Исследование естественной пигментации микробов

Pigments are important additives in food, medicine, and feed, and mainly include synthetic and natural pigments. Synthetic pigments are mostly made from chemical products such as benzene, toluene, and naphthalene, and are formed through a series of organic reactions such as sulfonation, nitration, halogenation, and nitration [1. They have the advantages of good stability, high color strength, being economical, and easy to use. However, with the continuous development of toxicological research and analytical techniques, it has been found that synthetic pigments are toxic and carcinogenic[2] and can also lead to decreased fertility and teratogenicity[3]. Therefore, the safety of synthetic pigments is becoming a growing concern, and their use is gradually being strictly restricted.

По сравнению с синтетическими пигментами, естественные пигменты имеют следующие преимущества [34]: (1) большинство натуральных пигментов являются очень безопасными и не имеют токсичных побочных эффектов; (2) многие естественные пигменты сохраняют много активных веществ (таких как небольшие молекулы активные пептиды, аминокислоты, витамины, ароматические вещества и некоторые существенные элементы) или сами являются своего рода питательным веществом. Например, рибофлавин является своего рода витамин сам по себе, и- о, каротинИмеет активность витаминов и имеет определенную питательную ценность и функции здоровья. (3) некоторые естественные пигменты также имеют определенные фармакологические функции и могут предотвратить и лечить определенные заболевания. Например, каротин оказывает терапевтическое воздействие на сердечно-сосудистые заболевания и опухоли; Антоцианины были превращены за границей в пероральную жидкость, способную противостоять радиации и лечить штамм глаз; И пигменты чая были использованы в клинических условиях. [5.] (4) естественные пигменты обеспечивают более естественную окраску, ближе к цветам природных веществ. Можно видеть, что естественные пигменты стали точкой исследования, а развитие и использование натуральных пигментов стало общей тенденцией развития пигментной промышленности.

Естественные пигменты широко распространены в различных организмах, включая пигменты растений, пигменты животных и пигменты микробов. Существуют два ограничения на извлечение пигментов из растений и животных: (1) рост и воспроизводство растений и животных зависит от различных факторов, таких как сезон, климат и место происхождения, и их ресурсы ограничены; (2) содержание целевого продукта в сырье низкое, производственный процесс сложный, уровень добычи низок, а стоимость высока. Многие микроорганизмы в природе могут производить пигменты различных цветов в ходе нормальных метаболических процессов. Микроорганизмы разнообразны и широко распространены; Они имеют много метаболических типов и сильные метаболические способности; Они растут и размножаются быстро и легко культивируются. Микроорганизмы могут легко производить пигменты путем крупномасштабного выращивания и ферментации и не ограничены ресурсами, окружающей средой или пространством. Они являются эффективным способом получения целевых пигментов эффективно и по низкой цене. Поэтому развитие микробных пигментов имеет несопоставимые преимущества по сравнению с растительными пигментами и пигментами животных и поэтому привлекает все больше внимания.

1 исследование основных микробных пигментов

Microbial pigments include red, orange, yellow, green, blue, purple, brown, black, and various colors in between.

Основными микробными пигментами являются красные дрожжевые пигменты риса, грау-каротин, меланин и индиго.

1.1 пигмент риса с красными дрожжами

Пигмент риса с красными дрожжами является общим термином для ряда пигментов, производимых филяментным грибком Monascus во время метаболического процесса. Это поликетидный состав, который можно разделить на три категории в зависимости от химической структуры и свойств: красные пигменты монаскорубрамин и рубропунктамин, оранжевые пигменты монаскорубин и рубропунктатин, а также желтые пигменты Ankaflavin и Monascin. Monascus пигменты устойчивы к щелочкам, жаростойкие, не подвержены воздействию ионов металлов, окислителей и редукторов, безопасны и имеют хорошие свойства окраски. В то же время красными дрожжами пигмент риса имеет преимущества многих натуральных пигментов и используется главным образом для окраски мясных продуктов, мукомольных изделий, а также напитков и приправ. В настоящее время это единственная пищевая окраска в мире, получаемая путем микробной ферментации.

