生物色素是生物細胞中的一類化學物質。它們因為一些特殊的化學結構，能夠對光線造成反射、干涉、散射或吸收等效果，從而使生物組織呈現出不同的顏色。生物色素種類繁多，來源廣泛，工業生產中的許多色素來源於植物和微生物，比如花青素、胡蘿蔔素、靛藍、番茄紅素、葉綠素、紅曲色素、黑色素等。動物的皮膚、毛髮、眼睛等部位具有不同種類的色素細胞。
基本介紹
- 中文名：生物色素
- 外文名：Biological pigment
- 定義：生物細胞中的一類化學物質
- 發光色素：螢光素
- 光合色素：葉綠素等
- 分類：天然色素和人工色素
色素簡介,色素合成,代表性色素,紅曲色素,黑色素,類胡蘿蔔素,葉綠素,葉黃素,花青素,
色素簡介
生物色素是生物細胞中的一類化學物質，它們因為一些特殊的化學結構，能夠對光線造成反射、干涉、散射或吸收等效果。生物色素種類繁多，來源廣泛，工業生產中的許多色素來源於植物和微生物，比如花青素、胡蘿蔔素、靛藍、番茄紅素、葉綠素、紅曲色素、黑色素等。動物的皮膚、毛髮、眼睛等部位具有不同種類的色素細胞。目前．天然色素主要可以通過植物提取或者微生物發酵獲得。和人工合成色素相比，天然色素的安全性高，色澤自然鮮艷，且具有很高的營養價值和藥理功能。
色素合成
1958年，珀金斯(Perkins)等首次合成了苯胺紫。隨著科技的進步和工業的發展，合成色素迅速取代了天然色素在食品工業中的地位。但隨著毒理學的發展，人們認識到合成色素不僅無任何營養價值，並且污染大，毒副作用嚴重。因此，開發微生物發酵生產色素成為人們生產天然色素的途徑之一。微生物色素有很多種類，主要有紅曲色素、類胡蘿蔔素、黑色素、靛藍和醌類色素等。
代表性色素
紅曲色素
紅曲色素是一種由紅曲菌屬的絲狀真菌經發酵而成的優質天然食用色素，是紅曲菌的次級代謝產物。作為天然色素，紅曲色素一直以來被認為是安全性較高的食用色素，試驗已證明它不含黃麴黴毒素。紅曲色素作為食品色素廣泛套用於食品行業，也可用於醫藥和化妝品的著色，不僅具有增香、增色、防腐的功效，還具有抗氧化、抗疲勞、抗腫瘤、調節血氨、調節血脂水平等功效。
紅曲色素主要通過微生物發酵獲得，微生物發酵產紅曲色素中含一種毒性的真菌毒素——桔青毒素，其可以通過各種育種手段篩選低桔青毒素或不含桔青毒素的菌株，也可以通過發酵等藝最佳化，獲得低桔青毒素或不含估青毒素的產品。紅曲色素的生產工藝有固態發酵和液態發酵。根據生產工藝的不同，紅曲色素的溶解性也有所不同：一類是水溶性紅曲色素，可溶於水，微溶於乙醇，不溶於氯仿；另一類是醇溶性紅曲色素，可溶於乙醇、氯仿，但不溶於水。
黑色素
黑色素是酪氨酸經過一連串化學反應所形成的，動物、植物與原生生物都有這種色素。最普遍被了解的是經常被太陽照射後，人的面部會出現黑斑。這是因為在人體皮膚細胞受到紫外線照射時，肌膚就會處於“自我防護”的狀態，生成一種叫“多巴”的物質，釋放出黑色素，使面部出現黑斑。其實，黑色素還有很多生理功能，在人體內不可或缺。它還被廣泛套用於食品著色劑、化妝品、染髮劑、新型藥物載體等，還用於治療與黑色素缺乏有關的神經系統疾病，如帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷舞蹈病等。
黑色素主要通過黑芝麻、黑豆皮、黑米來提取製備，但是由於天然物質中黑色素含量較低，提取成本較高，且受到時間、原料等限制，目前有利用鏈黴菌、嗜麥芽假單胞或基因工程大腸桿菌菌株進行生產，並可實現連續生產。鑒於黑色素巨大的發展潛力，利用微生物發酵生產黑色素將被廣泛套用。
類胡蘿蔔素
