Estudio sobre pigmento microbinatural

Los pigmentos son aditivos importantes en alimentos, medicamentos y piensos, e incluyen principalmente pigmentos sintéticos y naturales. Los pigmentos sintéticos están hechos principalmente de productos químicos como benceno, tolueno y naftaleno, y se forman a través de una serie de reacciones orgánicas como sulfonación, nitración, halogenación y nitración [1. Tienen las ventajas de una buena estabilidad, alta resistencia al color, ser económico y fácil de usar. Sin embargo, con el desarrollo continuo de la investigación toxicoly las técnicas analíticas, se ha encontrado que los pigmentos sintéticos son tóxicos y cancerígenos [2] y también puede conducir a la disminución de la fertilidad y la teratogenigeni[3]. Por lo tanto, la seguridad de los pigmentos sintéticos se está convirtiendo en una preocupación creciente, y su uso está siendo restringido gradualmente.

En comparación con los pigmentos sintéticos, los pigmentos naturales tienen las siguientes ventajas [34]: (1) la mayoría de los pigmentos naturales son altamente seguros y no tienen efectos secundarios tóxicos; (2) muchos pigmentos naturales retienen muchas sustancias activas (tales como péptidos activos de moléculas pequeñas, aminoácidos, vitaminas, sustancias aromáticas y ciertos elementos esenciales) o son ellos mismos un tipo de nutriente. Por ejemplo, la riboflaves un tipo de vitamina en sí, y− -carotenoTiene la actividad de vitaminas y y tiene cierto valor nutricional y funciones de salud. (3) algunos pigmentos naturales también tienen ciertas funciones farmacológicas y pueden prevenir y tratar ciertas enfermedades. Por ejemplo, el carotentiene efectos terapéuticos sobre enfermedades cardiovasculares y tumores; Las antocianinas se han convertido en un líquido oral en el exterior que puede resistir la radiación y tratar la tensión ocular; Los pigmentos del té y se han utilizado en entornos clínicos. [5; (4) los pigmentos naturales proporcionan una coloración más Natural, más cercana a los colores de las sustancias naturales. Se puede ver que los pigmentos naturales se han convertido en un hotspot de investigación, y el desarrollo y utilización de pigmentos naturales se ha convertido en la tendencia general de desarrollo en la industria de pigmentos.

Los pigmentos naturales se encuentran ampliamente en diversos organismos, incluyendo pigmentos vegetales, piganimales y pigmentos microbianos. Hay dos limitaciones aExtracción de pigmentos de plantasAnimales y plantas: (1) el crecimiento y la reproducción de plantas y animales se ven afectados por diversos factores como la estación, el clima y el lugar de origen, y sus recursos son limitados; (2) el contenido del producto objetivo en la materia prima es bajo, el proceso de producción es complejo, la tasa de extracción es baja, y el costo es alto. Muchos microorganismos en la naturaleza pueden producir pigmentos de varios colores durante los procesos metabólicos normales. Los microorganismos son diversos y están muy extendidos; Tienen muchos tipos metabólicos y fuertes capacidades metabólicas; Crecen y se reproducen rápidamente y son fáciles de cultivar. Los microorganismos pueden producir fácilmente pigmentos a través del cultivo a gran escala y la fermentación, y no están limitados por los recursos, el medio ambiente o el espacio. Son una manera efectiva de obtener pigmentos objetivo de manera eficiente y a bajo costo. Por lo tanto, el desarrollo de pigmentos microbianos tiene ventajas incomparables sobre los pigmentos vegetales y los pigmentos animales, por lo que atrae cada vez más la atención.

1 Research progress of major Pigmentos microbianos (en inglés)

Los pigmentos microbiAmarillo, verde, azul, morado, marrón, negro y varios colores entre ellos.

Los principales pigmentos microbianos son pigmento de arroz de levadura roja, − -caroteno, melanina y añil.

