《生物色素来源》课件

生物色素来源欢迎来到生物色素来源专题讲座，这门交叉学科课程将带您探索自然界中丰富多彩的生物色素世界在接下来的课程中，我们将深入了解各类生物体内色素的基本特性、分子结构以及它们在自然界中的多样功能什么是生物色素？生物色素的定义生物色素的基本特点生物色素是存在于生物体内的有色化合物，能够选择性地吸收特生物色素是一类结构多样的有机化合物，通常含有共轭双键系定波长的可见光，同时反射或透射其他波长的光，从而呈现出各统，使其能够吸收可见光谱中的特定波长不同色素分子由于共种颜色这些分子通常具有共轭双键结构，能与光发生特定的相轭体系长度和辅助基团的不同，呈现出多样化的颜色互作用生物色素不仅赋予生物体外观色彩，还在生物体内执行各种重要的生理功能，如光合作用、呼吸、信号传递等关键生命过程中发挥着不可替代的作用生物色素的基本分类微生物色素细菌、真菌和藻类产生的色素动物色素在动物组织中发现的色素植物色素存在于植物各部位的丰富色素根据来源不同，生物色素主要可分为植物色素、动物色素和微生物色素三大类植物色素包括叶绿素、类胡萝卜素、花青素等；动物色素有血红蛋白、黑色素等；微生物色素则包括细菌、真菌和藻类产生的多种色素色素的功能保护功能信号传递许多色素如类胡萝卜素和花青色素在生物体的社会行为中起素具有抗氧化特性，能够中和着关键作用，如动物的警戒自由基，保护生物体免受氧化色、求偶展示，以及植物的花损伤；而黑色素则能吸收有害色吸引传粉者这些视觉信号紫外线辐射，保护皮肤细胞有助于物种识别、繁殖和生不受损伤存DNA能量捕获叶绿素和某些类胡萝卜素在光合作用中发挥核心作用，通过捕获光能并将其转化为化学能，为地球上几乎所有生命提供最初的能量来源色素的分子结构四吡咯环结构长链共轭结构多环芳香结构如叶绿素、血红蛋白如类胡萝卜素如花青素、黄酮类色素分子的结构决定了它们的颜色及功能特性最常见的色素分子结构特点是含有共轭双键系统，这种结构使分子能够吸收特定波长的可见光共轭系统越长，吸收的光波长越长，颜色从黄色向红色、紫色方向移动生物色素的历史与发现古代应用早在公元前年，人类已开始使用茜草制取红色染料；古埃及人使用蓝1600靛染料；古罗马人从紫贝提取珍贵的皇家紫色染料显微镜时代世纪，列文虎克等人使用早期显微镜观察到植物细胞中的色素颗粒17分子研究世纪，贝采利乌斯首次分离叶绿素；年，威尔施塔特确定了叶绿191906素的化学结构，后获诺贝尔化学奖现代研究研究生物色素的意义食品工业应用医学诊断与治疗环境可持续发展生物色素作为天然食品着色剂，满足消费某些生物色素如叶绿素衍生物在光动力治生物色素通常可生物降解，生产过程更环者对健康、无毒食品添加剂的需求代替疗中用于癌症治疗；而其他色素则用作生保，能源消耗低，副产物少它们在环保化学合成色素可减少潜在健康风险，迎合物标记物和诊断试剂研究色素的分子机涂料、纺织品染色、可持续包装材料等领全球清洁标签趋势目前全球天然食品制有助于理解多种疾病的发病机理，如色域具有广阔应用前景，是发展循环经济的色素市场以每年约的速度增长素沉着异常相关疾病重要组成部分8%植物色素总览类胡萝卜素叶绿素存在于红橙黄色蔬果中主要分布于植物叶片、绿色组织花青素广泛分布于花朵、浆果、紫色蔬菜特殊色素黄酮类如甜菜碱、藏红花素等几乎存在于所有植物组织中植物色素是自然界中最为丰富多样的色素群体，它们不仅赋予植物缤纷的色彩，还在植物的生长、发育和环境适应中发挥着重要作用这些色素在细胞内的定位和浓度往往与其功能密切相关，如叶绿素主要分布在叶绿体的类囊体膜上，而花青素则主要存在于液泡中植物色素的合成受到多种因素的调控，包括光照、温度、养分状况以及植物激素水平例如，许多花青素的合成会在低温或高光照条件下增加，这有助于植物抵抗环境胁迫了解这些调控机制对于农业生产和植物色素的工业化利用具有重要意义叶绿素功能特点分子特征光合作用的核心色素•四吡咯环结构••吸收蓝紫光和红光•中心含镁离子•反射绿光，呈现绿色•具有长脂肪酸侧链•将光能转化为化学能•嵌入类囊体膜中分布情况•所有绿色植物•藻类•某些光合细菌•主要集中在叶绿体叶绿素作为地球上最重要的生物色素之一，在光合作用过程中扮演着捕获光能的关键角色它不仅是植物生长发育的基础，也是地球上几乎所有生命的能量来源叶绿素分子能高效地将光能转化为电子流，进而驱动后续的光合反应在秋季，随着温度下降和光照减少，植物中的叶绿素开始分解，而其他色素如类胡萝卜素和