類胡蘿蔔素是另一類重要的色素，包括β-胡蘿蔔素、番茄紅素、蝦青素、花青素等。這類色素的特點是不溶於水、具有高抗氧化性；不僅對保護人的視力、心血管等方面具有直接效用，而且在藥用輔料、保健品、食品添加劑、飼料添加劑等方面有著非常重要的地位。目前，這類色素的批量生產還主要依靠化學合成法。但化學法生產出的多為混合物，即具有不同構型和活性的手性物質混合物，所以其產品主要用於飼料添加劑、著色劑等；藥用、食品的高端市場仍要依靠傳統的植物提取法獲得此類天然色素。
發酵法生產類胡蘿蔔素始於20世紀50年代。1956年美國報導採用三孢布拉氏黴菌兩性菌株發酵生產β-胡蘿蔔素，產率為1265毫克/升培養液；日本也報導了利用紅色精元桿菌生產類胡蘿蔔素．在此基礎上可以較容易地生產番茄紅素。目前。我國部分企業已經掌握了生物法生產β-胡蘿蔔素和番茄紅素的工藝。並已有相關產品而世。而蝦青素的生物法製造仍然是世界範圍內的研究熱點。從長遠來看，生物發酵生產類胡蘿蔔素是生產天然色素的最佳途徑．而現代生物技術的發展勢必推動此類技術的快速發展。
葉綠素
葉綠素(Chlorophyll)是植物體內光合作用膜中的綠色色素，是植物光合作用過程中捕捉光能的綠色有機化合物，存在於所有綠色植物中稱為葉綠體的細胞器內的盤形膜(稱為類囊體)中。葉綠素有四個類型：葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c和葉綠素d。其中葉綠素a和葉綠素b是主要類型，存在於高等植物的葉綠體及綠藻中，其分子式為C40H70O5N4Mg。
葉綠素是綠色植物進行偉大的光合作用的主要成分，它吸收、傳遞光能，參與將空氣中的二氧化碳和土壤中的水分轉變成化學能——葡萄糖，並釋放出氧氣，從而為植物界自身的生長及動物界的生存提供了源源不斷的糧食，同時又製造了生物界所必需的氧氣，維持了大氣成分的穩定平衡。光合作用是自然界無與倫比的化學反應過程，無論是參與反應的物質數量、時間、空間及功能效果，都是任何化學反應無法比擬的，所以說光合作用是偉大的，而葉綠素作為光合作用的“始作俑者”則不愧為第一功臣。
葉綠素除進行光合作用外，其製品還有某些藥用價值。因葉綠素與人體血紅素的分子結構非常相似，唯一的區別是分子核心分別為鎂原子和鐵原子。所以飲用葉綠素對產婦和失血者有幫助。據營養專家說，服用葉綠素能去除殺蟲劑與藥物殘留毒素，並能與輻射性物質結合而將其排出體外。另外，葉綠素還有養顏美膚的功效。
葉黃素
葉黃素又叫植物黃體素，化學名稱為3-3'-二羥基-β-胡蘿蔔素，分子式為C40H56O2，分子量為568.85；不溶於水，易溶於油脂和脂肪性溶劑；純葉黃素為黃色棱狀晶體，有金屬光澤，對光和氧不穩定，應貯存於陰涼乾燥處，避光密封。
葉黃素在自然界中與玉米黃素共同存在，是構成玉米、蔬菜、水果、花卉的植物色素的主要成分，含於葉綠體中。葉黃素將吸收的光能傳遞給葉綠素，對光氧化、光破壞具有保護作用。葉黃素還是構成人眼視網膜黃斑區的主要色素。葉黃素是一種廣泛存在於植物體中的天然色素，屬於類胡蘿蔔族。目前已知自然界中存在著600多種類胡蘿蔔素，其中只有約20種存在於人的血液和組織中。在人體中發現的類胡蘿蔔素主要有α-胡蘿蔔素、β-胡蘿蔔素、隱黃素、葉黃素、番茄紅素和正未黃素。醫學實驗證明，植物中所含的天然葉黃素是一種性能優良的抗氧化劑，在食品中加入一定量的葉黃素可預防細胞衰老和機體器官衰老，同時還可預防老年性眼球視網膜黃斑退化引起的視力下降與失明。經一系列醫學研究，胡蘿蔔素類已被建議用作癌症預防劑、生命延長劑、潰瘍抵製劑，心臟病與冠狀動脈疾病發作抵製劑。另外，葉黃素還可用作飼料添加劑、食品著色劑和營養保健劑。