Красными дрожжами пигмент риса используется в пищевой промышленности более тысячи лет. Тем не менее, его эффект окраски ограничен, потому что он нестабилен к свету. Некоторые ученые добавили антиоксиданты к красному пигменту риса дрожжи, но его легкая стабильность не была улучшена. Другие ученые предложили добавить биоактивные вещества, такие как аминокислоты и полипептиды в процессе ферментации, с тем чтобы, когда красный дрожжевой рис выделяет поликетидные ферменты, цветозащитные вещества связаны с пигментной структурой, тем самым повышая световую стабильность красных дрожжевых рисовых пигментов. В то же время некоторые ученые полагают, что метод экстракции органических растворителей для пигмента красного дрожжей риса извлечет небольшое количество пигмента с низкой чистотой. Поэтому было проведено большое количество исследований по повышению урожайности красных дрожжевых пигментов риса. Minghongmei 6 и другие использовали микроволновой метод для увеличения урожайности красных дрожжевых пигмента риса на 72,2%. Ян чэнглонг [7 и другие использовали ультразвуковой метод экстракции для извлечения пигмента красного дрожжевого риса из жидкого ферментации красного дрожжевого риса, который вызывает меньше структурных повреждений активных ингредиентов и проста в эксплуатации. Rosa M8 и другие успешно добывали красную дрожжевую пигментацию риса путем глубокой ферментации пшеничных субstrates; Донхуа цзян [9 и другие использовали высокую-грава-аминобутиновую кислоту для производства красного дрожжевого риса.

С дальнейшим исследованием растворимости в воде и светостойкости пигмента красного дрожжевого риса, диапазон применения красного дрожжевого рисового пигмента станет еще более широким.

1.2 граво-каротин

Грау-каротин является одним из многих каротиноидов и является предшественником витамина а, также известен как провитамин. Это разновидность пигмента ксантофилла, высоконенасыщенное соединение, нерастворимое в воде, но растворимое в органических растворителях. Он содержит ряд сдвоенных соединений и метиловых ветвей. Раствор разбавителя оранжево-желтый по цвету, а цвет пигмента меняется в зависимости от количества сдвоенных сдвоенных связей. Каротеноиды полезны для здоровья и являются наиболее перспективными добавками для окраски микробных пищевых продуктов. Бета-каротин широко встречается в растениях, водорослях и грибах.

В настоящее время существуют два основных метода извлечения грау-каротина: Один из них заключается в извлечении грау-каротина путем культивации соленых водорослей, но этот метод требует высокого содержания соли в море и имеет большие ограничения в производстве; Другая заключается в использовании микробной ферментации для производства грава-каротина. В настоящее время основными микроорганизмами, которые могут ферментировать для производства грау-каротина, являются грибы, бактерии и дрожжи [10]. Танг танг [1 считает, что штамм красных дрожжей имеет низкие питательные требования, быстрый метаболизм, короткий цикл ферментации, и сами бактерии богаты питательными веществами, и т.д., что делает его пригодным для высокоплотной обработки ферментеров и легко индустриализации. Eon Seon Jin [121, и т.д. использовали зеленые водоросли Dunaliella salina для производства каротеноидов. Однако этот метод в конечном итоге не обеспечил промышленного производства из-за дорогих ферментационных установок и длительных сроков проведения токсикологических исследований.

С развитием технологии микробной ферментации спрос на каротеноидные продукты, производимые микробными методами, растет из года в год, что свидетельствует о Том, что использование микробных методов для производства грава-каротина будет иметь хорошее будущее.

1.3 черная окраска

Черная окраска представляет собой биопсию, образуемую серией химических реакций тирозина, которая варьируется от коричневого до черного и, как правило, существует в полимеризированной форме. Она нерастворима в кислотных растворах и обычных органических растворителях, растворима в щелочных растворах и незначительно растворима в воде [13]. Меланин широко встречается у животных, растений и микроорганизмов. Естественный черный пигмент извлекается из видов животных и растений, главным образом на основе его свойств растворения в щелочных растворах и осаждений в кислотных растворах. Уровень добычи низок, а цвет черного не очень хороший, что является дорогостоящим и не легко производить в промышленности. Однако производство черных пигментов с использованием микробных методов не ограничивается географическими или сезонными условиями и в большей степени способствует промышленному производству. Черные цветопроизводящие микроорганизмы в основном включают бактерии, такие как bacilli, псевдодомы, и азотофиксирующие бактерии, а также некоторые формы и актиномицеты. Черный пигмент, получаемый микроорганизмами, в основном подразделяется на стенки (мембранные), связанные меланин и внеклеточный меланин. Например, аспергилл Нигер выделяет меланин при образовании спор. РЦР гон алвиш [14 и другие успешно добывали меланин, используя аспергилус Нигер. Дон сок ким [15] увеличил выход меланина, регулируя температуру.