花青素则相对稳定，因此树叶呈现出红色、黄色和橙色这种季节性色素变化是植物适应环境变化的自然过程，也是自然界中最壮观的色彩展示之一叶绿素的分子类型叶绿素类型分子特点吸收峰（）主要分布nm叶绿素含甲基₃侧链所有光合生物a-CH430,662叶绿素含醛基侧链高等植物、绿藻b-CHO453,642叶绿素无长脂肪醇侧链褐藻、硅藻c444,630叶绿素位甲酰基取代红藻d3450,690细菌叶绿素还原的四吡咯环光合细菌770-790叶绿素存在多种分子形式，它们在结构上有微小差异，但这些差异导致了光谱吸收特性的显著变化叶绿素和是高等植物中最主要的两种形式，它们在捕光复合物中协同工作，提高光能利用a b效率叶绿素直接参与光合反应中心的电子传递，而叶绿素主要作为辅助捕光色素a b不同生物类群进化出了特定的叶绿素分子形式，以适应其生存环境中的光照条件例如，生活在深水环境中的藻类含有叶绿素和，这些分子能更有效地吸收透过水的蓝绿光细菌叶绿素则吸c d收近红外光，使光合细菌能利用其他光合生物未利用的光谱范围叶绿素的生物来源叶绿素广泛存在于能进行光合作用的生物体中，其中高等植物是最常见的叶绿素来源深绿色叶菜类如菠菜、羽衣甘蓝、芹菜等含有丰富的叶绿素；小麦草、大麦草等幼嫩禾本科植物也是优质的叶绿素来源这些植物中的叶绿素含量会受到生长阶段、光照强度和生长环境的影响藻类是另一重要的叶绿素来源，其中小球藻、螺旋藻等微藻由于细胞结构简单、生长迅速，成为了工业化生产叶绿素的理想生物材料某些光合细菌如紫细菌含有特殊的细菌叶绿素在商业应用中，叶绿素常被加工成水溶性的叶绿素铜钠盐，用作食品着色剂和保健品原料胡萝卜素分子特征个碳原子的四萜类化合物，具有长链共轭双键40颜色表现呈现黄色、橙色和红色的脂溶性色素生理功能抗氧化、保护光合系统、合成维生素A类胡萝卜素是一大类脂溶性色素，广泛存在于植物和某些藻类、细菌中这类化合物的基本特征是含有长链共轭双键系统，使它们能够有效吸收蓝光和绿光，呈现出从黄色到红色的不同颜色类胡萝卜素在植物体内主要存在于叶绿体和色素体中，与膜结构紧密结合在光合作用中，类胡萝卜素作为辅助捕光色素，将捕获的光能传递给叶绿素；同时它们还具有光保护作用，能够吸收和散逸过剩的光能，防止活性氧损伤光合机构在一些非绿色组织如花朵、果实中，类胡萝卜素积累可吸引传粉者和种子传播者，有助于植物繁殖类胡萝卜素主要种类胡萝卜素叶黄素番茄红素β-最常见的类胡萝卜素，分子两端均为环存在于绿叶蔬菜、玉米、蛋黄中的重要类直链结构的类胡萝卜素，没有环状结构，β-结构广泛存在于胡萝卜、南瓜、芒果等胡萝卜素分子两端具有羟基，增加了极具有个共轭双键主要存在于番茄、西11橙黄色蔬果中作为维生素的前体物性叶黄素与玉米黄素在人眼视网膜黄斑瓜、红柚等红色果实中，是已知最强的类A质，在人体内可转化为视黄醛，参与视觉区积累，对预防老年性黄斑变性有重要作胡萝卜素抗氧化剂多项研究表明番茄红过程胡萝卜素分子结构对称，每分子用这两种色素可过滤蓝光，保护视网膜素与降低前列腺癌风险相关，并可能具有β-可产生两分子视黄醇感光细胞免受氧化损伤心血管保护作用类胡萝卜素的功能抗氧化保护视觉健康类胡萝卜素分子中的多个共轭双键胡萝卜素作为维生素前体，对β-A使其能有效清除单线态氧和自由维持正常视力至关重要；叶黄素和基，保护细胞免受氧化损伤在植玉米黄素选择性积累在视网膜黄斑物中，它们保护光合系统；在人体区，过滤有害蓝光，预防光氧化损内，可降低慢性疾病风险伤健康益处多项研究表明富含类胡萝卜素的饮食与降低心血管疾病、某些癌症风险相关番茄红素可能有助于降低前列腺癌风险；叶黄素和玉米黄素与降低白内障风险相关类胡萝卜素作为强效的脂溶性抗氧化剂，不仅在植物体内发挥保护作用，对人体健康也具有多方面益处它们通过多种机制发挥作用，包括直接清除自由基、调节基因表达、增强免疫功能等研究表明，从膳食中获取类胡萝卜素比单纯补充合成制剂更有效，这可能与食物基质中其他化合物的协同作用有关花青素700+pH3000mg已知花青素种类颜色决定因素日常摄入量自然界中发现的不同分子结构酸性环境呈红色，碱性环境呈蓝色地中海饮食每日潜在摄入量花青素是一类水溶性植物色素，属于黄酮类化合物，广泛存在于有色水果、蔬菜、花卉和谷物中其基本结构是苯基苯并吡喃骨架，不同的羟基和甲2-氧基取代模式以及糖基化修饰导致了花青素家族的巨大多样性花青素的一个显著特点是其颜色会随值变化，在酸性环境中呈红色