[화학공학] 천연 미생물 색소에 대한 자료입니다

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.

합성 안료와 비교하여 천연 안료는 다음과 같은 장점이 있다 [34]:(1) 대부분의 천연 안료는 매우 안전하며 독성 부작용이 없다;(2) 많은 천연색소는 많은 활성물질 (소분자 활성펩티드, 아미노산, 비타민, 방향물질과 특정필수원소 등)을 보유하고있거나 그 자체가 일종의 영양소이다.예를 들어, 리보플라빈은 비타민의 일종이다β-carotene비타민의 활동이 있고 그리고 일정한 영양가치와 건강기능이 있다.(3) 일부 천연색소는 또 일정한 약리적기능을 가지고있으며 어떤 질병을 예방, 치료할수 있다.예를 들어, 카로틴은 심혈관 질환과 종양에 치료 효과가 있습니다;안토시아닌은 해외에서 방사선에 저항하고 눈의 피로를 치료할 수있는 경구 액체로 만들어졌습니다;그리고 차 색소는 임상 환경에서 사용되고 있다.[5;(4) 천연색소는 천연물질의 색상에 더 가까이, 더 천연적인 색소를 제공한다.천연안료가 연구열점으로 되였음을 알수 있으며 천연안료의 개발과 이용은 안료업계의 일반적인 발전추세로 되였다.

천연색소는 식물색소, 동물색소, 미생물색소 등 다양한 생물에서 널리 발견된다.동식물에서 색소를 추출하는데는 두가지 제약이 있다:(1) 동식물의 생장과 번식은 계절, 기후, 원산지 등 여러가지 요소의 영향을 받고 자원도 제한되여있으며;(2) 원료중의 대상제품의 함량이 적고 생산공정이 복잡하며 추출률이 낮고 원가가 높다.자연계의 많은 미생물은 정상적인 대사과정에서 여러가지 색소를 산생할수 있다.미생물은 다양하고 널리 퍼져 있다;■ 그들은 대사 종류가 많고 대사 능력이 강하다;그들은 생장과 번식이 빠르고 재배하기 쉽다.미생물은 대규모 재배와 발효를 통해 쉽게 색소를 생산할 수 있으며 자원, 환경, 공간의 제한을 받지 않는다.그들은 목표 안료를 효율적이고 저렴한 비용으로 얻을 수 있는 효과적인 방법입니다.따라서 미생물 색소의 개발은 식물 색소와 동물 색소에 비해 비교할 수 없는 장점을 가지고 있으며, 따라서 점점 더 많은 관심을 끌고 있다.

주요 미생물 색소 연구 진행 1

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

주요 미생 물의 색소은 붉은 색소 가 이스트 쌀, β-carotene, 멜라닌, 그리고 인디.

1.1 붉은 효모 쌀 색소

적색효모벼색소는 실모양의 곰팡이 모나스커스가 대사과정에서 산생되는 일련의 색소의 총칭이다.화학구조와 성질에 따라 적색 안료 Monascorubramine과 Rubropunctamine, 주황색 안료 Monascorubin과 Rubropunctatin, 황색 안료 Ankaflavin과 Monascin의 3가지로 나눌 수 있는 폴리케타이드 화합물이다.모나스쿠스 안료는 알칼리성에 안정적이고 내열성이 있으며 금속 이온, 산화제 및 환원제의 영향을 받지 않고 안전하며 착색 특성이 우수합니다.동시에 적색효모쌀색소는 많은 천연색소의 장점을 갖고있으며 주로 육제품, 밀가루제품 및 음료수, 양념에 색소를 내는데 사용된다.현재 세계에서 유일하게 미생물의 발효에 의해 생산된 식용색소이다.

