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  • 資訊 > 市場(chǎng)動(dòng)態(tài) > 天然食品色素微生物生產(chǎn)的研究進(jìn)展

    2024-07-22 來源:中國(guó)食品報(bào)
    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(qiáng)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(fèi)需求的不斷提高,推動(dòng)了對(duì)天然替代品的研發(fā)。

      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(qiáng)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(fèi)需求的不斷提高,推動(dòng)了對(duì)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(dòng)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(dá)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?yàn)樗鼈兊纳锖铣赏緩蕉家蕾囉诩?xì)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(dá)細(xì)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(biāo)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(shí)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(huì)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(jìn)行高通量工程活動(dòng)。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(jìn)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(duì)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(duì)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(dá)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(shí)限制了副產(chǎn)物的形成。最近,有報(bào)道稱這種酶實(shí)際上使用依賴谷胱甘肽的一種堿機(jī)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)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(tuán)對(duì)其穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而,許多微生物已經(jīng)進(jìn)化出在饑餓期間從環(huán)境中清除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)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(biāo)分子的前體節(jié)點(diǎn)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(yàn)證旨在幫助代謝工程的計(jì)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(shí)別的目標(biāo),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(cè)較佳目標(biāo)組合和優(yōu)先級(jí)的算法來實(shí)現(xiàn)的??梢栽O(shè)想,類似的計(jì)算工具與高通量工程方法相結(jié)合,將實(shí)現(xiàn)前所未有的細(xì)胞代謝導(dǎo)航,并促進(jìn)用于色素生產(chǎn)的高效微生物細(xì)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(jìng)爭(zhēng)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(yàn)證之外,很少有研究利用這種特性進(jìn)行迭代的高通量工程活動(dòng),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(jìn)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(shí)又費(fèi)力。而熒光性色素如黃色甜菜紅素可通過熒光激活細(xì)胞或液滴排序技術(shù)進(jìn)行篩選,熒光性弱的色素如B-胡蘿卜素在產(chǎn)量足夠時(shí)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(jìn)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(jìn)展已提高了其檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期培養(yǎng)和排序。預(yù)計(jì)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。


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