生物化学产品制备技术

生物技术在食品添加剂工业中的应用

摘要：概述了生物技术在食用色素、食用香精香料以及食用防腐剂中的应用，并针对目前研究中遇到的问题提出了相应的解决办法。

关键词：生物技术，食品添加剂，应用

食品添加剂是为改善食品品质和色、香、味以及为防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品的人工合成或者天然物质。食品添加剂能起到提高食品质量和营养价值，改善食品感官性质，防止食品腐败变质，延长食品保藏期，便于食品加工和提高原料利用率等作用。目前，我国有20多类、近1000种食品添加剂，如酸度调节剂、甜味剂、漂白剂、着色剂、乳化剂、增稠剂、防腐剂、营养强化剂等。可以说“没有食品添加剂工业，就不可能有现代食品工业”，所有的加工食品都含有食品添加剂，食品添加剂对于食品工业是必不可少的，合理使用添加剂对人体健康以及食品有益无害，在食品生产中只要按国家标准添加安全的食品添加剂，消费者就可以放心食用。

目前，我国生产的食品添加剂按其来源分类，有化学合成、生物合成、天然提取物三大类。由于许多生物合成食品添加剂，如谷氨酸、柠檬酸、乳酸等的化学结构和天然提取的完全一样，在人体中能被吸收和代谢，同时还具有一定的营养功效和生理活性，国际上也将之视同天然物。食品添加剂的安全使用非常重要。理想的食品添加剂最好是有益无害的物质。食品添加剂，特别是化学合成的食品添加剂大都有一定的毒性，不仅影响食品的食用安全，其生产制备过程中还会产生对环境有污染的物质，所以天然食品添加剂越来越受到大家的广泛关注。由于天然资源有限，而且其中含量不高，提取工艺复杂，制备天然提取的食品添加剂受到限制。而采用生物法制备天然食品添加剂，可以克服以上缺点，因此备受青睐。用生物法生产的天然色素、天然新型香昧剂等，正在逐步取代人工合成的色素和香精，这也是现今食品添加剂研究的方向。

现代生物技术包含的主要技术范畴是基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和生化工程。其中基因工程主要包括目的基因的提取和剪切、基因与载体的重新连接（DNA体外重组）、重组DNA、导入新的寄主细胞、发酵培养、目的蛋白质的提炼和纯化技术；细胞工程包括细胞融合、细胞大规模培养和植物组织快速繁殖技术；酶工程主要包括酶的开发与生产、酶的固定化和酶的分子改造、修饰技术；发酵工程包括菌种选育、菌体生产、代谢产物的发酵以及微生物机能的利用等；生化工程包括生物反应器、膜分离、超临界CO2萃取、基因芯片、生物传感器等。现代生物技术在食品添加剂制备中的应用，为天然食品添加剂的生产打开了一片崭新的天地。

1 食用色素

食用色素的使用是为了满足人们对食品感官品质的要求。目前使用的食用色素有天然食用色素和合成食用色素两大类。合成食用色素由于成本低廉，色泽鲜艳，着色力强，对光、热、氧气和pH稳定，但有一个缺点，即具毒性（包括毒性、致泻性和致癌性）。这些毒性源于合成色素中的砷、铅、铜、苯酚、苯胺、乙醚、氯化物和硫酸盐，它们对人体均可造成不同程度的危害。天然食用色素是

源于天然资源的色素，大多数天然色素对人体无毒无害，它的主要特征为：呈自然色调；安全性高；由于有天然原料带来的风味而赋予附加价值；具有维生素活性，富含人体所需的营养物质；有些还对人体有医疗保健的作用。同时，绝大部分的天然色素着色自然，能更好地模仿物质的天然颜色，并具有特殊的芳香气味，添加到食品中会带来愉快的感觉。

天然色素现在主要是从植物、动物材料和微生物细胞中获取。因动植物材料生长繁殖受季节、气候、产地等因素的影响，供应量不稳定，从中提取的色素价格昂贵，应用受到局限。而微生物色素是从微生物中提取，不受资源、环境和空间的限制，具有植物色素和动物色素不可比拟的优越性，而且利用微生物发酵生产的色素种类丰富，如胡萝卜素、类胡萝卜素、番茄红素、虾青素、蓝色素、黑色素等，还易于工业化。

1.1 虾青素

虾青素又名虾红素、虾黄质、龙虾壳色素，其化学名称为3，3'-二羟基-4,4'-二酮基-β,β'-胡萝素，属于叶黄素类。

天然虾青素是迄今为止人类发现自然界最强的抗氧化剂，其抗氧化活性远远超过现有的抗氧化剂。其清除自由基的能力是天然V E的1000倍，天然β-胡萝卜素的10倍，葡萄籽的17倍，黄体素的200倍，OPC的150倍，Q10的60倍。目前，天然虾青素主要作为高级保健食品、药品的原料，化妆品添加剂以及水产养殖（目前主要是大马哈鱼和鳟鱼、三文鱼）、家禽养殖的饲料添加剂。

来源不同的虾青素其结构和性质存在较大差异。天然虾青素以左旋为主，90% 以上酯化形式存在，抗氧化性和稳定性都较高，一般由水产品加工废弃物中提取，但是其中虾青素含量较低，且提取费用较高，不适于进行大规模生产。人工合成的虾青素，左旋占25%、右旋占25%，消旋体占50%左右，以游离态存在，不稳定，极易被氧化而破坏，其抗氧化性只有天然的1/4左右，且进入生物体后无法转化为天然构型，其着色能力和生物效价也较天然虾青素低得多。红发夫酵母菌来源的虾青素为100%右旋，其产量和抗氧化性均不够理想，且该酵母中虾青素平均含量仅为0.4%。雨生红球藻中所含虾青素及其酯类的配比（约70%的单酯，25%的双酯及5%的单体）与水产养殖动物中所含的天然虾青素的成分极为相似，这是通过化学合成和利用红发夫酵母等提取的虾青素所不具备的优势，且其中虾青素的含量达到1.5%-3.0%，被看作是天然虾青素的“浓缩品”。因此，雨生红球藻被公认是自然界中生产天然虾青素的最好生物，利用这种微藻提取虾青素已成为近年来国际上天然虾青素生产的研究热点。

1.2 黑色素

黑色素是广泛存在于动植物和微生物中的棕黑色到黑色的色素，是一类有着复杂结构的多聚芳香族化合物。按其化学结构差异，可将其分真黑素、棕黑素和异黑素三大类。近年来的研究表明，黑色素具有抗氧化和防止衰老等功能，这将大大促进天然黑色素在日益受重视的保健食品工业中的应用。

目前，从微生物中获得的黑色素多为胞外黑色素。一般认为黑色素不是微生物生长、代谢、繁殖所必需的物质，但是黑色素能提高微生物抗重金属毒害、抗紫外线及辐射损害、抗氧化的水平，从而增强其生存能力。微生物生产黑色素不受地域、季节限制，易于工业化。

微生物发酵生产黑色素的菌大多数都是细菌，如段晓红等通过固定化产酪氨酸酶的细菌，以酪氨酸为底物生产黑色素获得成功，该技术目前在国内处于领先水平[1]；曲音波等对不同来源的47株菌株在酪素培养基上生长、产色素情况进行