Étude sur le Pigment microbien naturel

Les Pigments sont des additifs importants dans les aliments, les médicaments et les aliments pour animaux, et comprennent principalement des Pigments synthétiques et naturels. Les pigments synthétiques sont principalement fabriqués à partir de produits chimiques tels que le benzène, le toluène et le naphtalène, et sont formés par une série de réactions organiques telles que la sulfonation, la nitration, l’halogénation et la nitration [1. Ils ont les avantages de la bonne stabilité, la force élevée de couleur, étant économique, et facile à utiliser. Cependant, avec le développement continu des recherches toxicologiques et des techniques d’analyse, il a été constaté que les pigments synthétiques sont toxiques et cancérogènes [2] et peuvent également entraîner une diminution de la fertilité et de la tératogénicité [3]. Par conséquent, la sécurité des pigments synthétiques devient une préoccupation croissante, et leur utilisation est progressivement strictement limitée.

Comparés aux pigments synthétiques, les pigments naturels présentent les avantages suivants [34]: (1) la plupart des pigments naturels sont très sûrs et n’ont aucun effet secondaire toxique; (2) beaucoup de pigments naturels retiennent beaucoup de substances actives (telles que les peptides actifs de petite molécule, les acides aminés, les vitamines, les substances aromatiques et certains éléments essentiels) ou sont eux-mêmes une sorte de nutriment. Par exemple, la riboflavine est une sorte de vitamine elle-même, etβ-carotèneA l’activité des vitamines et a une certaine valeur nutritionnelle et des fonctions de santé. (3) certains pigments naturels ont également certaines fonctions pharmacologiques et peuvent prévenir et traiter certaines maladies. Par exemple, le carotène a des effets thérapeutiques sur les maladies cardiovasculaires et les tumeurs; Les anthocyanes ont été transformées en liquide oral à l’étranger qui peut résister aux rayonnements et traiter la fatigue oculaire; Et les pigments de thé ont été utilisés dans des contextes cliniques. [5; (4) les pigments naturels fournissent une coloration plus naturelle, plus proche des couleurs des substances naturelles. On peut constater que les pigments naturels sont devenus un point chaud de la recherche, et le développement et l’utilisation des pigments naturels sont devenus la tendance générale du développement dans l’industrie des pigments.

Les pigments naturels sont largement présents dans divers organismes, y compris les pigments végétaux, les pigments animaux et les pigments microbiens. Il y a deux contraintes àExtraction des pigments des plantes1) la croissance et la reproduction des plantes et des animaux sont affectées par divers facteurs tels que la saison, le climat et le lieu d’origine, et leurs ressources sont limitées; (2) le contenu du produit cible dans la matière première est faible, le processus de production est complexe, le taux d’extraction est faible et le coût est élevé. De nombreux microorganismes dans la nature peuvent produire des pigments de différentes couleurs au cours de processus métaboliques normaux. Les micro-organismes sont divers et répandus; Ils ont de nombreux types métaboliques et de fortes capacités métaboliques; Ils poussent et se reproduisent rapidement et sont faciles à cultiver. Les microorganismes peuvent facilement produire des pigments par la culture et la La fermentationà grande échelle, et ne sont pas limités par les ressources, l’environnement ou l’espace. Ils sont un moyen efficace d’obtenir des pigments cibles de manière efficace et à faible coût. Par conséquent, le développement de pigments microbiens présente des avantages incomparables par rapport aux pigments végétaux et animaux, et attire donc de plus en plus l’attention.

1 progrès de la recherche sur les principaux pigments microbiens

Les pigments microbiens incluent le rouge, l’orange,Jaune, vert, bleu, violet, brun, noir, et diverses couleurs entre les deux.

Les principaux pigments microbiens sont le pigmentde levure rouge de riz, le β-carotène, la mélanine et l’indigo.

1.1 levure rouge pigment de riz

Le pigment de riz de levure rouge est un terme général pour une série de pigments produits par le champignon filamenteux Monascus au cours de son processus métabolique. C’est un composé de polykétide qu’il peut être divisé en trois catégories selon la structure chimique et les propriétés: pigments rouges Monascorubramine et Rubropunctamine, pigments oranges Monascorubin et Rubropunctatin, et pigments jaunes Ankaflavin et Monascin. Les pigments Monascus sont stables aux alcalis, résistants à la chaleur, non affectés par les ions métalliques, les oxydants et les réducteurs, sûrs et ont de bonnes propriétés colorantes. Dans le même temps, le pigment de riz de levure rouge a les avantages de nombreux pigments naturels et est principalement utilisé pour la coloration des produits de viande, des produits de farine, ainsi que des boissons et des assaisonnements. Il est actuellement le seul colorant alimentaire au monde produit par fermentation microbienne.