1.1 pigmento de arroz de levadura roja

El pigmento de arroz de levadura roja es un término general para una serie de pigmentos producidos por el hongo filamentoso Monascus durante su proceso metabólico. Es un compuesto de policetida que se puede dividir en tres categorías de acuerdo con su estructura química y propiedades: pigmentos rojos monascorubramina y rubropuntamina, piganaranaranmonascorubin y rubropunctatina, y pigamarillos Ankaflavin y Monascin. Los pigmentos Monascus son estables a los álcalis, resistentes al calor, no se ven afectados por iones metálicos, oxidantes y agentes reduc, seguros y tienen buenas propiedades colorantes. Al mismo tiempo, el pigmento de arroz de levadura roja tiene las ventajas de muchos pigmentos naturales y se utiliza principalmente para colorear productos cárnicos, productos de harina, así como bebidas y condimentos. Actualmente es el único coloralimenticio en el mundo producido por fermentación microbiana.

Arroz de arroz de levadura rojaEl pigmento se ha utilizado en la industria alimentaria durante más de mil años. Sin embargo, su efecto colores limitado porque es inestable a la luz. Algunos estudiosos han añadido antioxidantes al pigmento de arroz de levadura roja, pero su ligera estabilidad no se ha mejorado. Otros estudiosos han propuesto la adición de sustancias bioactivas como aminoácidos y polipéptidos durante el proceso de fermentación, de modo que cuando el arroz de levadura roja secreta enzimas de poliquetida, las sustancias que protegen el color se unen a la estructura del pigmento, mejorando así la ligera estabilidad del pigmento de arroz de levadura roja. Al mismo tiempo, algunos estudiosos creen que el método de extracción con solvente orgánico para el pigmento de arroz de levadura roja extrae una pequeña cantidad de pigmento con baja pureza. Por lo tanto, se ha llevado a cabo una gran cantidad de investigación para mejorar el rendimiento del pigmento de arroz de levadura roja. Minghongmei 6 y otros utilizaron un método asistido por microondas para aumentar el rendimiento del pigmento de arroz de levadura roja en un 72,2%. Yang Chenglong [7 y otros utilizaron un método de extracción asistido por el dedo dedo para extraer el pigmento de arroz de levadura roja de la fermentación líquida de arroz de levadura roja, que causa menos daño estructural a los ingredientes activos y es fácil de operar. Rosa M8 y otros lograron extraer con éxito el pigmento de arroz de levadura roja a través de la fermentación profunda de sustratos de trigo; Donghua Jiang [9 y otros usaron ácido aminobutírico para producir arroz de levadura roja.

Con más investigación sobre la solubilidad en agua y la resistencia a la luz del pigmento de arroz de levadura roja, el rango de aplicaciones para el pigmento de arroz de levadura roja será aún más amplio.

1.2 β -caroteno

− -caroteno es uno de los muchos carotenoides y es un precursor de la vitamina a, también conocida como provitamina. Es un tipo de pigmento de xantifila, un compuesto altamente insaturque es insoluble en agua pero soluble en solventes orgánicos. Contiene una serie de enlaces dobles conjugy ramas de metilo. Su solución diluida es de color amarillo anaranjado a amarillo, yel color del pigmento varía con el número de enlaces dobles conjugados. Los carotenoides tienen beneficios para la salud y son los aditivos microbipara colorantes alimentarios más prometedores. El betacaroteno se encuentra ampliamente en plantas, algas y hongos.

Actualmente, hay dos métodos principales para extraer − -caroteno: uno es aExtracto − -carotenoMediante el cultivo de algas salinas, pero este método requiere un alto contenido de sal en el mar y tiene grandes limitaciones en la producción; El otro es usarFermentación microbiana para producir − -caroteno. Actualmente, los principales microorganismos que pueden fermentar para producir beta-carotenson hongos, bacterias y levaduras [10]. Tang Tang [1 cree que la cepa de levadura roja tiene bajos requerimientos nutricionales, metabolismo rápido, un ciclo corto de fermentación, y las propias bacterias son ricas en nutrientes, etc., por lo que es adecuado para el cultivo de alta densidad en fermentadores y fácil de industrializar. Eon Seon Jin [121, etc. utilizaron las algas verdes Dunaliella salina para producir carotenoides. Sin embargo, este método finalmente no logró la producción industrial debido a las costosas instalaciones de fermentación y los largos tiempos de investigación toxicol.

Con el desarrollo de la tecnología de fermentación microbiana, la demanda de productos carotenoides producidos por métodos microbianos está aumentando año tras año, lo que indica que el uso de métodos microbianos para producir β -caroteno tendrá un buen futuro.

