顏色是食品的重要特征，天然和合成食品色素常被添加到加工食品中以增強或調(diào)整其顏色。盡管合成色素因較低成本和優(yōu)異的物理化學(xué)特性而被業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用，但消費需求的不斷提高，推動了對天然替代品的研發(fā)。

　　天然色素是從植物、昆蟲或微生物等自然來源中提取的分子。與合成色素相比，天然色素在熱、光、pH值或金屬離子等環(huán)境條件下較不穩(wěn)定，提取過程也較為復(fù)雜。代謝工程的進步提高了通過工程微生物從可再生資源生產(chǎn)天然色素的效率。

食品色素生產(chǎn)中的代謝工程

　　目前，多種天然食品色素已實現(xiàn)在微生物宿主中生產(chǎn)。在代謝工程中，選擇適合異源生產(chǎn)的微生物宿主至關(guān)重要。

　　近年來，研究人員已在改造解脂耶氏酵母進行類胡蘿卜素和甜菜紅素的全新合成方面取得一定成果。這種非傳統(tǒng)酵母天然具有高向乙酰輔酶A和戊糖磷酸途徑的通量，使其成為生產(chǎn)萜類化健康合物（如類胡蘿卜素）和芳香分子（如甜菜紅素）的理想宿主。

　　色素可以從動物或自然產(chǎn)生色素的微生物中提取，例如胭脂紅酸/胭脂紅和B-胡蘿卜素，但大多數(shù)源自植物。因此，真核微生物宿主在生產(chǎn)植物來源色素方面受到了關(guān)注，它們能夠表達膜相關(guān)酶，這些酶在這些分子的生物合成中至關(guān)重要。例如，花青素和甜菜紅素的異源生產(chǎn)是在酵母中取得，因為它們的生物合成途徑都依賴于細胞色素P450介導(dǎo)的反應(yīng)；絲狀真菌如紅曲菌屬或布萊克斯萊菌屬，也是食品色素，如紅曲色素和類胡蘿卜素的重要生產(chǎn)者。雖然在原核宿主中表達細胞色素P450仍然具有挑戰(zhàn)性，但最近通過應(yīng)用簇狀蛋白標簽將P450單加氧酶與其還原酶融合的技術(shù)，已在大腸桿菌中實現(xiàn)了類胡蘿卜素葉黃素的生產(chǎn)。

　　與代謝工程中通常假設(shè)的模塊化不同，中心代謝受復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)支配，這些網(wǎng)絡(luò)通常會阻礙高性能菌株的開發(fā)。色素是可以目視或直接從其吸光度中篩選的分子，因此研究人員可以通過挑選和培養(yǎng)菌落并行化進行高通量工程活動。例如，在釀酒酵母中，通過DNA重建，在色素生產(chǎn)菌株中篩選了數(shù)百萬種酶變體，然后進行菌落挑選和培養(yǎng)，這一工作流程鑒定了幾種提高甜菜紅素和類胡蘿卜素生產(chǎn)的變體。有許多高通量的遺傳工程技術(shù)和策略同樣能夠產(chǎn)生大量遺傳多樣性，可應(yīng)用于提高色素生產(chǎn)。

　　人們對色素及其生物合成途徑的廣泛研究使得異源生產(chǎn)成為可能，然而目前對許多天然染料的生物合成的理論研究仍有待深入。在某些系統(tǒng)中，通過輔助酶控制副產(chǎn)物的形成，這些酶極大地提高了反應(yīng)的選擇性和效率，而這些酶可能難以被發(fā)現(xiàn)。例如，花青素合酶介導(dǎo)了無色花青素前體向花青素的必需轉(zhuǎn)化，即不穩(wěn)定的脫糖基花青素前體。然而，這種方法產(chǎn)生的脫糖基花青素主要轉(zhuǎn)化為幾種無色副產(chǎn)物，只有一小部分轉(zhuǎn)化為花青素，這阻礙了花青素的高效微生物生產(chǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)，表達一種與花青素相關(guān)的谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶，可顯著提高花青素的產(chǎn)量，同時限制了副產(chǎn)物的形成。最近，有報道稱這種酶實際上使用依賴谷胱甘肽的一種堿機制，支持脫糖基花青素向花青素的轉(zhuǎn)化。這一生物合成途徑中關(guān)鍵步驟的闡明，有助于開發(fā)出一種具有經(jīng)濟競爭力的微生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)花青素。

　　花青素和甜菜紅素是糖基化色素，它們的糖基團對其穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，許多微生物已經(jīng)進化出在饑餓期間從環(huán)境中清除營養(yǎng)物質(zhì)的機制，如通過分泌具有廣泛底物特異性的B-葡萄糖苷酶。

　　有效地將代謝重新連接到目標分子的前體節(jié)點是工業(yè)代謝工程的核心，色素的特殊可見性使它們成為驗證旨在幫助代謝工程的計算工具的理想候選分子。例如，最近使用全基因組代謝模型識別的目標，工程化釀酒酵母生產(chǎn)了53.7毫克/升的血紅素蛋白。這在一定程度上是通過開發(fā)預(yù)測較佳目標組合和優(yōu)先級的算法來實現(xiàn)的。可以設(shè)想，類似的計算工具與高通量工程方法相結(jié)合，將實現(xiàn)前所未有的細胞代謝導(dǎo)航，并促進用于色素生產(chǎn)的高效微生物細胞工廠的發(fā)展。

微生物生產(chǎn)天然色素成未來方向

　　微生物生產(chǎn)的天然食品色素要成為提取或合成染料的可行替代品，必須要具有成本競爭性，這取決于高效的生產(chǎn)。色素是易篩選的分子，然而除了方法學(xué)驗證之外，很少有研究利用這種特性進行迭代的高通量工程活動，以建立高效的異源色素生產(chǎn)。色素與高通量工程技術(shù)的兼容性，可促進開發(fā)發(fā)酵工藝生產(chǎn)天然食品色素。

　　篩選工程色素生產(chǎn)微生物的傳統(tǒng)方法，如菌落挑選和微孔板培養(yǎng)，既耗時又費力。而熒光性色素如黃色甜菜紅素可通過熒光激活細胞或液滴排序技術(shù)進行篩選，熒光性弱的色素如B-胡蘿卜素在產(chǎn)量足夠時也可利用熒光特性篩選大型文庫。此外，基于液滴的微流體技術(shù)，如吸收激活液滴排序（AADS），為定向酶進化提供了新的篩選手段，盡管其靈敏度低于熒光系統(tǒng)，但最新進展已提高了其檢測能力。如絲狀真菌的液滴微流體培養(yǎng)技術(shù)通過減緩菌絲形成，實現(xiàn)了長期培養(yǎng)和排序。預(yù)計AADS技術(shù)將在未來提高多種微生物宿主中色素生產(chǎn)的效率，優(yōu)化菌株工程。