生物技術在食品添加劑工業中的應用

汪 薇，馬 浩，于立梅，白衛東，*

（1.仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東廣州510225；2.廣州酒家集團利口福食品有限公司，廣東番禺511442）

生物技術在食品添加劑工業中的應用

汪 薇1，馬 浩2，于立梅1，白衛東1，*

（1.仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東廣州510225；2.廣州酒家集團利口福食品有限公司，廣東番禺511442）

概述了生物技術在食用色素、食用香精香料以及食用防腐劑中的應用，并針對目前研究中遇到的問題提出了相應的解決辦法。

生物技術，食品添加劑，應用

食品添加劑是為改善食品品質和色、香、味以及為防腐、保鮮和加工工藝的需要而加入食品的人工合成或者天然物質。食品添加劑能起到提高食品質量和營養價值，改善食品感官性質，防止食品腐敗變質，延長食品保藏期，便于食品加工和提高原料利用率等作用。目前，我國有20多類、近1000種食品添加劑，如酸度調節劑、甜味劑、漂白劑、著色劑、乳化劑、增稠劑、防腐劑、營養強化劑等?？梢哉f“沒有食品添加劑工業，就不可能有現代食品工業”，所有的加工食品都含有食品添加劑，食品添加劑對于食品工業是必不可少的，合理使用添加劑對人體健康以及食品有益無害，在食品生產中只要按國家標準添加安全的食品添加劑，消費者就可以放心食用。目前，我國生產的食品添加劑按其來源分類，有化學合成、生物合成、天然提取物三大類。由于許多生物合成食品添加劑，如谷氨酸、檸檬酸、乳酸等的化學結構和天然提取的完全一樣，在人體中能被吸收和代謝，同時還具有一定的營養功效和生理活性，國際上也將之視同天然物。食品添加劑的安全使用非常重要。理想的食品添加劑最好是有益無害的物質。食品添加劑，特別是化學合成的食品添加劑大都有一定的毒性，不僅影響食品的食用安全，其生產制備過程中還會產生對環境有污染的物質，所以天然食品添加劑越來越受到大家的廣泛關注。由于天然資源有限，而且其中含量不高，提取工藝復雜，制備天然提取的食品添加劑受到限制。而采用生物法制備天然食品添加劑，可以克服以上缺點，因此備受青睞。用生物法生產的天然色素、天然新型香昧劑等，正在逐步取代人工合成的色素和香精，這也是現今食品添加劑研究的方向?，F代生物技術包含的主要技術范疇是基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程和生化工程。其中基因工程主要包括目的基因的提取和剪切、基因與載體的重新連接（DNA體外重組）、重組DNA、導人新的寄主細胞、發酵培養、目的蛋白質的提煉和純化技術；細胞工程包括細胞融合、細胞大規模培養和植物組織快速繁殖技術；酶工程主要包括酶的開發與生產、酶的固定化和酶的分子改造、修飾技術；發酵工程包括菌種選育、菌體生產、代謝產物的發酵以及微生物機能的利用等；生化工程包括生物反應器、膜分離、超臨界CO2萃取、基因芯片、生物傳感器等?，F代生物技術在食品添加劑制備中的應用，為天然食品添加劑的生產打開了一片嶄新的天地。

1 食用色素

食用色素的使用是為了滿足人們對食品感官品質的要求。目前使用的食用色素有天然食用色素和合成食用色素兩大類。合成食用色素由于成本低廉，色澤鮮艷，著色力強，對光、熱、氧氣和pH穩定，但有一個缺點，即具毒性（包括毒性、致瀉性和致癌性）。這些毒性源于合成色素中的砷、鉛、銅、苯酚、苯胺、乙醚、氯化物和硫酸鹽，它們對人體均可造成不同程度的危害。天然食用色素是源于天然資源的色素，大多數天然色素對人體無毒無害，它的主要特征為：呈自然色調；安全性高；由于有天然原料而來的風味而賦予附加價值；具有維生素活性，富含人體所需的營養物質；有些還對人體有醫療保健的作用。同時，絕大部分的天然色素著色自然，能更好地模仿物質的天然顏色，并具有特殊的芳香氣味，添加到食品中會帶來愉快的感覺。