붉은 효모벼색소는 천여년동안 식품공업에서 사용되여왔다.그러나 빛에 불안정하기 때문에 착색 효과는 제한적이다.일부 학자들은 적색 효모 쌀 색소에 항산화제를 첨가했지만 빛의 안정성은 개선되지 않았다.다른 학자들은 발효과정중에 아미노산, 폴리펩티드 등 생리활성물질을 첨가하여 적색효모쌀이 폴리케타이드효소를 분비할 때 색소를 보호하는 물질이 색소구조에 결합되여 적색효모쌀 색소의 광안정성을 향상시킬것을 제기했다.동시에 일부 학자들은 적색효모벼색소에 대한 유기용매추출법은 순도가 낮은 소량의 색소를 추출한다고 보고 있다.따라서 적색효모벼 색소의 수율 향상에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다.민홍미 6 등은 전자파를 이용한 방법으로 적색 효모벼 색소의 수율을 72.2%까지 높였다.양청롱 [7 등]은 초음파보조추출법을 이용하여 활성성분의 구조적 손상이 적고 조작이 용이한 적색효모쌀의 액상 발효물로부터 적색효모쌀 색소를 추출하였다.Rosa M8 등은 밀 기질의 심층 발효를 통해 적색 효모 쌀 색소를 성공적으로 추출하였다;Donghua지 앙 [사용 9와 다른 사람들은 높은-γ-aminobutyric 산성 붉은 이스트 쌀을 생산하는 것이다.

적색효모벼색소의 수용성과 내광성에 대한 연구가 한층 더 진행되면 적색효모벼색소의 응용범위는 더욱 넓어지게 될것이다.

1. 2 β-Carotene

β-Carotene은 많은 카로 티 노이 드와 중 하나는 비타민 a의 전조, 또한 provitamin로 알 려 져 있다.크산토필 색소의 일종으로, 물에 녹지 않지만 유기용매에는 잘 녹는 고도의 불포화 화합물이다.그것은 일련의 결합 이중 결합과 메틸 분지를 포함한다.그것의 묽은 용액은 주황색에서 황색이며, 결합이중결합의 수에 따라 색소의 색이 달라진다.카로티노이드는 건강에 이점이 있으며 가장 유망한 미생물 식용 색소 첨가제입니다.베타카로틴은 식물, 조류, 균류에서 널리 발견된다.

현재, β를 추출하는 방법은 두 가지 주요 가-carotene:하나는 β를 추출하는 것에 의해-carotene culturing 해조 소금, 하지만이 방법에서 높은 소금 콘 텐 츠에 있 사용하 려면 바다와 생산에 독특 한 한계를 가지고 있다;생산하는 다른은 미생물 발효 제를 사용하는 것이 β-carotene다.현재, 생산하는 주요 발효 할 수 있는 미생물 β-carotene은 곰팡이, 박테리아, 그리고 효모 [10].탕탕 [1]은 적색 효모 균주는 영양 요구량이 적고, 신진대사가 빠르며, 발효 주기가 짧고, 세균 자체가 영양소가 풍부한 등, 발효기에 고밀도 재배에 적합하고 산업화도 용이하다고 보고 있다.Eon Seon Jin [121] 등은 녹조류 Dunaliella salina를 이용하여 카로티노이드를 생산하였다.그러나이 방법은 비싼 발효 시설과 긴 독성학적 연구 시간 때문에 궁극적으로 산업적 생산을 달성하지 못했다.

미생물 발효의 발달과 함께 기술, 노에 대한 수요는 드 미생물이 방법을 사용 하여 생산 된 제품은 매년 증가, 미생물을 생산하는 방법의 사용을 나타내 β-carotene 좋은 미래을 갖게 될 것이다.