Черная окраска в настоящее время используется главным образом в косметике или красители для волос в декоративных целях, защиты от ультрафиолетового излучения, уборки свободных радикалов, а также в качестве фотопротезирующего средства в биопестицидах. Кроме того, в последние годы было установлено, что некоторые растворимые меланины оказывают значительное ингибиторное воздействие на вирус спида In vitro. Поэтому с быстрым развитием биотехнологии микробная добыча меланина имеет широкие перспективы применения.

1.4 индиго (Индия)

Индиго является ярким, ярким и прочным синим красителем, который нерастворим в воде, спирте и эфире, но растворим в хлороформе, нитробензоле и анилине. Это Один из первых открытых натуральных пигментов и широко используется в краске, фармацевтической и пищевой промышленности. Его традиционный метод производства заключается в его извлечение из растений рода индиго, и после прояснения химической структуры он был химически синтезирован с использованием анилина и амида натрия в качестве сырья. Исследования показали, что анилин является потенциальным канцерогеном. Микробный синтез индиго не только облегчает модификацию производственного процесса индиго, снижает затраты и потребление энергии, но и способствует исследованиям по микробной деградации ароматических соединений, а также находит новые пути развития микробных синтетических красителей.

Многие микробные виды и штаммы, способные синтезировать индиго, были изолированы и идентифицированы, и многие из этих штаммов являются бактериями, которые могут разлагать ароматические углеводороды. Например, штамм P. putida PpG7, который использует нафталин в качестве источника углерода [161], S. monacensis, который использует 1,2,3,4- тетрагидронафталин в качестве источника углерода [17], P. putida mt-2, который использует толуолен-ксилен или другие производные толуола в качестве источника углерода [18], толуол-разрушающий штамм псевдодомы mandelssohnii KRI[19] и стиренеразрушающий штамм псевдодомы putida S12 и CA-3[20].

Синтез пигментов индиго является результатом триптофанового метаболизма, катализируемого триптофановой гидролазой, и класса диоксигеназов, которые могут катализировать ароматические соединения, главным образом монооксигеназы и диоксигеназы, которые могут добавлять Один или два атома кислорода в индоловую или индоловую производную молекулу, соответственно. Нафталендиоксигеназа является одним из наиболее изученных ферментов в биосинтезе индиго. Клонирование гена диоксигеназы нафталина в штамме бактерий позволило быстро и эффективно синтезировать индиго из индола. Однако побочный продукт индирубин препятствовал промышленному производству индиго из индола. Эта проблема была решена путем клонирования гена монооксигеназы стирена из псевдофоресенов, который лишь ускоряет синтез 3- гидроксииндола.

Система синтеза микробных индиго все еще нуждается в дальнейшем изучении и развитии, например, как построить и выбрать разумную ферментную систему и эффективные инженерные нагрузки, оптимизировать параметры ферментации, процедуры экстракции индиго и т.д., с тем чтобы значительно сократить производственные издержки и повысить эффективность производства.

2 основные проблемы с микробными пигментами

At present, the number of microbial pigments discovered far exceeds the number of known plant pigments, but the red - пигмент.Производство и продажаby red yeast rice is the only pigment in the world that is used in the food industry.

2.1 стабильность свойств натуральных пигментов

Пигменты чувствительны к различным физическим и химическим факторам во время экстракции, обработки и применения, таким как свет, температура, окислители и восстановительные вещества, pH, полярные среды, ионы металлов и различные добавки, которые могут вызывать изменения в оттенках, поглощении и физиологической функции.

2.2 пигменты сопровождаются производством токсинов

Пигменты являются своего рода вторичным метаболитом, получаемым микроорганизмами. Как правило, они синтезируются на более поздней стадии бактериального роста. Однако производство пигментов микроорганизмами часто сопровождается производством токсинов, которые скрываются во внеклеточном пространстве или остаются внутри клетки. Это часто делает брот ферментации сложным в составе, и процесс очистки пигментов является очень требовательным. Довольно сложно получить относительно чистый пигментный продукт с помощью традиционных методов.