天然色素現在主要是從植物、動物材料和微生物細胞中獲取。因動植物材料生長繁殖受季節、氣候、產地等因素的影響，供應量不穩定，從中提取的色素價格昂貴，應用受到局限。而微生物色素是從微生物中提取，不受資源、環境和空間的限制，具有植物色素和動物色素不可比擬的優越性，而且利用微生物發酵生產的色素種類豐富，如胡蘿卜素、類胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素、藍色素、黑色素等，還易于工業化。

1.1 蝦青素

蝦青素（Astaxanthin），又名蝦紅素、蝦黃質、龍蝦殼色素，其化學名稱為3，3′-二羥基-4，4′-二酮基-β，β′-胡蘿素，屬于葉黃素類，其分子結構（見圖1）。

圖1 蝦青素的結構

天然蝦青素是迄今為止人類發現自然界最強的抗氧化劑，其抗氧化活性遠遠超過現有的抗氧化劑。其清除自由基的能力是天然 VE的1000倍，天然β-胡蘿卜素的10倍，葡萄籽的17倍，黃體素的200倍，OPC的150倍，Q10的60倍。目前，天然蝦青素主要作為高級保健食品、藥品的原料，化妝品添加劑以及水產養殖（目前主要是大馬哈魚和鱒魚、三文魚）、家禽養殖的飼料添加劑。

來源不同的蝦青素其結構和性質存在較大差異。天然蝦青素以左旋為主，90%以上酯化形式存在，抗氧化性和穩定性都較高，一般由水產品加工廢棄物中提取，但是其中蝦青素含量較低，且提取費用較高，不適于進行大規模生產。人工合成的蝦青素，左旋占25%、右旋占25%，消旋體占50%左右，以游離態存在，不穩定，極易被氧化而破壞，其抗氧化性只有天然的1/4左右，且進入生物體后無法轉化為天然構型，其著色能力和生物效價也較天然蝦青素低得多。紅發夫酵母菌來源的蝦青素為100%右旋，其產量和抗氧化性均不夠理想，且該酵母中蝦青素平均含量僅為0.40%。雨生紅球藻中所含蝦青素及其酯類的配比（約70%的單酯，25%的雙酯及5%的單體）與水產養殖動物中所含的天然蝦青素的成分極為相似，這是通過化學合成和利用紅發夫酵母等提取的蝦青素所不具備的優勢，且其中蝦青素的含量達到1.5%～3.0%，被看作是天然蝦青素的“濃縮品”。因此，雨生紅球藻被公認是自然界中生產天然蝦青素的最好生物，利用這種微藻提取蝦青素已成為近年來國際上天然蝦青素生產的研究熱點。

迄今為止，全球有能力商業化養殖紅球藻生產人用天然蝦青素的企業僅有5個國家的7家公司，分別是日本YAMAHA集團、FUJI化學集團、Biogenic公司、美國Cyanotech公司、印度BioPrex公司、以色列Algatech公司和我國荊州市天然蝦青素有限公司。荊州市天然蝦青素有限公司與中科院武漢水生研究所、上?；瘜W工業研究院、南方醫科大學藥學院、武漢工業學院、長江大學等高水平的科研學院、教學科研機構共同攜手，共同開發了藻粉蝦青素、蝦青素油脂劑、蝦青素薇囊粉劑以及蝦青素泡騰片劑等產品。

1.2 黑色素

黑色素是廣泛存在于動植物和微生物中的棕黑色到黑色的色素，是一類有著復雜結構的多聚芳香族化合物。按其化學結構差異，可將其分真黑素（eumelanins）、棕黑素（phaeomelanins）和異黑素（allomelanins）三大類。近年來的研究表明，黑色素具有抗氧化和防止衰老等功能，這將大大促進天然黑色素在日益受重視的保健食品工業中的應用。

目前，從微生物中獲得的黑色素多為胞外黑色素。一般認為黑色素不是微生物生長、代謝、繁殖所必需的物質，但是黑色素能提高微生物抗重金屬毒害、抗紫外線及輻射損害、抗氧化的水平，從而增強其生存能力。微生物生產黑色素不受地域、季節限制，易于工業化。