1.3 흑색 채색

흑색은 티로신의 일련의 화학반응으로 형성된 생약으로서 갈색에서 검은색까지 다양하며 보통 중합된 형태로 존재한다.산성 용액과 일반적인 유기 용매에는 녹지 않고, 알칼리 용액에는 녹으며, [13] 물에는 약간 녹는다.멜라닌은 동물, 식물, 미생물에서 널리 발견된다.천연흑색색소는 주로 알칼리성용액에 용해되고 산성용액에 침전되는 특성에 근거하여 동식물 종에서 추출한다.추출율이 낮고 흑색의 색이 좋지 않아 산업적으로 생산하기가 쉽지 않고 비용이 많이 든다.그러나 미생물의 방법을 이용한 흑색색소의 생산은 지리적, 계절적 조건의 제한을 받지 않으며, 공업생산에 더욱 도움이 된다.흑색을 생산하는 미생물에는 주로 바실리, 녹농균, 질소고정균 등 세균과 일부 곰팡이, 방선균 등이 있다.미생물이 만들어내는 검은 색소는 주로 벽 (막) 결합 멜라닌과 세포 밖 멜라닌으로 나뉜다.예를 들어 Aspergillus niger는 포자를 형성하면서 멜라닌을 분비한다.RCR 곤alves[14] 등은 Aspergillus niger를 이용하여 멜라닌을 추출하는데 성공하였다.김동석 [15]은 온도를 조절하여 멜라닌의 수율을 증가시켰다.

흑색소는 현재 주로 화장품이나 염색약에 장식적인 목적, 자외선에 대한 보호, 활성산소의 제거, 생약제의 광보호제로 사용되고 있다.게다가 최근 일부 수용성 멜라닌이 체외에서 에이즈 바이러스에 대해 현저한 억제 효과를 나타낸다는 사실이 밝혀졌다.그러므로 생명공학의 신속한 발전과 더불어 멜라닌의 미생물추출은 넓은 응용전망을 갖고있다.

1. 4 인디고

남색은 물, 알코올 및 에테르에는 녹지 않지만 클로로포름, 니트로벤젠 및 아닐린에는 녹는 밝고 선명하며 내구성 있는 파란색 염료입니다.가장 일찍 발견된 천연 안료 중 하나로 염색, 제약, 식품 산업에 널리 사용된다.그것의 전통적인 생산 방법은 인디고 (Indigo) 속 식물에서 추출하는 것이며, 화학 구조가 설명 된 후, 아닐린과 아마이드 나트륨 (sodium amide)을 원료로 사용하여 화학적으로 합성했습니다.연구결과에 따르면 아닐린은 잠재적인 발암물질이다.인디고의 미생물의 합성은 인디고에 대한 생산공정의 개조를 용이하게하고 원가를 절감하며 에너지소모를 줄일뿐만아니라 방향족화합물의 미생물의 분해연구를 촉진하고 미생물의 합성염료를 개발하는 새로운 방법도 찾아낸다.

인디고를 합성할 수 있는 많은 미생물 종과 균주가 분리되고 확인되었으며,이 균주들 중 다수는 방향족 탄화수소를 분해할 수 있는 박테리아이다.예를 들어 나프탈렌을 탄소원으로 사용하는 P. putida 균주 PpG7, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene을 탄소원으로 사용하는 S. monacensis, 톨루엔-자일렌이나 톨루엔의 다른 유도체를 탄소원으로 사용하는 P. putida mt-2 [17], 톨루엔-자일렌 또는 톨루엔의 다른 유도체를 탄소원으로 사용하는 P. putida mt-2, 녹농나스 만델스소hnii KRI[19]의 톨루엔 분해 균주, 녹농나스 푸티다 S12와 CA-3[20]의 스티렌 분해 균주 등이 있다.

