天然食品色素微生物生产的研究进展

  颜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强或调整其颜色。尽管合成色素因较低成本和优异的物理化学特性而被业内广泛应用，但消费需求的不断提高，推动了对天然替代品的研发。

　　天然色素是从植物、昆虫或微生物等自然来源中提取的分子。与合成色素相比，天然色素在热、光、pH值或金属离子等环境条件下较不稳定，提取过程也较为复杂。代谢工程的进步提高了通过工程微生物从可再生资源生产天然色素的效率。

食品色素生产中的代谢工程

　　目前，多种天然食品色素已实现在微生物宿主中生产。在代谢工程中，选择适合异源生产的微生物宿主至关重要。

　　近年来，研究人员已在改造解脂耶氏酵母进行类胡萝卜素和甜菜红素的全新合成方面取得一定成果。这种非传统酵母天然具有高向乙酰辅酶A和戊糖磷酸途径的通量，使其成为生产萜类化健康合物（如类胡萝卜素）和芳香分子（如甜菜红素）的理想宿主。

　　色素可以从动物或自然产生色素的微生物中提取，例如胭脂红酸/胭脂红和B-胡萝卜素，但大多数源自植物。因此，真核微生物宿主在生产植物来源色素方面受到了关注，它们能够表达膜相关酶，这些酶在这些分子的生物合成中至关重要。例如，花青素和甜菜红素的异源生产是在酵母中取得，因为它们的生物合成途径都依赖于细胞色素P450介导的反应；丝状真菌如红曲菌属或布莱克斯莱菌属，也是食品色素，如红曲色素和类胡萝卜素的重要生产者。虽然在原核宿主中表达细胞色素P450仍然具有挑战性，但最近通过应用簇状蛋白标签将P450单加氧酶与其还原酶融合的技术，已在大肠杆菌中实现了类胡萝卜素叶黄素的生产。

　　与代谢工程中通常假设的模块化不同，中心代谢受复杂的调控网络支配，这些网络通常会阻碍高性能菌株的开发。色素是可以目视或直接从其吸光度中筛选的分子，因此研究人员可以通过挑选和培养菌落并行化进行高通量工程活动。例如，在酿酒酵母中，通过DNA重建，在色素生产菌株中筛选了数百万种酶变体，然后进行菌落挑选和培养，这一工作流程鉴定了几种提高甜菜红素和类胡萝卜素生产的变体。有许多高通量的遗传工程技术和策略同样能够产生大量遗传多样性，可应用于提高色素生产。

　　人们对色素及其生物合成途径的广泛研究使得异源生产成为可能，然而目前对许多天然染料的生物合成的理论研究仍有待深入。在某些系统中，通过辅助酶控制副产物的形成，这些酶极大地提高了反应的选择性和效率，而这些酶可能难以被发现。例如，花青素合酶介导了无色花青素前体向花青素的必需转化，即不稳定的脱糖基花青素前体。然而，这种方法产生的脱糖基花青素主要转化为几种无色副产物，只有一小部分转化为花青素，这阻碍了花青素的高效微生物生产。有研究发现，表达一种与花青素相关的谷胱甘肽转移酶，可显著提高花青素的产量，同时限制了副产物的形成。最近，有报道称这种酶实际上使用依赖谷胱甘肽的一种碱机制，支持脱糖基花青素向花青素的转化。这一生物合成途径中关键步骤的阐明，有助于开发出一种具有经济竞争力的微生物发酵工艺生产花青素。

　　花青素和甜菜红素是糖基化色素，它们的糖基团对其稳定性至关重要。然而，许多微生物已经进化出在饥饿期间从环境中清除营养物质的机制，如通过分泌具有广泛底物特异性的B-葡萄糖苷酶。

　　有效地将代谢重新连接到目标分子的前体节点是工业代谢工程的核心，色素的特殊可见性使它们成为验证旨在帮助代谢工程的计算工具的理想候选分子。例如，最近使用全基因组代谢模型识别的目标，工程化酿酒酵母生产了53.7毫克/升的血红素蛋白。这在一定程度上是通过开发预测较佳目标组合和优先级的算法来实现的。可以设想，类似的计算工具与高通量工程方法相结合，将实现前所未有的细胞代谢导航，并促进用于色素生产的高效微生物细胞工厂的发展。

微生物生产天然色素成未来方向

　　微生物生产的天然食品色素要成为提取或合成染料的可行替代品，必须要具有成本竞争性，这取决于高效的生产。色素是易筛选的分子，然而除了方法学验证之外，很少有研究利用这种特性进行迭代的高通量工程活动，以建立高效的异源色素生产。色素与高通量工程技术的兼容性，可促进开发发酵工艺生产天然食品色素。

　　筛选工程色素生产微生物的传统方法，如菌落挑选和微孔板培养，既耗时又费力。而荧光性色素如黄色甜菜红素可通过荧光激活细胞或液滴排序技术进行筛选，荧光性弱的色素如B-胡萝卜素在产量足够时也可利用荧光特性筛选大型文库。此外，基于液滴的微流体技术，如吸收激活液滴排序（AADS），为定向酶进化提供了新的筛选手段，尽管其灵敏度低于荧光系统，但最新进展已提高了其检测能力。如丝状真菌的液滴微流体培养技术通过减缓菌丝形成，实现了长期培养和排序。预计AADS技术将在未来提高多种微生物宿主中色素生产的效率，优化菌株工程。