微生物發酵生產黑色素的菌大多數都是細菌，如段曉紅等通過固定化產酪氨酸酶的細菌，以酪氨酸為底物生產黑色素獲得成功，該技術目前在國內處于領先水平［1］；曲音波等對不同來源的47株菌株在酪素培養基上生長、產色素情況進行對比研究，發現不同菌株所產黑色素的紅外圖譜特征峰所處位置較為接近，但是波形各不相同，這說明黑色素主要功能基團是一致的，但是不同來源的黑色素存在較明顯的差異［2］。沈萍等將嗜麥芽假單胞菌中產生黑色素的基因克隆到穿梭載體pHT3101中，并將它處于表達系統cry3A控制下，構建得到重組質粒用電脈沖方法轉入蘇云金芽孢桿菌受體菌株中得到重組菌株，使得黑色素基因在該受體菌株中得到成功表達［3］；短梗霉因其產黑色素而一度被認為是“黑酵母”，較高的氮源和通氣量有利于黑色素的分泌，徐磊利用出芽短梗霉發酵生產天然黑色素，發現銅離子能促進黑色素的積累，可能是因為銅離子是產黑色素酶活性中心的重要組成部分之一所致，而鎂離子、錳離子等則抑制黑色素的產生［4］。

利用放線菌生產黑色素的研究則比較少見。鄭晨娜等從土壤中分離得到了一株高產胞外黑色素的鏈霉菌G-HD-4，所產黑色素對熱、光、還原劑、添加劑，以及各種金屬離子表現出良好的穩定性，具有良好的應用前景［5］；柯冠群從土壤中分離得到了的鏈霉菌streptomyces 88產黑色素快，產量高，且搖床發酵后菌絲體呈約2mm的微小顆粒，易于分離［6］。

1.3 藍色素

藍色是三個基本色調（紅、黃、藍）之一，其中紅、黃品系色素來源較多，天然藍色素則較為罕見。目前，我國準許使用的合成色素有22種，天然色素有44種，這些色素中藍色素只有5種，可見藍色素的選擇余地不大，而通過發酵大量生產天然藍色素則更為罕見?，F在天然食用色素中的藍色素比較貴重，國內外市場供不應求。開發天然藍色素在食品、化妝品等領域中具有很大的現實意義和良好的市場前景。李一葦等篩選得到的鏈霉菌ZLT，在碳源量高達7%的培養基中，發酵252h后，藍色素的產量高達310U/mL，是目前報道的最高產量［7］。但是該藍色素的穩定性受pH影響較大，在堿性條件下色素的藍色加深，在酸性條件下色素的藍色變淺紅色并逐漸加深。

2 食用香精香料

目前，食用香精香料中，只有很少量是從天然動植物中提取，有大約84%的產品是通過化學合成法生產。也就是說目前這些標著食品級的產品中的香精香料大多數都是通過傳統的生產方式在無機催化劑存在下化學合成，其使用效果和安全性已經不能滿足食品香精香料行業的發展需求。在生物技術不斷發展的今天，研究者將目光集中到了如何將生物技術運用于制備天然香精香料。

2.1 香蘭素

香蘭素（C8H8O3），化學名為3-甲氧基-4-羥基苯甲醛，白色或微黃色結晶，具有香莢蘭香氣及濃郁的奶香，為香料工業中最大的品種，是人們普遍喜愛的奶油香草香精的主要成分［8-9］。目前，天然香蘭素的合成方法有微生物發酵法、酶法和植物細胞培養法。

2.1.1 微生物發酵法 微生物發酵法是利用微生物細胞對不同底物進行轉化的方法，它的優點是無需將酶提純，因此成本低，并且可以通過細胞固定化等措施進一步降低生產成本和減少副產物，因此微生物發酵法成為近年來生產生物香蘭素的發展趨勢。

木質素是自然界中存在量非常大的天然芳香化合物，人們早就發現，白腐菌能將木質素分解，釋放出香蘭素、香草酸、脫氫二香蘭素、阿魏酸和愈創木酚甘油等，香蘭素在白腐菌的作用下會進一步形成香草醇、香草酸和脫氫二香蘭素，因此采用真菌降解木質素得到的香蘭素含量甚微［10-11］，故目前國內外利用該法生產香蘭素還在實驗階段。