인디고 안료의 합성은 방향족 화합물을 촉매 할 수있는 트립토판 hydrolase와 주로 모노옥시게네이스와 디옥시게네이스의 종류에 의해 촉매 된 트립토판 대사의 결과이며, 각각 인돌 또는 인돌 유도체 분자에 단일 또는 이중 산소 원자를 추가 할 수있다.나프탈렌 디옥시나아제는 인디고 생합성에서 가장 많이 연구되는 효소 중 하나이다.박테리아 균주에서 naphthalene dioxygenase 유전자를 복제함으로써 indole 로부터 indigo를 신속하고 효율적으로 합성할 수 있었다.그러나 부산물인 인디루빈 (indirubin)은 인돌 (indole) 로부터 인디고의 산업 생산을 방해했다.이 문제는 녹농나스 플루오레센스에서 styrene monooxygenase 유전자를 클로닝함으로써 해결되었는데,이 유전자는 3-하이드록시인돌의 합성만을 촉매한다.

미생물 인디고 합성 시스템은 합리적인 효소 시스템과 효율적인 조작 균주를 구성하고 선택하는 방법, 발효 변수, 인디고 추출이나 추출 절차 등을 최적화하여 생산 비용을 크게 절감하고 생산 효율을 높이는 방법 등 여전히 더 많은 연구와 개발이 필요하다.

미생물 색소의 주요 문제2

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

천연 안료의 특성의 안정성 2.1

안료는 추출, 가공 및 적용 과정에서 빛, 온도, 산화제 및 환원제, pH, 극성매체, 금속이온 및 각종 첨가제 등 다양한 물리적, 화학적 요인에 영향을 받기 쉬워 색조, 흡광도 및 생리기능의 변화를 일으킬 수 있다.

2.2 색소는 독소의 생성을 동반한다

색소는 미생물에 의해 생산되는 일종의 2차 대사산물이다.그것들은 일반적으로 세균의 성장 후기 단계에서 합성된다.그러나 미생물에 의한 색소의 생성은 독소의 생성을 동반하는 경우가 많으며, 독소는 세포외 공간으로 분비되거나 세포내에 남아 있다.이로 인해 발효 육수가 구성에서 복잡해지는 경우가 많고, 색소를 정제하는 과정이 매우 까다롭다.기존의 방법으로는 비교적 순수한 안료 생성물을 얻기 어렵다.

좋은 균열의 부족 2.3

야생 균주의 색소 생산량은 일반적으로 낮다.생산 박테리아로서, 그들은 정화의 어려움을 증가시킬뿐만 아니라 제품 투자를 증가시키고 이익을 감소시킵니다.따라서 생식능력이 강하고, 재배가 용이하며, 단기간에 많은 양의 발효산물을 생산할 수 있고, 부산물의 생성이 없거나 적으며, 안정적인 유전적 특성 등의 우수한 특성을 가진 균주를 선별하는 것이 필요하다.

2.4 안전성시험

새로 개발된 미생물 색소로서 순도 요구가 높을 뿐만 아니라 안전 요구도 높습니다.그것이 승인되기 전에, 그 색소에 독소가 포함되어 있지 않다는 것을 증명할 충분한 증거가 있어야 한다.급성독성시험, 안전성시험, 만성독성시험 등을 통해 무독성이 입증됐으며 돌연변이 유발 효과가 없다.뿐만아니라 혈중지질과 혈압을 낮추고 항돌연변이, 살균, 보존 등 여러가지 생리기능도 구비해야 한다.

배양 조건의 최적화 2.5

미생물은 매체와 배양 조건에 따라 세포 바이오매스와 색소 산출량이 다르다.배양액 내의 탄소원과 질소원과 같은 영양소는 미생물의 생장과 색소의 축적에 물질적인 기초를 제공하고 색소 합성의 방향을 결정한다.BuzziniPl21], Chen Jianjun[22], Zeng Qiangsong[23], Hu Aihong24], Salguero A[25], Fbregas J[26]이 결과는 최적의 배양액과 배양조건이 미생물 색소의 생산량을 증가시킬 수 있음을 보여준다.

정화 방법의 최적화 2.6

주요 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.