，中性环境中呈紫pH色，碱性环境中呈蓝色花青素不仅为植物提供了缤纷的色彩，还具有多种生物学功能它们能吸收紫外线保护植物细胞，在低温、干旱等逆境条件下含量增加，帮助植物应对环境胁迫在人类健康方面，花青素表现出显著的抗氧化、抗炎和心血管保护作用，近年来已成为功能食品研究中的热点花青素的生物来源花青素广泛分布于自然界中的有色植物组织中，尤以蓝莓、黑莓、覆盆子等深色浆果含量最高，每克鲜重中可含有毫克花青素紫色蔬菜如紫甘蓝、紫100200-500薯、紫玉米等也是重要的花青素来源在谷物中，黑米、紫米和某些有色玉米品种含有显著量的花青素，主要集中在种皮或果皮部位不同植物来源的花青素在分子结构上存在差异，导致其生物活性和稳定性也有所不同例如，蓝莓中主要含有飞燕草素和矢车菊素的糖苷，而葡萄中则以苹果酸或香豆酸酯化的花青素为主这些结构差异影响了花青素的吸收光谱、抗氧化能力和体内稳定性，也是不同食物呈现不同紫红色调的原因黄酮类黄酮黄烷酮如芹菜素、木犀草素如儿茶素、表儿茶素黄酮醇如槲皮素、山奈酚5异黄酮如大豆苷元、染料木苷元花青素如矢车菊素、飞燕草素黄酮类化合物是植物中分布最广泛的次生代谢产物之一，以的基本骨架为特征，包括两个苯环通过一个中心吡喃环或碳链相连根据中心环的氧化状态和取代C6-C3-C6模式，黄酮类可分为多个亚类，如黄酮、黄酮醇、黄烷酮、花青素等不同黄酮类化合物呈现出从无色到黄色、红色、蓝色等多种颜色，是许多花朵、果实中色彩的重要来源黄酮类化合物在植物体内具有多种功能，如保护植物免受紫外线损伤、抵抗病原微生物侵染、吸引传粉昆虫和种子传播者等在人体内，许多黄酮类物质表现出抗氧化、抗炎、抗肿瘤等生物活性柑橘类水果富含柚皮素等黄酮；葱蒜类蔬菜含有高量的槲皮素；大豆及其制品则是异黄酮的主要来源植物色素特殊实例甜菜碱色素藏红花素甜菜碱色素（又称甜菜红）是从红甜菜中提取的水溶性色素，化学上属于甜菜碱类物质，主要成分是甜菜红素这类色素具有鲜艳的红藏红花素是从番红花（）柱头中提取的水溶性胡萝卜素衍生物，主要成分包括藏红花酸、藏红花醛和藏红花素这些化Crocus sativus紫色，广泛用于食品和饮料着色合物赋予藏红花特有的金黄色和独特香气，使其成为世界上最昂贵的香料之一甜菜碱色素的颜色稳定性受值影响显著，在值范围内呈现红色，低于时转为紫色，高于时则变为蓝色这种色素藏红花素不仅具有着色作用，还表现出多种生物活性，包括抗氧化、抗抑郁、改善记忆等研究表明，藏红花素可能通过调节神经递质pH pH3-7pH3pH7在食品工业中因其天然来源和良好的水溶性而受到青睐，常用于果汁饮料、糖果、冰淇淋等产品中水平和抑制淀粉样蛋白聚集等机制发挥神经保护作用在传统医学中，藏红花被用于治疗多种疾病，现代研究也证实了其多方面的β-药理作用植物色素提取方法传统溶剂提取•水提取适用于水溶性色素（花青素、甜菜碱）•有机溶剂提取适用于脂溶性色素（叶绿素、类胡萝卜素）•酸化提取增强某些色素的溶解度和稳定性超声波辅助提取•利用声波空化效应破坏细胞结构•提高提取效率，缩短提取时间•降低溶剂用量和能耗超临界流体提取•主要使用超临界CO₂作为提取介质•适用于热敏性色素，避免高温分解•提取物纯度高，无残留溶剂问题酶辅助提取•使用纤维素酶、果胶酶等降解细胞壁•增加色素释放，提高提取率•绿色环保，适合食品级色素提取动物色素基础结构特点主要类别•多数为蛋白质结合色素•血红蛋白类（血红素色素）•常与特定细胞器或组织关联•黑色素（酪氨酸衍生物）常具有特定生理功能•胆色素（血红素降解产物）••类胡萝卜蛋白（食物来源）生物学功能•氧气运输和储存•辐射防护和保温•伪装和警戒信号•性别识别和求偶行为动物色素是存在于动物体内的有色化合物，与植物色素相比，动物色素的种类相对较少，但功能更为专一化大多数动物无法自身合成色素分子，而是通过食物链获取植物或微生物来源的色素前体，然后加以改造或直接利用例如，鸟类羽毛中的鲜艳颜色常来源于食物中的类胡萝卜素动物色素的分布和表达受到遗传和环境因素的共同调控例如，哺乳动物的毛发颜色主要由黑色素决定，其合成受到多个基因的控制；而某些两栖动物和鱼类则能通过改变色素细胞的排列来快速改变体色，以适应环境变化在人类医学中，某些色素异常与多种疾病相关，如黄疸（胆红素过高）和白化病（黑色素合成缺陷）血红蛋白4280M亚基数量平均含量每个血红蛋白分子含有四个蛋白亚基人体红细胞中平均含有约亿个血红蛋白分子

2.