采用阿魏酸生產天然香蘭素時可先利用一些微生物分泌的酯酶將阿魏酸從植物細胞壁中游離出來，而后再將阿魏酸轉化成香蘭素［12］。朱紅秘孔菌（Pycnoporus cinnabarinus），凝結芽孢桿菌（Bacillus coagulans）BK07菌株，土壤絲菌（A mycolatopsis sp.）DSM 9992，鏈霉菌Streptomyces setonni ATCC 391161，擔子菌等均可以轉化阿魏酸生成香蘭素，其產量由0.0552～13.9g/L不等［13-15］。

棒狀桿菌、鐮刀菌、假單胞桿菌、青霉菌、枯草芽孢桿菌都具有將丁子香酚轉化成香蘭素的能力［16］。丁子香酚轉化成香蘭素的基本過程是：丁子香酚→丁子香酚環氧化合物→丁子香酚二醇→松柏醇→松柏醛→阿魏酸→香蘭素。江南大學的孫志浩課題組選用耐受高濃度異丁香酚的紡錘芽孢桿菌，在異丁香酚/水雙相體系中進行生物轉化，有效地解除了產物抑制，所得香草醛最高可達46.1g/L［17］。

采用基因工程方法對大腸桿菌進行基因重組能使菌體利用葡萄糖通過磷酸戊糖途徑和莽草酸途徑合成香草酸，香草酸在芳香醛脫氫酶作用下還原成香蘭素［18-19］，從而達到從葡萄糖直接合成香蘭素的目的。顯而易見，該方法底物經濟豐富、代謝途徑簡單可控，很有實現工業化生產的可能性，但要使葡萄糖為底物的生物轉化法成為天然香蘭素生產用的工業化實用技術，必須解決大腸桿菌重組子的穩定表達技術。

香草酸是微生物降解木質素和阿魏酸過程中積累的重要中間產物。例如熒光假單胞桿菌BF13在5H內可將95%的阿魏酸轉化成香草酸，香草酸在特定微生物作用下可被還原成香蘭素，但是香草酸所產生的脫羧反應，會降低香蘭素的產率。防止脫羧反應，可提高香蘭素的產量，目前常用的方法是在加入香草酸前添加纖維二糖［9］。

2.1.2 酶法 研究者們采用苯乙烯雙氧酶、脂氧合酶、香草醇氧化酶、氨氧化酶等對苯乙烯、異丁香酚、木焦油醇、香草胺等物質進行轉化制備香蘭素，但是產率不夠理想［8］。研究如何利用酶學理論、化學工程以及現代生物技術，對現有酶進行定向改造、修飾，研究其固定化技術以及研制出適合的多酶反應器，能為采用酶法生產香蘭素打開新局面。

2.1.3 植物細胞培養法 植物細胞培養法能獲得較高的生產效率。Knuth和Sahai以香子蘭為材料進行高密度細胞培養，發酵液中的香蘭素濃度可達1.9g/L，且其產量可通過植物激素調節［20］。Westcott等采用香子蘭的根進行組織培養，發現組織中香蘭素的最高濃度達7g/kg［21］。不過，到目前為止，阿魏酸在植物體內被轉化為香蘭素的確切機制還不完全清楚。

2.2 奶味香精

在“回歸自然，返樸歸真”已成為人們飲食消費時尚的今天，天然奶味香精越來越受到消費者的青睞。生物法制備奶味香精采用價廉易得的牛奶作為起始原料，生產成本低；原料利用率近100%，整個生產過程無三廢產生，對環境無污染，符合環保要求；產品屬于天然食品添加劑，安全無毒，香氣自然、柔和、逼真，能明顯改善和提高加香產品的內在質量，是崇尚自然，回歸自然之所在。根據不同的需要，采用不同的酶或微生物可制備出一系列不同口味的奶味香精，這無疑是香料工業技術的一個重要進步。

近年來，酶在非水介質中也得到了廣泛的應用。如今，非水體系被運用到脂肪酶促乳脂肪水解制備奶味香精的研究中［22-23］，即向反應體系中添加合適的有機溶劑，在既保持了酶的生物活性同時，又增加了疏水性底物的溶解度，提高了反應效率，此外，有機溶劑的添加還能控制微生物的污染。研究證明，添加乙醇制備出來的奶味香精味道獨特，與在水介質中的反應的產物相比，奶味濃郁，但是乙醇的味道不能徹底消除，在分離技術上還有待進一步提高和完善。