1.3 coloración negra

La coloración negra es un biopigmento formado por una serie de reacciones químicas de la tirosina, que va del marrón al negro y generalmente existe en una forma polimerizada. Es insoluble en soluciones ácidas y disolventes orgánicos comunes, soluble en soluciones alcalinas, y ligeramente soluble en agua [13]. La melanina se encuentra ampliamente en animales, plantas y microorganismos. El pigmento negro Natural se extrae de especies animales y vegetales, principalmente basado en su propiedad de disolverse en soluciones alcalinas y precipen soluciones ácidas. La tasa de extracción es baja y el color del negro no es bueno, lo que es costoso y no es fácil de producir industrialmente. Sin embargo, la producción de pigmento negro usando métodos microbianos no está restringida por condiciones geográficas o estacionales, y es más propicio para la producción industrial. Los microorganismos productores de color negro incluyen principalmente bacterias como baci, pseudomonadas y bacterias fijadoras de nitrógeno, así como algunos mohos y actinomictos. El pigmento negro producido por los microorganismos se divide principalmente en melanina unida a la pared (membrana) y melanina extracelular. Por ejemplo, aspergilniger secreta melanina mientras forma esporas. RCR GonAlves [14 y otros han extraído con éxito la melanina usando Aspergillus niger. Dong-Seok Kim[15 aumentó el rendimiento de melanina mediante la regulación de la temperatura.

El color negro se utiliza principalmente en cosméticos o tintes para el cabello con fines decor, protección contra la radiación ultravioleta, eliminación de radicales libres, y como fotoprotector en biopesticidas. Además, se ha encontrado en los últimos años que algunas melaninas solubles tienen un efecto inhibidor significativo sobre el virus del sida In vitro. Por lo tanto, con el rápido desarrollo de la biotecnología, la extracción microbiana de melanina tiene amplias perspectivas de aplicación.

1.4 índigo

Índigo es un brillante, vivo y duraderoTinte azul insoluble en agua, alcohol y éter, pero soluble en cloroformo, nitrobenceno y anilina. Es uno de los primeros pigmentos naturales descubiertos y es ampliamente utilizado en las industrias de tintura, farmacéutica y alimentaria. Su método de producción tradicional es extrade plantas del género índigo, y luego de dilucidar la estructura química, se sintequíutilizando anilina y amida de sodio como materias primas. Estudios han demostrado que la anilina es un potencial carcinógeno. La síntesis microbiana de índigo no sólo facilita la modificación del proceso de producción de índigo, reduce los costes y el consumo de energía, sino que también promueve la investigación sobre la degradación microbiana de compuestos aromáticos y también encuentra nuevas formas de desarrollar tintes sintéticos microbianos.

Muchas especies microbianas y cepas capaces de sintetizar índigo han sido aisladas e identificadas, y muchas de estas cepas son bacterias que pueden degradar hidrocarburos aromáticos. Por ejemplo, la cepa de P. putida PpG7, que utiliza naftaleno como fuente de carbono [161], S. monacensis, que utiliza 1,2,3,4-tetrahidronaftaleno como fuente de carbono [17], P. putida mt-2, que utiliza tolueno xileno u otros derivados del tolueno como fuente de carbono [18], la cepa degradadora de tolueno de Pseudomonas mandelssohnii KRI[19] y las cepas degradadoras de estireno de Pseudomonas putida S12 y CA-3[20].

La síntesis de pigíndigo es el resultado del metabolismo del triptófcatpor la triptófhidrolasa y una clase de dioxigenasas que pueden catalizar compuestos aromáticos, principalmente monooxigenasas y dioxigenasas, que pueden añadir un solo o doble átomo de oxígeno a un indoo indoderivado molécula, respectivamente. La naftaleno dioxigenasa es una de las enzimas más estudien la biosíntesis del añil. La clonación del gen de la naftaleno dioxigenasa en una cepa bacteriana permitió la rápida y eficiente síntesis de índigo a partir de indol. Sin embargo, el subproducto de la indirubina obstaculizla producción industrial de índigo de indol. Este problema se ha resuelto mediante la clonación del gen monooxigenestireno de Pseudomonas fluorescens, que sólo cataliza la síntesis de 3-hidroxiindol.

