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(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(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。