本課題組采用由阿瑪諾天野酶制劑商貿（上海）有限公司贈送的脂肪酶 Lipase AY“AMANO”和Lipase A“AMANO”6，以奶油為底物進行酶解，分別獲得了奶酪風味和甜香奶味的奶味香精，香味圓潤、豐滿、自然。此外，本課題組還篩選到一株保加利亞乳桿菌，能作用于奶油產生甜麥奶香風味，研究還發現向奶油中添加適量乳清粉能進一步修飾奶香風味，改善口感。

3 食用防腐劑

食品防腐劑能抑制微生物活動，防止食品腐敗變質，從而延長食品的保質期。食品想要長期保存，往往都要添加食品防腐劑。到目前為止，我國只批準了32種允許使用的食品防腐劑，且都為低毒、安全性較高的品種。但是食品防腐劑是一把“雙刃劍”，也有可能給人們的健康帶來一定的麻煩。在我國，目前食品生產中使用的防腐劑絕大多數都是人工合成的，使用不當會有一定的副作用；有些防腐劑甚至含有微量毒素，長期過量攝入會對人體健康造成一定的損害。以目前廣泛使用的食品防腐劑苯甲酸為例，國際上對其使用一直存有爭議。比如，因為已有苯甲酸及其鈉鹽蘊積中毒的報道，歐共體兒童保護集團認為它不宜用于兒童食品中，日本也對它的使用做出了嚴格限制。即使是作為國際上公認的安全防腐劑——山梨酸和山梨酸鉀，過量攝入也會影響人體新陳代謝的平衡。

隨著生物技術的不斷發展，利用動植物或微生物的代謝產物等為原料，經提取、酶法轉化或者發酵等技術生產天然生物型食品防腐劑逐漸受到人們的重視，也是今后防腐劑市場的主要方向。新型生物防腐劑是指從生物體通過生物培養、提取和分離技術獲得的具有抑制和殺滅微生物的生物活性，如哈茨木霉菌T·harzianum、綠色木霉菌T·viride、康氏木霉菌T·koningii、鉤狀木霉菌T·hamatum和長枝木霉菌T·longibrachiatum等對多種植物病原菌表現拮抗活性。其生防機制包括胞外酶抑菌作用、抗菌素類物質抑菌作用、誘導植物抗性作用、水解酶啟動植物的防御反應、保護酶增強植物抗病性、毒性蛋白作用以及協同拮抗作用等［24］。又如日本傳統食品納豆中含有的納豆菌，可產生抗菌蛋白，具有廣譜抗菌作用，對很多微生物都有一定的作用，特別是對志賀氏菌、金黃色葡萄球菌和異常漢遜酵母具有較強的抗菌作用。鼠李糖乳桿菌對金黃色葡萄球菌、枯草桿菌、沙門氏菌都具有很好的抑菌作用，起抑菌作用的物質是乳酸以及其它類似蛋白質的抑菌物質［25］。

4 結論與展望

綜上所述，盡管生物技術在天然食品添加劑的生產中得到了廣泛的應用，但是大部分研究只是處于實驗室水平，還不能進行工業化生產轉化為商品。鑒于此，在以下方面還需要進行深入研究：采用誘變育種、基因工程技術等篩選高產菌株；對色素、香精香料中的有效物質進行結構和成分分析，以及功能性作用評價；進行毒理學實驗，建立安全性評價指標。這樣，在將生物技術引入食品添加劑行業的同時，還保證了食品添加劑的安全生產和使用，符合當今食品安全的發展方向。

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Application of biotechnological in production of food additive

WANG Wei1，MA Hao2，YU Li-mei1，BAI Wei-dong1，*
（1.College of Light Industry and Food Sciences，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，China；2.Guangzhou Restaurant Group Likoufu Food Co.，Ltd.，Fanyu 511442，China）

The applications of biotechnology in food pigment，flavoring essence and spice，antiseptic were reviewed.And the countermeasures for the solution of the problem in research were also proposed.

biotechnology；food additive；application

TS202.3

A

1002-0306（2011）01-0330-05

2009-09-03 *通訊聯系人

汪薇（1981-），女，講師，主要從事香精香料的開發利用。

粵港關鍵領域重點突破項目（2009A020700002）；仲愷農業工程學院自然科學基金（G3091415）。