Levure rouge rizLe pigment est utilisé dans l’industrie alimentaire depuis plus de mille ans. Cependant, son effet colorant est limité car il est instable à la lumière. Certains chercheurs ont ajouté des antioxydants à la levure rouge de riz pigment, mais sa stabilité à la lumière n’a pas été améliorée. D’autres chercheurs ont proposé d’ajouter des substances bioactives telles que des acides aminés et des polypeptides pendant le processus de fermentation, de sorte que lorsque la levure rouge de riz sécrète des enzymes polykétide, les substances de protection de la couleur sont liées à la structure du pigment, améliorant ainsi la stabilité à la lumière du pigment de riz de levure rouge. Dans le même temps, certains chercheurs croient que la méthode d’extraction au solvant organique pour le pigment de riz de levure rouge extrait une petite quantité de pigment avec une faible pureté. Par conséquent, de nombreuses recherches ont été effectuées sur l’amélioration du rendement de la levure rouge de riz pigment. Minghongmei 6 et d’autres ont utilisé une méthode assistée par micro-ondes pour augmenter de 72,2 % le rendement en pigment de riz à levure rouge. Yang Chenglong [7 et d’autres ont utilisé une méthode d’extraction assistée par ultrasons pour extraire le pigment de riz de levure rouge de la fermentation liquide de riz de levure rouge, qui cause moins de dommages structurels aux ingrédients actifs et est facile à utiliser. Rosa M8 et d’autres ont réussi à extraire du pigment de riz de levure rouge par fermentation profonde des substrats de blé; Donghua Jiang [9 et d’autres utilisaient de l’acide acide -γ-aminobutyrique élevé pour produire de la levure de riz rouge.

Avec d’autres recherches sur la solubilité dans l’eau et la résistance à la lumière du pigment de riz de levure rouge, la gamme d’applications pour le pigment de riz de levure rouge deviendra encore plus large.

1.2 β-carotène

Le β-carotène est l’un des nombreux caroténoïdes et est un précurseur de la vitamine a, également connue sous le nom de provitamine. C’est un type de pigment xanthophylle, un composé fortement insaturé qui est insoluble dans l’eau mais soluble dans les solvants organiques. Il contient une série de doubles liaisons conjuguées et de branches méthyle. Sa solution diluée est de couleur jaune orangé à jaune, et la couleur du pigment varie avec le nombre de doubles liaisons conjuguées. Les caroténoïdes ont des avantages pour la santé et sont les additifs colorants alimentaires microbiens les plus prometteurs. Le bêta-carotène est largement présent dans les plantes, les algues et les champignons.

Actuellement, il existe deux méthodes principales pour extraire le β-carotène: l’une consiste àExtrait de β-carotèneEn élevant des algues salines, mais cette méthode nécessite une teneur élevée en sel dans la mer et a de grandes limites dans la production; L’autre est d’utiliserFermentation microbienne pour produire du β-carotène....... Actuellement, les principaux microorganismes qui peuvent fermenter pour produire du β-carotène sont les champignons, les bactéries et les levures [10]. Tang Tang [1 estime que la souche de levure rouge a de faibles besoins nutritionnels, un métabolisme rapide, un cycle de fermentation court, et que les bactéries elles-mêmes sont riches en nutriments, etc., ce qui la rend adaptée à la culture à haute densité dans les fermenteurs et facile à industrialiser. Eon Seon Jin [121, etc., a utilisé l’algue verte Dunaliella salina pour produire des caroténoïdes. Cependant, cette méthode n’a finalement pas abouti à une production industrielle en raison des installations de fermentation coûteuses et des longs délais de recherche toxicologique.

Avec le développement de la technologie de fermentation microbienne, la demande de produits caroténoïdes produits par des méthodes microbiennes augmente d’année en année, ce qui indique que l’utilisation de méthodes microbiennes pour produire du β-carotène aura un bon avenir.

