色素经济而有效的首选原料。从藻体中释放藻 蓝色素的处理工艺多为调配缓蚀剂经（超）低温 冻融继而匀质 ７１ 或者采用酶溶——高压匀质相 日 日 素培养基的筛选优化等。某些蓝色素的分子结构 和产蓝色素微生物在生理生化水平及分子水平上 的新陈代谢机理仍不清楚。要更好地指导工业生 史黾创ｎａ ＦＣｈｉｏｏ ｄ Ａ ｆｆｉ’， ＝：童 堡 ！ 竺： ２５年，而我国至今仍是空白 Ｊ。尽管现在我国生 结合的方法破碎藻体细胞 ，超声波处理能够加 速藻体细胞的破碎。对于藻体较大的念珠藻则先 用高速组织捣碎机匀浆，然后进行酶溶（通过微 产的９８％的栀子蓝色素均为出口，但总体上我国 天然蓝色素产量并不高，因此该类色素口前在我 国仍旧处于供不应求的状态 。 。面对全球每年以 １０％速率增长的巨大天然色素市场，我国天然色 生物发酵和藻体自溶实现）匀质 。细胞匀质液 中的藻蓝色素可采用硅胶柱层析法分离纯化 或 用超Ｉ临界ＣＯ 流体法先提取其中的黄色素然后再 素发展存在色素品种少，来源相对不足，成本较 用水基提取剂分离纯化藻蓝色素 。对精制后的 藻蓝色素进行真空浓缩，然后冷冻干燥或喷雾干 燥得到色素干粉。干燥前采用微胶囊包埋处理可 提高色素的耐热性能 １８］。以栀子果粉为原料制备 栀子蓝色素目前有两种工艺，一是栀子果粉水浸 液经接种产酶菌株一次发酵产生栀子蓝色素的一 步法工艺，二是先行从栀子果粉水浸液中分离浓 缩栀子苷，然后经酶促反应产生栀子蓝色素的二 步法工艺。第一种工艺制得的栀子蓝色素色泽暗 淡，色价低，后期分离精制难且制得率低，第二 种工艺则较好地解决了这些问题 。栀子苷存 在于将栀子果粉水浸液过大孔吸附树脂（如 ＨＰＤ１００）柱制取栀子黄色素后剩余的废液中， 之后对废液采用膜过滤（微滤（０．１Ｉｘｍ）澄清和 纳滤（１００ Ｄａｌｔｏｎ）浓缩） ｊ、双水相萃取 、 高速逆流色谱（ＨＳＣＣＣ） 等技术浓缩富集栀子 苷用于制备高品质的栀子蓝色素。制得的色素经 超滤 、壳聚糖衍生物柱层析 或（Ｄ３０１）大 孔吸附树脂柱层析 副等技术进行纯化精制。 由于天然色素普遍存在稳定性差、易降解的 缺点，因此旨在提高天然色素稳定性的研究日益 增多。水溶性栀子蓝色素经乙酸酐酯化后得到了 憎水性栀子蓝色素，拓展了其应用范围，也在一 定程度上改善了其稳定性＿４ ∞ ；紫甘蓝色素经阿 魏酸和水杨酸酰基化处理后，其耐热性和耐光性 显著改善 ，但总的来说天然蓝色素的改性研究 还很少。 ５展望 我国现行ＧＢ２７６０—２００７版《食品添加剂使 用卫生标准》允许使用的４３种天然色素中，蓝 色素仅有栀子蓝色素和藻蓝色素两种。我国栀子 产量和螺旋藻干粉产量位居世界第一＿１ ，但迄 今为止我国栀子蓝色素的质量还落后Ｅｌ本２０年， 处在上世纪８０年代的水平。栀子红在日本已上市 高的问题 。鉴于此，今后应该重点在以下几个 方面展开工作：一、改进生产工艺和技术水平， 提高蓝色素产量和质量，推动低端产品向高端产 品转变，提高产品附加值。二、利用已有原料开 发新型天然色素，如栀子红。三、高度重视天然 蓝色素微生物资源的研究利用，开发蓝色素新品 系，抢占国际天然蓝色素研究先机，这对改变利 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