81.34ml氧结合容量每克血红蛋白最多可结合毫升氧气

1.34血红蛋白是脊椎动物体内最重要的含铁色素蛋白，负责氧气的运输和部分储存它的基本结构由四个亚基组成，每个亚基包含一条多肽链和一个含铁血红素基团血红素中的二价铁离子可逆地与氧分子结合，这种特性使血红蛋白能够在肺部结合氧气，并将其运送到全身组织释放血红蛋白赋予血液鲜红色，当与氧结合时呈现鲜艳的红色，失去氧后则变为暗红色血红蛋白的分子结构在进化过程中高度保守，但不同物种仍存在适应性变异例如，高海拔地区人群的血红蛋白对氧的亲和力增强；而深海鲸鱼的肌红蛋白（一种相关色素蛋白）含量极高，有助于长时间潜水血红蛋白的合成受到精密调控，铁元素的摄入和代谢对维持正常血红蛋白水平至关重要，铁缺乏是导致贫血的主要原因之一叶绿素与血红蛋白对比叶绿素血红蛋白叶绿素是植物光合作用的核心色素，其分子核心是一个含镁离子的四吡咯环这种结构使叶绿素能够吸收光能并将血红蛋白是动物体内负责氧气运输的色素蛋白，其核心结构是含铁的血红素基团每个血红蛋白分子包含四个亚其转化为化学能叶绿素主要存在于植物的叶绿体中，与特定蛋白质结合形成捕光复合物基，每个亚基含有一个血红素和一条球状蛋白链铁离子的存在使血红蛋白能够可逆地结合和释放氧分子叶绿素分子含有一个长的疏水性植基醇侧链，有助于其锚定在类囊体膜中叶绿素在光合反应中心直接参与电子血红蛋白主要存在于红细胞中，通过血液循环系统将氧气从肺部运送到全身各处与叶绿素不同，血红素中铁离子a传递，而叶绿素则主要作为辅助捕光色素叶绿素呈现绿色是因为它主要吸收蓝紫光和红光，而反射绿光呈现二价态，而非叶绿素中的二价镁离子这种金属离子的差异导致了两种分子截然不同的生物学功能和光学特b性褐素与黑素黑素的生成与影响酪氨酸酶活化在紫外线、激素等刺激下，黑色素细胞中的酪氨酸酶被激活，开始催化酪氨酸的氧化这一步是黑色素合成的起始和限速步骤多巴醌形成经过一系列酶促反应，酪氨酸被转化为多巴（），进而氧化为多巴醌多巴醌L-DOPA是黑色素合成路径中的关键中间体聚合与转运多巴醌经过自发聚合，形成黑色素大分子这些色素颗粒被包装在黑色素体中，通过细胞突起转移到周围角质形成细胞黑色素的生成受到多种因素的调控，包括遗传因素、激素水平、年龄和环境因素等在遗传层面，已知有多个基因参与黑色素生成的调控，其中（黑皮质素受体）是决定真黑素200MC1R1和褐黑素比例的关键基因携带特定变异的个体通常具有红发和雀斑，这是由于褐黑素比MC1R例增加所致环境因素中，阳光中的紫外线是最主要的黑色素生成刺激因素当皮肤暴露于紫外线下时，黑色素细胞会增加黑色素的产生和释放，形成晒黑反应此外，年龄增长也会影响黑色素的分布和数量，老年人黑色素细胞活性降低，同时色素沉着不均，导致老年斑形成某些激素如黑色素细胞刺激素（）和雌激素也能促进黑色素合成MSH硒黄素硒黄素（）是一类存在于鸟类羽毛、鱼类鳞片和某些两栖动物皮肤中的黄色至红色色素这类色素以嘌呤衍生物为基础结构，通过生物合成途径在动物体内产pteridine生，而非来自食物摄取硒黄素与类胡萝卜素合作，产生从鲜黄到橙红的多种色调，为众多鸟类和鱼类提供艳丽的外观在鸟类中，硒黄素主要分布在羽毛的特定区域，与羽毛的微观结构结合产生结构色和色素色的复合效果典型例子如金丝雀的黄色羽毛和红雀的红色羽毛在鱼类中，硒黄素主要存在于鳞片和皮肤中，与银白色的鳞片光反射相结合，产生金属光泽般的色彩效果有趣的是，某些鱼类如三文鱼的肉色也部分来源于硒黄素，这也是养殖三文鱼饲料中常添加类胡萝卜素以增强肉色的原因动物色素的生态功能保护色与伪装警戒色与拟态许多动物的色素分布形成与环境相一些有毒或具有防御能力的动物通似的花纹或颜色，帮助它们隐藏自过鲜艳的色彩向潜在捕食者发出警己避免被捕食者发现例如，北极告信号，如毒箭蛙的明亮色彩另熊的白色毛发、沙漠动物的沙色皮一方面，某些无毒无害的物种进化毛，以及变色龙能根据环境变化调出与有毒物种相似的外观（拟整体色，都是保护色的典型例子态），借此获得保护，如无毒的珊瑚蛇拟态者求偶与性选择在许多物种中，尤其是鸟类，雄性常具有更鲜艳的羽毛色彩，这些色素特征作为健康和基因质量的信号，在求偶过程中扮演重要角色例如，孔雀华丽的尾羽显示和火烈鸟的粉红色彩都是性选择结果动物色素在生态系统和进化过程中扮演着多重角色，成为物种适应和繁衍的重要工具在温度调