El sistema microbide síntesis de índigo todavía necesita ser más estudiado y desarrollado, como la forma de construir y seleccionar un sistema de enzimas razonable y cepas de ingeniería eficientes, optimizar los parámetros de fermentación, extracción de índigo o procedimientos de extracción, etc., con el fin de reducir en gran medida los costos de producción y mejorar la eficiencia de la producción.

2 principales problemas con los pigmentos microbi.

En la actualidad, el número dePigmento microbianosEl pigmento rojo producido por el arroz de levadura roja es el único pigmento en el mundo que se utiliza en la industria alimentaria.

2.1 estabilidad de las propiedades de los pigmentos naturales

Los pigmentos son susceptibles a una variedad de factores físicos y químicos durante la extracción, procesamiento y aplicación, tales como luz, temperatura, oxidantes y reductantes, pH, medios polares, iones metálicos y diversos aditivos, que pueden causar cambios en el tono, absorbancia y función fisiológica.

2.2 pigmentos son acompañados por la producción de toxinas

Los pigmentos son un tipo de metabolito secundario producido por microorganismos. Generalmente se sintetizen en la etapa posterior del crecimiento bacteriano. Sin embargo, la producción de pigmentos por los microorganismos es a menudo acompañada por la producción de toxinas, que son secretadas en el espacio extracelular o permanecen dentro de la célula. Esto a menudo hace que el caldo de fermentación sea complejo en su composición, y el proceso de purificación de pigmentos es muy exigente. Es difícil obtener un pigmento relativamente puro usando métodos convencionales.

2.3 falta de cepas buenas

El rendimiento de pigmento de las cepas silvestres es generalmente bajo. Como bacterias de producción, no sólo aumentan la dificultad de purificación, sino que también aumentan la inversión del producto y reducen las ganancias. Por lo tanto, es necesario detectar cepas con excelentes propiedades como una fuerte capacidad reproductiva, fácil cultivo, producción de grandes cantidades de productos de fermentación en un corto período de tiempo, producción nula o baja de subproductos y características genéticas estables.

Pruebas de seguridad

Como un nuevomicrobial pigmentNo sólo tiene altos requisitos de pureza, sino también altos requisitos de seguridad. Antes de que se apruebe, debe haber suficiente evidencia para demostrar que el pigmento no contiene toxinas. Se ha demostrado que no es tóxico a través de pruebas de toxicidad aguda, pruebas de toxicidad de seguridad y pruebas de toxicidad crónica, y no tiene efecto mutagénico. Además, también debe tener múltiples funciones fisiológicas como la disminución de los lípidos sanguíneos y la presión arterial, anti-mutagénico, antiséptico y la preservación.

2.5 optimización de las condiciones de cultivo

Los microorganismos tienen diferentes rendimientos de biomasa celular y pigmento en diferentes medios y condiciones de cultivo. Nutrientes tales como fuentes de carbono y nitrógeno en el medio de cultivo proporcionan la base material para el crecimiento de microorganismos y la acumulación de pigmentos, y determinan la dirección de la síntesis de pigmentos. BuzziniPl21], Chen Jianjun[22], Zeng Qiangsong[23], Hu Aihong24], Salguero A[25], Fbregas J[26 los resultados muestran que el medio de cultivo óptimo y las condiciones de cultivo pueden aumentar el rendimiento de pigmentos microbianos.

2.6 optimización de los métodos de depuración

Los principales métodos de extracción para pigmentos naturales son la extracción acuosa, la extracción con disolvente orgánico, la extracción alcalina, la extracción ácida, la extracción supercrítica de CO2 y la extracción por microondas. El método de extracción de agua es el más sencillo, no requiere ningún equipo especial y es fácil de operar. Sin embargo, la eficiencia de extracción es baja y el proceso consume mucho tiempo. El método de extracción con disolvente orgánico utiliza agentes de extracción baratos, equipos sencillos y procedimientos operativos fáciles de seguir, y tiene una alta tasa de extracción. Sin embargo, la calidad de algunos productos extraídos con este método es pobre, con baja pureza y un olor desagradable o residuo de disolvente, lo que afecta el ámbito de aplicación del producto.