2.3 отсутствие хороших штаммов

Пигментная мощность диких штаммов, как правило, низкая. Будучи производственными бактериями, они не только увеличивают сложность очистки, но и увеличивают инвестиции в продукты и снижают прибыль. Поэтому необходимо выявлять штаммы с отличными свойствами, такими как высокая репродуктивная способность, легкость выращивания, производство большого количества ферментационных продуктов за короткий период времени, отсутствие или низкое производство побочных продуктов и стабильные генетические характеристики.

2.4 испытания на безопасность

Как новый микробный пигмент, он имеет не только высокие требования чистоты, но и высокие требования безопасности. До его утверждения должны быть представлены достаточные доказательства того, что пигмент не содержит токсинов. Доказано, что он не является токсичным в результате испытаний на острую токсичность, испытаний на безопасность токсичности и испытаний на хроническую токсичность, и он не оказывает мутагенного воздействия. Кроме того, он должен также иметь многочисленные физиологические функции, такие как снижение липидов крови и артериального давления, антимутагенные, антисептические и сохранение.

2.5 оптимизация культурных условий

Микроорганизмы имеют различную клеточную биомассу и пигментную урожайность в различных средах и культурных условиях. Питательные вещества, такие как углеродные и азотные источники в среде культуры, обеспечивают материальную основу для роста микроорганизмов и накопления пигментов, определяют направление синтеза пигментов. BuzziniPl21, Chen Jianjun[22], Zeng Qiangsong[23], Hu Aihong24], Salguero A[25], Fbregas J[26 результаты показывают, что оптимальная культурная среда и культурные условия могут увеличить урожайность микробных пигментов.

2.6 оптимизация методов очистки

На главную страницу extraction methods for natural pigments are aqueous extraction, organic solvent extraction, alkaline extraction, acid extraction, supercritical CO2 extraction, and microwave extraction. The water extraction method is the simplest method, requiring no special equipment and being easy to operate. However, the extraction efficiency is low and the process is time-consuming. The organic solvent extraction method uses cheap extraction agents, simple equipment and easy-to-follow operating procedures, and has a high extraction rate. However, the quality of some products extracted using this method is poor, with low purity and an unpleasant smell or solvent residue, which affects the scope of application of the product.

Основная эффективность извлечения кислот и щелочи не столь высока, как эффективность извлечения органических растворителей, и процесс переработки потребляет большое количество кислоты и щелочи, а утилизация жидких отходов сопряжена с трудностями. Сверхкритическая добыча двуокиси углерода имеет преимущества простого процесса добычи, низкого потребления энергии, дешевых агентов добычи, высокой чистоты добываемого продукта, низкого содержания растворителей и отсутствия токсичных побочных эффектов, и поэтому привлекает все больше внимания. Однако из-за таких проблем, как несовершенная технология, сложное и дорогостоящее оборудование и высокие эксплуатационные расходы, разработка и применение этого метода добычи в этой области были ограниченными. Микроволновая экстракция обладает тем преимуществом, что позволяет извлекать несколько компонентов проб за короткое время, используя небольшое количество растворителя и обладая хорошей воспроизводимостью. Она имеет широкие перспективы для прикладных исследований. Однако в настоящее время она ограничивается лабораторными исследованиями, и ее сфера применения несколько пострадала. Поэтому для повышения эффективности экстракции естественных микробных пигментов и поддержания эффективной пигментной активности метод экстракции все еще нуждается в дальнейшем изучении.

3 тенденции развития микробных пигментов

3.1 отбор и размножение превосходных штаммов

Микроорганизмы, которые производят пигменты и изолированы и отобраны из природы, имеют низкую пигментную урожайность и нестабильные свойства. С другой стороны, производство пигментов часто сопровождается производством других метаболитов, таких как токсины. Поэтому использование методов генной инженерии для изменения дикорастущих штаммов является эффективным способом отбора и размножения превосходных штаммов. Например, геном микробного пигмента с высоким значением применения может быть клонирован и передан кишечной палочки, которая не производит пигменты, так что он может эффективно выражать пигменты и получить большое количество пигментных продуктов.

3.2 совершенствование технологии ферментации

Традиционный метод ферментации микробных пигментов отличается низкой эффективностью производства, трудоемкостью и контролем качества. Иммобилизованные клеточные технологии обладают такими преимуществами, как высокая плотность клеток, скорость реакции, хорошая стабильность, длительный срок службы, возможность повторного использования и простота разделения продуктов. Таким образом, использование технологии иммобилизации клеток, которая сочетает в себе преимущества твердого ферментации и жидкого глубокого ферментации, может эффективно повысить урожайность и цветовую ценность пигмента. Метод ферментации после иммобилизации может быть оптимизирован, а клетки могут быть иммобилизованы в жидкой ферментации в оптимальных условиях для увеличения урожайности пигмента.