葉黃素的醫用保健機理概括如下：
（1）葉黃素對眼球視網膜黃斑有保護作用，這是因為葉黃素具有抗氧化作用和光保護作用。視神經不可再生，極易受到有害自由基的傷害，葉黃素的抗氧化作用可抑制有害自由基的形成。藍光波長接近紫外線，是對眼睛危害最大的可見光，而葉黃素具有吸收藍光的功能，可降低藍光對視網膜的危害。
（2）葉黃素可降低白內障的發生率。目前醫學研究認為白內障的發生與較高的晶狀體視覺密度有關，而老年人的較低黃斑色素密度可能是導致較高晶狀體視覺密度的原因。
（3）葉黃素的抗氧化作用能抑制活性氧自由基的活性，而活性氧自由基可與DNA、蛋白質及脂類發生反應，削弱它們的生理功能，進而引發諸如癌症、動脈硬化、增齡性黃斑變性症等病變的發生。葉黃素可通過淬滅作用滅活單線態氧，從而增強機體免疫力。
（4）葉黃素有延緩動脈硬化的作用，是因為血液中葉黃素含量低易導致動脈血管壁增厚，所以血液中葉黃素增多會使動脈血管壁增厚的趨勢降低。另外，動脈壁細胞中的葉黃素還可降低LDL膽固醇的氧化性。
（5）多項研究表明，葉黃素對多種癌症有抑制作用，如乳腺癌、前列腺癌、直腸癌、皮膚癌等。如果人均每天攝人400～600g水果和蔬菜，可使患癌症的危險性降低50%。
花青素
花青素學名OPC，是一種水溶性色素，可隨細胞液的酸鹼性改變顏色。細胞液呈酸性則偏紅，呈鹼性則偏藍。花青素是構成花瓣和果實顏色的主要色素之一。自然界有300多中不同的花青素，廣泛存在於各種花卉、水果和蔬菜中，如天竺葵、矢車菊、芍藥花、牽牛花、牡丹、玫瑰、越桔、血橙、草莓、葡萄、胡蘿蔔、紫甘薯、茄子皮、櫻桃、桑椹、山楂、紫蘇、黑米等。花青素屬於酚類化合物中的類黃酮類，多由苯基丙酸類合成路徑和類黃酮合成路徑生成，基本結構包含兩個苯環，並由-3C的單位連線(C6-C3-C6)。影響花青素呈色的因子包括花青素的構造、pH值、共色作用等。果皮呈色受內在和外在因子及栽培技術的影響；光可增加花青素含量；高溫會使花青素降解。花青素為植物的二級代謝產物，在生理上扮演著重要角色，有吸引昆蟲和動物傳授花粉、撒播種子以繁衍後代的功能。
花青素顏色隨pH值發生變化，當pH值為3時呈覆盆子紅，而pH值為5時則呈深藍莓紅。在大多套用中，這些色素具有良好的光、熱和pH值穩定性，廣泛套用千飲料、糖果、果凍和果醬中。近年來作為多酚的花青素因對健康可能帶來好處而頗受人們關注。花青素是一種強有力的抗氧化劑，它能保護人體免受有害物質——自由基的損害。花青素還能增強血管彈性，改善循環系統和增進皮膚的光滑度，抑制炎症和過敏，改善關節的柔韌性。其功效概括如下：
（1）有助於預防多種與自由基有關的疾病，如癌症、心臟病、早衰及關節炎等；
（2）通過防止應激反應和血小板凝聚以減少心臟病和中風的發生；
（3）增強免疫系統能力，抵禦致癌物質；
（4）降低感冒次數和縮短持續時間；
（5）具有抗突變的功能，從而減少致癌因子的形成；
（6）具有抗炎症功能，可預防關節炎、腫脹等炎症；
（7）緩解花粉病及其他過敏症；
（8）增強血管彈性，保護動脈血管內壁；
（9）保持血細胞的柔韌性，有益血液循環，增強細胞活力；
（10）鬆弛血管及防止腎臟釋放出的血管緊張素轉化酶而引起血壓升高，以預防高血壓；
（11）具有保護腦細胞的功能，可防止澱粉樣8蛋白的形成、谷氨酸鹽的毒性及自由基的攻擊，從而可預防阿爾茨海默氏病；
（12）通過對彈性蛋白酶和膠原蛋白酶的抑制使皮膚光滑而富有彈性，可預防因過度日曬所致的皮膚損傷等病變。
鑒於花青素對人體健康長壽有益，無毒副作用，引起人們的重視與研究興趣，有望人類社會從20世紀的抗生素、維生素時代進入21世紀的花青素時代。