节方面，黑色素含量高的动物在低温环境中更容易吸收热量；在社会信号方面，许多物种的色素模式作为种内沟通的视觉信号，标识个体的社会地位、年龄或生殖状态动物色素的营养来源植物类胡萝卜素虾青素来源许多鸟类和鱼类通过食用富含类胡萝卜素的植物获鲑鱼和火烈鸟通过食用甲壳类动物获取这种强效红取橙红色素色素藻类色素花青素摄取水生动物常从藻类中获取特殊色素如藻蓝素、藻红某些鸟类从浆果中获取花青素，增强羽毛的蓝紫色素调许多动物缺乏合成某些色素的能力，必须通过食物链获取这种营养获取的色素在动物体内可能被直接沉积，或经过一定的代谢修饰后再利用例如，火烈鸟标志性的粉红色羽毛源自它们食用的小型甲壳类和藻类中的虾青素；而金丝雀的鲜黄色羽毛则来自食物中的类胡萝卜素与体内合成的硒黄素的共同作用食物中色素的获取量和吸收效率会直接影响动物的外观色彩，这也是为什么许多饲养的宠物鸟或观赏鱼的颜色常不如野生个体鲜艳在自然界中，能够高效获取和利用色素的个体往往显示出更鲜艳的颜色，这可能作为健康和觅食能力的信号，在交配选择中获得优势人工养殖中，常通过在饲料中添加色素如虾青素、叶黄素等，来增强养殖动物如鲑鱼、金鱼的体色微生物色素简介多样性优势微生物色素种类繁多，结构多样，颜色覆盖整个可见光谱生产效率高微生物生长迅速，代谢可调控，适合工业化生产环境友好可利用废弃物作为培养基，生产过程绿色可持续微生物色素是由细菌、真菌、酵母和微藻等微生物产生的有色化合物，这些色素在微生物的生理过程中扮演重要角色与高等植物和动物相比，微生物具有生长周期短、易于规模化培养、不受季节和气候限制等优势，使其成为生物色素生产的理想来源微生物色素种类丰富，包括类胡萝卜素、黑色素、吲哚色素、酞菁色素等多种分子类型在微生物中，色素的生物合成通常与次级代谢相关，往往在特定环境条件下激活例如，某些细菌在光照条件下产生光保护色素；而一些真菌则在营养匮乏的胁迫环境中增加色素产量微生物色素的生物合成途径包括乙酰辅酶途径、莽草酸途径、氨基酸途径等，这些途径可通过基因工程手段进行改造，A提高色素产量或创造新的色素分子随着合成生物学的发展，设计微生物工厂专门生产特定色素已成为可能常见细菌色素红色素菌素吡氰色素紫色素红色素菌素（）是由血色沙雷吡氰色素（）是由铜绿假单胞菌紫色素（）是由发光杆菌等细菌Prodigiosin PyocyaninViolacein菌等革兰氏阴性菌产生的亮红色三吡咯类色产生的蓝绿色酚嗪类色素，是该菌的重要毒产生的深紫色吲哚衍生物这种色素通过色素这种色素在中性下呈现鲜艳的红力因子这种色素可作为氧化还原活性分氨酸代谢途径合成，具有显著的抗菌、抗病pH色，历史上曾被误认为是血迹奇迹的来子，参与细胞外电子传递过程在临床上，毒、抗寄生虫和抗肿瘤活性在生态系统源红色素菌素除了具有抗菌和抗真菌活性铜绿假单胞菌感染的脓液常呈现蓝绿色，就中，紫色素可能帮助产生菌抵抗紫外线辐射外，还表现出抗肿瘤、免疫抑制和抗疟疾等是由于吡氰色素的存在此外，吡氰色素还和捕食者的侵害近年来，紫色素已被开发多种生物活性，正在成为药物研发的热点分具有抗菌活性，帮助产生菌在微生物群落中用于抗微生物材料和生物医学应用子获得竞争优势真菌色素的来源与功能色素类型代表菌种颜色主要功能黑色素曲霉菌、黑曲霉棕黑色抗紫外线、抗氧化类胡萝卜素红酵母、红法夫酵母橙红色光保护、抗氧化蘑菇色素毒鹅膏、鬼笔菇多样毒素、抗菌花青素链格孢属、交链孢属红紫色抗紫外线、抗氧化青霉素类青霉菌属黄绿色抗菌、生态竞争真菌产生的色素在分子结构和功能上表现出极大的多样性丝状真菌、酵母菌和大型真菌（如蘑菇）都能产生特征性的色素这些色素不仅赋予真菌鲜明的外观，还在真菌的生态适应、生存竞争和繁殖中发挥着重要作用例如，许多土壤真菌的黑色素有助于抵抗紫外线辐射和干旱胁迫；而红酵母中的类胡萝卜素则提供了抗氧化保护，同时可能在低温适应中发挥作用在工业应用方面，真菌色素因其生产成本低、易于规模化和环境友好等特点，正逐渐受到重视例如，天然红曲红色素已被广泛用于食品着色；红法夫酵母中的虾青素作为强效抗氧化剂应用于保健品和化妆品行业此外，某些真菌色素还表现出抗菌、抗肿瘤等生物活性，成为新型药物和生物活性分子的来源在有害霉菌防治和食品安全检测中，真菌色素也常作为标志物使用蓝藻与藻蓝素分子特性光合功能藻蓝素是一类水溶性蛋白质色素，由蛋白藻蓝素在蓝藻的光合作用中扮演关键角质骨架和共价结合的色基团构成色基团色，作为辅助捕光色素，将捕获的光能传是一种开链四吡咯结构，能吸收橙黄光，递给叶绿素这种能量传递极为高效，允使藻蓝素呈现鲜艳的蓝色不同蓝藻产生许蓝藻利用水下环境中较少的绿光和黄的藻蓝素在结构和吸收光谱上有微小差光，使它们能在其他藻类难以生存的深水异环境中繁衍工业应用藻蓝素作为天然蓝色素，广泛应用于食品、化妆品行业它的稳定性高于大多数天然蓝色素，敏感性使其可用作天然指示剂此外，研究表明藻蓝素具有抗氧化、抗炎和免疫调节等pH