1.3 coloration noire

La coloration noire est un biopigment formé par une série de réactions chimiques de la tyrosine, qui va du brun au noir et existe généralement sous une forme polymérisée. Il est insoluble dans les solutions acides et les solvants organiques courants, soluble dans les solutions alcalines et légèrement soluble dans l’eau [13]. La mélanine est largement présente chez les animaux, les plantes et les micro-organismes. Le pigment noir naturel est extrait d’espèces animales et végétales, principalement à base de sa propriété de dissolution dans des solutions alcalines et de précipitation dans des solutions acides. Le taux d’extraction est faible et la couleur du noir n’est pas bonne, ce qui est coûteux et pas facile à produire industriellement. Cependant, la production de pigment noir à l’aide de méthodes microbiennes n’est pas limitée par des conditions géographiques ou saisonnières, et est plus propice à la production industrielle. Les microorganismes produisant la couleur noire comprennent principalement des bactéries comme les bacilles, les pseudomonades et les bactéries fixatrices d’azote, ainsi que certaines moisissures et actinomycètes. Le pigment noir produit par les micro-organismes est principalement divisé en mélanine liée à la paroi (membrane) et mélanine extracellulaire. Par exemple, Aspergillus Niger sécrète de la mélanine en formant des spores. RCR Pays de Gallesalves[14 et d’autres ont réussi à extraire la mélanine à l’aide d’aspergillus Niger. Dong-Seok Kim[15 a augmenté le rendement de mélanine en régulant la température.

La coloration noire est actuellement principalement utilisée dans les cosmétiques ou les teintures capillaires à des fins décoratives, de protection contre les rayons ultraviolets, de récupération des radicaux libres et comme photoprotecteur dans les biopesticides. En outre, on a constaté ces dernières années que certaines mélanines solubles avaient un effet inhibiteur significatif sur le virus du sida In vitro. Par conséquent, avec le développement rapide de la biotechnologie, l’extraction microbienne de mélanine a de larges perspectives d’application.

1.4 Indigo

Indigo est un brillant, vif et durableColorant bleu insoluble dans l’eau, alcool et éther, mais soluble dans le chloroforme, le nitrobenzène et l’aniline. Il est l’un des premiers pigments naturels découverts et est largement utilisé dans les industries de la teinture, pharmaceutique et alimentaire. Sa méthode de production traditionnelle consiste à l’extraire des plantes du genre Indigo, et après que la structure chimique a été élucidée, il a été synthétisé chimiquement en utilisant l’aniline et l’amide de sodium comme matières premières. Des études ont montré que l’aniline est un cancérogène potentiel. La synthèse microbienne de l’indigo facilite non seulement la modification du processus de production de l’indigo, réduit les coûts et réduit la consommation d’énergie, mais favorise également la recherche sur la dégradation microbienne des composés aromatiques et trouve également de nouvelles façons de développer des colorants synthétiques microbiens.

De nombreuses espèces et souches microbiennes capables de synthétiser l’indigo ont été isolées et identifiées, et bon nombre de ces souches sont des bactéries qui peuvent dégrader les hydrocarbures aromatiques. Par exemple, la souche PpG7 de P. putida, qui utilise le naphtalène comme source de carbone [161], S. monacensis, qui utilise le 1,2,3,4-tétrahydronaphtalène comme source de carbone [17], P. putida mt-2, qui utilise le toluène-xylène ou d’autres dérivés du toluène comme source de carbone [18], la souche dégradant le toluène de Pseudomonas mandelssohnii KRI[19] et les souches dégradant le styrène de Pseudomonas putida S12 et CA-3[20].

La synthèse des pigments d’indigo est le résultat du métabolisme du tryptophane catalysé par la tryptophane hydrolase et une classe de dioxygénases qui peuvent catalyser des composés aromatiques, principalement des monooxygénases et des dioxygénases, qui peuvent ajouter un atome d’oxygène simple ou double à une molécule indole ou dérivé d’indole, respectivement. La naphtalène dioxygénase est l’une des enzymes les plus étudiées dans la biosynthèse de l’indigo. Le clonage du gène de la naphtalène dioxygénase dans une souche bactérienne a permis la synthèse rapide et efficace de l’indigo à partir de l’indole. Cependant, le sous-produit indirubine entravait la production industrielle d’indigo à partir de l’indole. Ce problème a été résolu en clonant le gène de la styrène monooxygénase de Pseudomonas fluorescens, qui ne fait que catalyser la synthèse du 3-hydroxyindole.