산 · 알칼리 추출법의 주요 추출 효율은 유기용매 추출법에 비해 높지 않고, 처리 과정에서 다량의 산 · 알칼리가 소모되며 폐액은 재활용이 어렵다.초임계 이산화탄소액 추출은 추출 공정이 간단하고, 에너지 소모가 적으며, 추출 용제가 저렴하고, 추출 산물의 순도가 높고, 용매 잔류가 적으며, 독성의 부작용이 없다는 장점이 있어 점점 더 많은 관심을 끌고 있다.그러나 불완전한 기술, 복잡하고 비싼 장비, 높은 운영비용 등의 문제로 인해이 분야에서이 추출법의 개발 및 적용은 제한적이었다.마이크로파 추출은 적은 양의 용매를 사용하여 단시간에 여러 개의 시료 성분을 추출할 수 있고, 재현성이 우수하다는 장점이 있다.그것은 응용 연구의 넓은 전망을 가지고 있다.그러나 현재는 실험실 연구에만 국한되어 있고, 그 적용 범위도 다소 영향을 받고 있다.따라서 천연 미생물 색소의 추출 효율을 높이고 효과적인 색소 활성을 유지하기 위해서는 아직 추출 방법에 대한 연구가 더 필요하다.

미생물 색소의 개발 동향 3

3.1 우수균주의 선발 및 육성

색소를 생성하고 자연으로부터 분리, 선별된 미생물은 색소 산출량이 낮고 성질이 불안정하다.반면 색소의 생성에는 독소와 같은 다른 대사산물의 생성이 동반되는 경우가 많다.따라서 유전공학기술을 이용하여 야생균주를 개량하는 것은 우수한 균주를 선발하여 품종화하는 효과적인 방법이다.예를 들어 응용 가치가 높은 미생물 색소의 게놈을 복제해 색소를 생성하지 않는 대장균에 옮겨 효율적으로 색소를 발현하고 다량의 색소 생성물을 얻을 수 있다.

발효 기술의 개선 3.2

미생물 색소에 대한 전통적인 발효 방법은 생산 효율이 낮고 노동 집약적이며 품질이 조절됩니다.고정화 셀 기술은 높은 셀 밀도, 빠른 반응 속도, 우수한 안정성, 긴 서비스 수명, 재사용성, 제품 분리의 용이성 등의 장점이 있다.따라서 고체발효와 액체심층발효의 장점을 결합한 세포고정화 기술을 이용하면 색소의 수율과 색가를 효과적으로 높일 수 있다.고정화 후 발효 방법을 최적화할 수 있으며, 액상 발효시 세포를 최적의 조건으로 고정화하여 색소의 수율을 높일 수 있습니다.

안료의 대사 메커니즘 연구 3.3

생물체 내 미생물 색소의 대사 합성 과정의 관련 유전자 조성과 조절 요소를 알아보고, 알려지지 않은 색소대사의 연관성을 심도 있게 연구한다 알려지지 않은 연관성, 그리고 그것의 색소 합성 메커니즘을 밝히기 위한 이론적 근거를 제공하기 위한 잠재적인 조절 방법을 탐구한다.

4 결론

피플 &의 개선으로#39;s 생활수준과 연구의 심화에 따라 천연색소가 인체면역력 향상, 항생물성, 항종양 등 여러가지 생물학적효과가 있다는것이 점차 발견되였다.이들의 개발과 이용은 점점 더 광범위한 관심을 끌어 천연안료에 대한 연구는 최근 들어 빠른 진전을 보이고 있다.그러나 동식물 원료에서 추출한 천연색소는 조건과 수확량의 한계로 인해 대량으로 생산하기 어렵다.천연색소를 생산하는 미생물발효법은 품질, 기술, 자원, 비용 면에서 장점이 있다.적색효모벼 (Blakeslea trispora)는 현재 미생물원으로부터 천연색소의 산업적 생산을 할 수 있는 유일한 고생산량 실균이다.다른 미생물의 천연색소를 사용할 수 있도록 개방하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

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