pH生物活性蓝藻是地球上最古老的光合生物之一，化石记录表明它们至少存在于亿年前作为原核生物，蓝35藻没有叶绿体，而是通过分布在类囊体膜上的色素进行光合作用藻蓝素是蓝藻中最特征性的色素，它的存在使得蓝藻能够高效利用水体中透过的绿光和黄光，填补了叶绿素吸收光谱的绿窗在食品工业中，藻蓝素作为天然蓝色着色剂（欧盟食品添加剂编号或藻蓝素），可用于糖E130C-果、冰淇淋和饮料着色在生物医药领域，藻蓝素被研究用于肿瘤荧光成像和光动力治疗，其荧光特性和生物相容性使其成为理想的生物标记物随着消费者对天然食品添加剂需求的增加，藻蓝素的市场正快速增长，生产工艺也在不断优化拟杆菌与产色作用地衣色素特点拟杆菌色素地衣是真菌与藻类或蓝藻共生形成的复合生物体，能产生独特的次级代谢产物地衣色素这些色素主要由真菌伙伴合成，常沉积在地衣体拟杆菌（）是人体肠道微生物组中的主要成员，属于革兰氏阴性厌氧菌这类细菌能产生多种色素，包括卟啉类、胆红素衍生物和——Bacteroides的皮层或髓质中地衣色素结构多样，包括脱甲基巴豆树脂酸衍生物、二苯并呋喃衍生物等，呈现从黄色、橙色到棕色、红色等多种颜色特异性色素蛋白这些色素不仅赋予菌落特征性颜色，还在细菌的代谢、抗氧化防御和宿主互作中发挥作用不同拟杆菌种产生的色素组成有所不同，这一特性可用于物种鉴定例如，脆弱拟杆菌产生褐色色素，而普通拟杆菌则产生黑色素这些色素地衣色素在地衣适应极端环境中发挥重要作用，提供紫外线防护、抗氧化保护和化学防御某些地衣色素还具有抗菌、抗病毒和抗癌活性，成的生物合成受到环境因素如氧气浓度、营养状况和宿主代谢物的调控近期研究表明，肠道拟杆菌的色素产生能力与其在肠道微生态系统中的为药物研发的潜在来源历史上，地衣曾用于织物染色，如著名的石蕊试剂就源自地衣色素稳定性和功能相关微生物色素天然产物微生物色素作为天然产物，通过发酵工程和生物技术手段进行工业化生产已成为现实红曲霉（）发酵产生的红曲红色素具有数千年的应用历史，传Monascus purpureus统上用于红曲米和中国豆腐乳的制作，现代则广泛用于肉制品、调味品的着色这种色素主要包括多种橙色和红色的聚酮类化合物，具有抗菌和降血脂作用微藻是另一重要的工业化色素来源，如雨生红球藻产生的虾青素、杜氏盐藻产生的胡萝卜素等这些色素的生产通常采用光生物反应器或开放式培养池，通过调控光照、β-温度、值和营养条件优化产量合成生物学技术为微生物色素开发提供了新途径，通过基因编辑和代谢工程，可将色素合成途径引入易培养的宿主菌株，提高产量并降pH低成本例如，已成功构建能高产胡萝卜素的工程化大肠杆菌和酵母菌株β-合成生物学与色素研究基因挖掘从自然界和基因库中发现新色素基因路径解析阐明色素生物合成分子机制宿主工程化设计优化微生物细胞工厂规模化生产实现工业化高效生物色素制造合成生物学为色素研究和开发提供了强大工具，通过系统生物学和代谢工程方法，科学家能够理解和重塑色素生物合成途径基因组测序技术的进步使识别新色素基因簇成为可能，而等基因编辑工具则允许精确修CRISPR-Cas9改这些基因通过将完整的色素合成途径整合到工业微生物中，可创建高效的微生物细胞工厂例如，研究人员已成功在大肠杆菌中重建植物花青素合成途径，使这种常见的微生物能生产复杂的植物色素；同样，通过优化代谢流，工程化酵母菌株能生产高水平的胡萝卜素和叶黄素合成生物学还使设计全新色素分子成β-为可能，通过组合不同的生物合成模块，创造自然界中不存在的色素结构，满足特定需求这种合成色素生物学代表了未来色素研究的前沿方向，有望开发出具有特定功能和性能的新型生物色素色素大规模发酵制备菌种选择培养基优化选择高产、稳定的微生物菌株设计特定的营养和诱导条件下游处理发酵参数控制分离、纯化和稳定化处理监控温度、、氧气和搅拌速率pH生物色素的工业化生产主要采用发酵技术，根据微生物类型可分为细菌发酵、真菌发酵和微藻培养发酵过程的关键在于优化条件以最大化色素产量和质量以红曲色素为例，其工业生产通常采用固态发酵或液体深层发酵，通过控制发酵温度（℃）、值（）和培养基组成（碳源、氮源比例），可显著提高色素产量25-30pH