Le système de synthèse microbienne de l’indigo doit encore être étudié et développé davantage, par exemple comment construire et sélectionner un système enzymatique raisonnable et des souches artificielles efficaces, optimiser les paramètres de fermentation, l’extraction de l’indigo ou les procédures d’extraction, etc., afin de réduire considérablement les coûts de production et d’améliorer l’efficacité de la production.

2 principaux problèmes avec les pigments microbiens

Actuellement, le nombre dePigments microbiensDécouvert dépasse de loin le nombre de pigments végétaux connus, mais le pigment rouge produit par la levure de riz rouge est le seul pigment au monde qui est utilisé dans l’industrie alimentaire.

2.1 stabilité des propriétés des pigments naturels

Les Pigments sont sensibles à une variété de facteurs physiques et chimiques pendant l’extraction, le traitement et l’application, tels que la lumière, la température, les oxydants et les réducteurs, le pH, les milieux polaires, les ions métalliques et divers additifs, qui peuvent causer des changements dans la teinte, l’absorbance et la fonction physiologique.

2.2 les Pigments s’accompagnent de la production de toxines

Les Pigments sont une sorte de métabolite secondaire produit par des micro-organismes. Ils sont généralement synthétisés au stade avancé de la croissance bactérienne. Cependant, la production de pigments par des micro-organismes s’accompagne souvent de la production de toxines, qui sont sécrétées dans l’espace extracellulaire ou restent à l’intérieur de la cellule. Cela rend souvent le bouillon de fermentation complexe dans la composition, et le processus de purification des pigments est très exigeant. Il est difficile d’obtenir un produit pigment relativement pur en utilisant des méthodes conventionnelles.

2.3 manque de bonnes souches

Le rendement en pigments des souches sauvages est généralement faible. En tant que bactéries de production, elles augmentent non seulement la difficulté de la purification, mais augmentent également l’investissement de produit et réduisent les profits. Par conséquent, il est nécessaire de détecter les souches ayant d’excellentes propriétés telles qu’une forte capacité de reproduction, une culture facile, la production de grandes quantités de produits de fermentation en peu de temps, une production faible ou incomplète de sous-produits et des caractéristiques génétiques stables.

2.4 essais de sécurité

En tant que nouveau développéPigment microbien, il a non seulement des conditions élevées de pureté, mais également des conditions élevées de sécurité. Avant d’être approuvé, il doit y avoir des preuves suffisantes pour prouver que le pigment ne contient pas de toxines. Il s’est avéré non toxique par des tests de toxicité aiguë, des tests de toxicité de sécurité et des tests de toxicité chronique, et il n’a aucun effet mutagène. En outre, il devrait également avoir de multiples fonctions physiologiques telles que la diminution des lipides sanguins et de la pression artérielle, anti-mutagène, antiseptique et de conservation.

2.5 optimisation des conditions d’élevage

Les microorganismes ont des rendements de biomasse cellulaire et de pigments différents dans différents milieux et conditions de culture. Les éléments nutritifs tels que les sources de carbone et d’azote dans le milieu de culture constituent la base de la croissance des microorganismes et de l’accumulation des pigments, et déterminent la direction de la synthèse des pigments. BuzziniPl21], Chen Jianjun[22], Zeng Qiangsong[23], Hu Aihong24], Salguero A[25], Fbregas J[26 les résultats montrent que le milieu de culture optimal et les conditions de culture peuvent augmenter le rendement en pigments microbiens.

2.6 optimisation des méthodes d’épuration

Les principales méthodes d’extraction des pigments naturels sont l’extraction aqueuse, l’extraction par solvant organique, l’extraction alcaline, l’extraction acide, l’extraction supercritique de CO2 et l’extraction par micro-ondes. La méthode d’extraction de l’eau est la plus simple, ne nécessitant aucun équipement spécial et étant facile à utiliser. Cependant, l’efficacité d’extraction est faible et le processus prend beaucoup de temps. La méthode d’extraction au solvant organique utilise des agents d’extraction bon marché, un équipement simple et des procédures de fonctionnement faciles à suivre, et a un taux d’extraction élevé. Cependant, la qualité de certains produits extraits selon cette méthode est médiocre, avec une faible pureté et une odeur désagréable ou un résidu de solvant, ce qui affecte le champ d’application du produit.