3.3 исследования метаболического механизма пигментов

Ведется поиск соответствующего генного состава и регулятивных элементов метаболического синтеза микробных пигментов в живых организмах, углубленно изучаются неизвестные связи пигментного метаболизма Неизвестные связи, и изучить потенциальные методы регулирования, чтобы обеспечить теоретическую основу для выявления его пигментного синтеза.

4. Выводы

С улучшением людей#39; уровень жизни и углубление исследований, было постепенно обнаружено, что естественные пигменты имеют многочисленные биологические эффекты, такие как улучшение иммунитета человека, антибиотики и антиопухоли. Их разработка и использование привлекают все более широкое внимание, поэтому в последние годы наблюдается быстрый прогресс в исследованиях по естественным пигментам. Однако естественные пигменты, полученные из животных и растительных источников, трудно производить в больших количествах из-за ограничений условий и урожайности. Метод микробной ферментации для производства натуральных пигментов имеет преимущества с точки зрения качества, технологии, ресурсов и стоимости. Красный дрожжевой рис (Blakeslea trispora) в настоящее время является единственным высокодоходным волокнистым грибком, который может достичь промышленного производства натуральных пигментов из микробных источников. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы открыть возможности для использования других микробных натуральных пигментов.

Ссылки на статьи

[1] Li Zhongbao, ed. Кормовые добавки [м]. Xiamen University Press, 2004.

[2] тянь хэ, эд. Функциональные пигменты в высокотехнологичных приложениях [м]. Издание химической промышленности, 2000 год.

[3] сян бин и гао цзяньжун, эдс. Естественные пигменты (практическое руководство по натуральным продуктам) [м]. Издание химической промышленности, 2004 год.

[4] чэнь ю. производство и применение натуральных пигментов [м]. China Light Industry Press, 2007.

[5] Tang C, Ding J. эффективность пигментов чая в лечении ишемической болезни сердца, стенокардии и гиперлипидемии [J]. Хунань медицина, 1999, 16:38-39.

[6] мин хунмэй. Применение метода MAE при экстракции пигмента риса с красными дрожжами из клеток [J]. Исследования и разработки в области продовольствия, 2010, 31(8):170 — 173.

[7] ян чэнглонг, цэн вэньчжэнь, ян сяоцзюнь и др. Исследование процесса ультразвуковой экстракции пигмента красного дрожжевого риса [J]. Фуцзянская легкая промышленность, 2011,1:32-35.

[8] Роза - м. дом Национальный совет по делам женщин - эспиноса, колин - уэбб. Погружение под воду 3. Ферментация В пшеничных субстратах для производства монасков пигментов [J]. Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии,2003,19(3):329-33.

[9] донхуа цзян, хао чжи, ян е и др. Параметры European Food Research and Technology,2011,232(3):541-547.

[10] Guo D. исследование условий и подготовки производства каротеноидов фотосинтетическими бактериями [J]. Журнал вейфангского университета, 2011, 11(2): 89-92.

[11] танг т. исследование условий ферментации для производства каротеноидов штаммом Y-5 красных дрожжей [D]. Сичуанский сельскохозяйственный университет, 2011 год.

[12] он сон чжин, анастасиос мелис. Микроводорослная биотехнология: биотехнология и биотехнологическая инженерия,2003,8(6): 331-337.

[13] марко араухо, иоана р ксавье, карла д, и др. морской губка меланин: новый источник старого биополимера [J]. B. структурные изменения  Химия,2012,23(1):115 — 122.

[14] кр Пн (пн) Алвес,HCF Лиссабон, старший сотрудник Помбейро-губчиадо. 3. Определение характеристик По реке меланин pigment  produced  Автор: Aspergillus nidulans [J]. Всемирный журнал микробиологии и биотехнологии,2012,28(4):1467 — 1474.

[15] Дон сок  Kim,Seo-Hyoung Park,Sun-Bang Kwon,et al.Temperature регулирует синтез меланина в меланоцитах [J]. Архивы фармакологических исследований,2003,26(10):840-845.