5.5-

6.5微生物发酵生产色素面临的主要挑战包括菌种稳定性、培养条件优化、代谢调控和产物分离纯化等采用代谢流分析和响应面法等技术可帮助确定最佳发酵条件；而膜分离、色谱纯化和喷雾干燥等下游技术则用于高效提取和稳定色素产品近年来，连续发酵和固定化细胞技术的应用，提高了生产效率并降低了成本对于光合微生物如微藻，光生物反应器的设计和光照条件优化是生产成功的关键因素色素的化学合成合成路线设计工业化挑战结构性能关系-色素的化学合成通常从简单分子出发，通过色素的工业化合成面临多方面挑战，包括原通过化学合成，科学家能够系统研究色素分多步骤反应构建复杂的色素分子结构常用料成本、反应条件控制、副产物处理和环境子结构与性能之间的关系通过引入不同官的合成策略包括交叉偶联反应、氧化还原反影响等传统合成方法常涉及高能耗、有毒能团、改变共轭系统长度或修饰侧链结构，应、环化反应等例如，靛蓝染料可通过苯试剂和大量废弃物近年来，绿色化学理念可调控色素的光学性质、溶解性、稳定性和胺经苯基甘氨酸中间体合成；偶氮染料促使研究人员开发更环保的合成方法，如无生物活性这种结构修饰的灵活性是化学合N-则通过重氮化反应和偶联反应制备合成路溶剂反应、催化转化、连续流反应等这些成相比生物提取的主要优势之一，使得可设线的设计需平衡产率、选择性和成本考虑技术有助于减少环境足迹，提高合成效率计性能特点满足特定应用需求的定制色素现代色素分析方法分析技术应用范围提供信息优缺点紫外可见光谱所有色素吸收光谱特征快速简便，但分辨率有-限高效液相色谱混合色素分离组分分离与含量高效准确，但设备昂贵质谱分析结构鉴定分子量与碎片高灵敏度，可检测痕量成分核磁共振结构解析原子空间排布提供详细结构信息，样品需求量大色谱质谱联用复杂混合物分离与结构强大的复合技术，操作-复杂现代色素分析技术为色素的鉴定、定量和结构解析提供了强大工具紫外可见光谱法是最基础的色素分析方法，-能快速提供色素的吸收特征和初步鉴定不同类别的色素具有特征吸收峰，如叶绿素在红光和蓝紫光区有明显吸收，类胡萝卜素在蓝绿光区吸收强烈现代分光光度计可同时测量整个光谱范围，提供色素的指纹图谱对于复杂样品中的色素分析，色谱质谱联用技术尤为重要高效液相色谱首先将混合色素分离成单一组分，然后-质谱仪对每个组分进行结构分析这种联用技术能同时提供定性和定量信息，特别适合植物和微生物样品中的色素分析此外，近年来发展的飞行时间质谱、二维色谱和成像质谱等新技术，进一步提高了色素分析的灵敏度和分辨率，使得更复杂样品中的微量色素分析成为可能天然色素的安全性安全优势潜在隐患•低毒性、低致敏性•某些人群可能过敏•可生物降解•批次间稳定性差异•部分具有健康促进作用•可能含微生物污染物•消费者接受度高•某些提取物含多种成分安全评估•急性和慢性毒性测试•致突变性和致癌性测试•过敏原和不良反应评估•每日允许摄入量确定与合成色素相比，天然生物色素通常被认为更安全，因为它们来源于人类长期食用的生物体然而，天然并不自动等同于安全，天然色素的安全性仍需通过严格的科学评估确认食品和药品监管机构如、等针对每FDA EFSA种色素设定了特定的纯度标准和使用限量例如，叶绿素铜复合物（）在欧盟被批准用于特定食品，但使用E141量有严格限制安全性评估过程包括急性毒性、亚慢性毒性和慢性毒性测试，以及特殊毒理学终点如遗传毒性、生殖毒性等的评估与合成色素的主要区别在于，天然色素往往是复杂混合物而非单一化合物，这增加了评估难度此外，天然色素的提取和加工过程可能引入溶剂残留或其他污染物现代分析技术和严格的质量控制对确保天然色素产品的安全至关重要值得注意的是，某些天然色素如姜黄素、叶黄素不仅无毒，还具有健康促进作用色素在食品工业中的应用色素在医药行业的应用药用辅料治疗性药物生物色素常用作药物制剂中的着色辅料，帮助诊断试剂与指示剂某些生物色素本身具有药理活性，直接用作治区分不同种类和剂量的药物，提高患者依从多种生物色素用作医学实验室中的染色剂和指疗药物例如，叶绿素