L’efficacité principale d’extraction des méthodes d’extraction d’acide et d’alcali n’est pas aussi élevée que celle de l’extraction par solvant organique, et le processus de traitement consomme une grande quantité d’acide et d’alcali, et les déchets liquides sont difficiles à recycler. L’extraction supercritique par fluide au dioxyde de carbone présente les avantages d’un processus d’extraction simple, une faible consommation d’énergie, des agents d’extraction bon marché, une grande pureté du produit extrait, un faible résidu de solvant et aucun effet secondaire toxique, et attire donc de plus en plus l’attention. Cependant, en raison de problèmes tels qu’une technologie imparfaite, des équipements complexes et coûteux et des coûts d’exploitation élevés, le développement et l’application de cette méthode d’extraction dans ce domaine ont été limités. L’extraction par micro-ondes présente l’avantage de pouvoir extraire plusieurs composants d’échantillon en peu de temps, en utilisant une petite quantité de solvant, et d’avoir une bonne reproductibilité. Il offre de larges perspectives pour la recherche d’application. Cependant, il est actuellement limité à la recherche en laboratoire, et son champ d’application a été quelque peu affecté. Par conséquent, afin d’améliorer l’efficacité d’extraction des pigments microbiens naturels et de maintenir l’activité efficace du pigment, la méthode d’extraction doit encore être étudiée.

3 tendances de développement des pigments microbiens

3.1 sélection et sélection d’excellentes souches

Les microorganismes qui produisent des pigments et qui sont isolés et sélectionnés dans la nature ont un faible rendement en pigments et des propriétés instables. D’autre part, la production de pigments s’accompagne souvent de la production d’autres métabolites tels que les toxines. Par conséquent, l’utilisation de techniques de génie génétique pour modifier les souches sauvages est un moyen efficace de sélectionner et de reproduire d’excellentes souches. Par exemple, le génome d’un pigment microbien à haute valeur d’application peut être cloné et transféré à un E. coli qui ne produit pas de pigments, afin qu’il puisse exprimer efficacement les pigments et obtenir une grande quantité de produits pigmentaires.

3.2 amélioration de la technologie de fermentation

La méthode de fermentation traditionnelle pour les pigments microbiens est faible en efficacité de production, exige beaucoup de main-d’œuvre et la qualité est contrôlée. La technologie cellulaire immobilisée présente les avantages d’une densité cellulaire élevée, d’un taux de réaction rapide, d’une bonne stabilité, d’une longue durée de vie, d’une réutilisation et d’une facilité de séparation des produits. Par conséquent, l’utilisation de la technologie d’immobilisation cellulaire, qui combine les avantages de la fermentation à l’état solide et de la fermentation profonde liquide, peut effectivement augmenter le rendement et la valeur de couleur du pigment. La méthode de fermentation après immobilisation peut être optimisée, et les cellules peuvent être immobilisées dans la fermentation liquide dans des conditions optimales pour augmenter le rendement du pigment.

3.3 recherches sur le mécanisme métabolique des pigments

La composition génétique pertinente et les éléments régulateurs du processus de synthèse métabolique des pigments microbiens dans les organismes vivants sont recherchés, et les liens inconnus du métabolisme des pigments sont étudiés en profondeur Des liens inconnus, et explorer des méthodes réglementaires potentielles pour fournir une base théorique pour révéler son mécanisme de synthèse des pigments.

4 Conclusion

Avec l’amélioration des personnes' S le niveau de vie et l’approfondissement de la recherche, il a été progressivement découvert que les pigments naturels ont de multiples effets biologiques tels que l’amélioration de l’immunité humaine, l’antibiose, et antitumorale. Leur développement et leur utilisation ont suscité une attention de plus en plus large, de sorte que la recherche sur les pigments naturels a fait des progrès rapides au cours des dernières années. Cependant,Pigments naturelsLes produits dérivés de sources animales et végétales sont difficiles à produire en grandes quantités en raison des limites des conditions et des rendements. La méthode de fermentation microbienne pour produire des pigments naturels présente des avantages en termes de qualité, de technologie, de ressources et de coût. La levure de riz rouge (Blakeslea trispora) est actuellement le seul champignon filamenteux à haut rendement qui peut atteindre une production industrielle dePigments naturels de sources microbiennes....... D’autres recherches sont nécessaires pour ouvrir l’utilisation d’autres pigments naturels microbiens.

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