La principal eficiencia de extracción de los métodos de extracción de ácido y álcali no es tan alta como la de la extracción con solvente orgánico, y el proceso de procesamiento consume una gran cantidad de ácido y álcali, y el líquido de desecho es difícil de reciclar. La extracción de dióxido de carbono supercrítica tiene las ventajas de un proceso de extracción simple, bajo consumo de energía, agentes de extracción baratos, alta pureza del producto extraído, bajo residuo de disolvente, y sin efectos secundarios tóxicos, y por lo tanto está atrayendo más y más atención. Sin embargo, debido a problemas tales como tecnología imperfecta, equipos complejos y costosos, y altos costos de operación, el desarrollo y aplicación de este método de extracción en este campo ha sido limitado. La extracción por microondas tiene las ventajas de ser capaz de extraer múltiples componentes de muestra en un corto tiempo, utilizando una pequeña cantidad de solvente, y tener buena reproducibilidad. Tiene amplias perspectivas para la investigación de aplicaciones. Sin embargo, actualmente se limita a la investigación en laboratorio, y su ámbito de aplicación se ha visto algo afectado. Por lo tanto, con el fin de mejorar la eficiencia de extracción de pigmentos microbinaturales y mantener la efectiva actividad pigment, el método de extracción aún necesita ser estudiado más a fondo.

3 tendencias de desarrollo de pigmentos microbi.

3.1 selección y mejoramiento de cepas excelentes

Los microorganismos que producen pigmentos y son aislados y seleccionados de la naturaleza tienen bajos rendimientos de pigmento y propiedades inestables. Por otro lado, la producción de pigmentos es a menudo acompañada por la producción de otros metabolitales como toxinas. Por lo tanto, el uso de técnicas de ingeniería genética para modificar cepas silvestres es una forma efectiva de seleccionar y criar cepas excelentes. Por ejemplo, el genoma de un pigmento microbicon alto valor de aplicación puede ser clonado y transferido a una E. coli que no produce pigmentos, de modo que pueda expresar pigmentos eficientemente y obtener una gran cantidad de productos pigmentantes.

3.2 mejora de la tecnología de fermentación

El método tradicional de fermentación de pigmentos microbies bajo en eficiencia de producción, requiere mucha mano de obra y se controla la calidad. La tecnología de células inmoviliztiene las ventajas de alta densidad celular, velocidad de reacción rápida, buena estabilidad, larga vida útil, reutilización y facilidad de separación del producto. Por lo tanto, el uso de la tecnología de inmovilización celular, que combina las ventajas de la fermentación en estado sólido y la fermentación líquida profunda, puede aumentar efectivamente el rendimiento y el valor de color del pigmento. El método de fermentación después de la inmovilización puede ser optimi, y las células pueden ser inmovilizen en la fermentación líquida en condiciones óptimas para aumentar el rendimiento del pigmento.

3.3 investigación sobre el mecanismo metabólico de los pigmentos

Se busca la composición génica relevante y los elementos reguladores del proceso de síntesis metabólica de pigmentos microbien organismos vivos, y se estudian en profundidad los vínculos desconocidos del metabolismo de pigmentos Enlaces desconocidos, y explorar métodos regulatorios potenciales para proporcionar una base teórica para revelar su mecanismo de síntesis de pigmentos.

4 conclusión

Con la mejora de las personas#39;s el nivel de vida y la profundización de la investigación, se ha descubierto gradualmente que los pigmentos naturales tienen múltiples efectos biológicos como la mejora de la inmunidad humana, antibiósis, y antitumoral. Su desarrollo y utilización han atraído cada vez más la atención, por lo que la investigación sobre pigmentos naturales ha avanzado rápidamente en los últimos años. Sin embargo,Pigmentos naturalesLos derivados de fuentes animales y vegetales son difíciles de producir en grandes cantidades debido a las limitaciones en las condiciones y rendimientos. El método de fermentación microbiana para producir pigmentos naturales tiene ventajas en términos de calidad, tecnología, recursos y costo. El arroz de levadura roja (Blakeslea trispora) es actualmente el único hongo filamentoso de alto rendimiento que puede alcanzar la producción industrial dePigmentos naturales de fuentes microbianas. Se necesita más investigación para abrir el uso de otros pigmentos naturales microbianos.

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