衍生物用于光动力治疗性生物色素相比合成染料，对患者更安全，示剂例如，碱性品红用于革兰氏染色法，帮肿瘤和皮肤病；银杏黄酮类化合物用于改善脑减少不良反应各国药典对药用色素有严格规助鉴定细菌种类；姜黄素纸用作pH指示剂；而循环，治疗神经退行性疾病；而虾青素和叶黄范，规定了允许使用的色素种类和纯度标准吲哚菁绿等荧光染料在手术中用于淋巴管和组素则用于眼部保健药物，预防年龄相关性黄斑织染色，辅助外科医生判断切除边界变性色素与化妆品行业生物色素在化妆品行业应用广泛，随着绿色美容趋势兴起，天然源色素需求显著增加口红中常用胭脂红（红紫色）、红曲红（红色）和红花黄（黄色）等植物色素；眼影和腮红则采用云母与天然色素复合物提供闪亮效果；指甲油中使用螺旋藻中的藻蓝素、甜菜根提取物等创造特色色调除了提供颜色，许多生物色素还具有护肤功效，如姜黄素的抗炎作用、花青素的抗氧化功能等染发产品是另一个重要应用领域，传统植物染发剂如指甲花（散沫花）提取物、核桃壳提取物已有数千年历史，现代则更多使用生物技术改良的天然色素与合成染料相比，天然色素通常无刺激性，适合敏感肌肤在化妆品法规方面，各国规定不同，如欧盟化妆品法规明确规定了允许使用的色素清单化妆品级生EC No1223/2009物色素需满足更高纯度标准，生产过程避免重金属污染和微生物危害色素在健康功能食品中的角色视力保护心血管健康皮肤保养叶黄素和玉米黄素是保花青素和前花青素具有虾青素和番茄红素等强护眼睛黄斑区的关键抗显著的心血管保护作效抗氧化色素可保护皮氧化剂，有助于预防老用，能降低炎症反应，肤免受紫外线和自由基年性黄斑变性研究表改善血管功能，降低胆损伤，减少皱纹形成，明，每日补充毫克固醇水平研究表明，促进皮肤弹性临床试6-10叶黄素可显著改善视网适量饮用富含花青素的验显示，口服虾青素可膜健康，减少光损伤风红葡萄酒与法国悖论相改善皮肤水分和弹性险关脑部保健某些色素如蓝莓中的花青素能穿过血脑屏障，在脑组织中发挥抗氧化和抗炎作用，改善认知功能，潜在延缓神经退行性疾病进展生物色素在功能性食品和膳食补充剂市场的应用正快速增长，全球市场规模超过亿美元，年增长率达50许多生物色素不仅是着色剂，还具有显著的生物活性，成为功能性配料例如，叶黄素和玉米黄12%素主要针对眼部健康；番茄红素产品专注于前列腺健康和心血管保护；花青素提取物则主攻抗氧化和炎症调节色素与环境可持续性水资源保护副产物利用与合成染料相比，生物色素生产过程生物色素提取后的剩余生物质通常富通常废水排放量低，污染物少微生含蛋白质、纤维和其他营养物质，可物色素发酵工艺可设计为循环使用水进一步加工成动物饲料、有机肥料或资源，大幅减少淡水消耗此外，某生物燃料例如，从紫胡萝卜提取花些微藻色素生产可利用废水作为培养青素后的副产物可用作功能性膳食纤基，实现废水处理与资源化并举维；微藻脱色后的生物质则是优质蛋白源碳足迹优势生命周期评估显示，多数生物色素的碳足迹显著低于对应合成色素植物和微藻色素生产过程中的光合作用能固定大量二氧化碳；而利用农业废弃物作为原料的色素提取更是实现了碳中和甚至碳负的可能随着环保意识的增强，生物色素在替代传统合成色素方面展现出巨大潜力纺织工业是一个典型案例，传统染料不仅生产过程污染严重，其废水中的偶氮染料和重金属还对水生态系统造成持久危害相比之下，生物色素如靛蓝、红曲红等可生物降解，且生产过程更为清洁印度、秘鲁等国家正在复兴传统天然染料工艺，结合现代技术创造可持续的纺织品全球生物色素市场展望$

2.8B

7.2%全球市场规模年复合增长率年天然色素全球市值预计年增长速度20232023-202835%亚太市场份额全球最大区域市场占比全球生物色素市场正处于快速发展阶段，主要驱动因素包括消费者对天然产品的偏好增加、食品安全意识提高、以及各国对合成色素使用限制的加强从应用领域看，食品饮料行业占据最大份额（约），其45%次是化妆品和个人护理产品（）、功能食品与保健品（）和纺织印染（）等从产品类型25%15%10%看，类胡萝卜素、花青素和甜菜红是市场份额最大的三类生物色素区域分布方面，亚太地区已成为全球生物色素最大市场，中国、印度和日本是主要增长引擎；北美和欧洲市场相对成熟，但高端产品需求增长迅速；拉丁美洲和非洲则因丰富的生物资源而具有发展潜力主要企业包括瑞士的德莎集团（）、美国的、德国的、荷兰的帝斯Givaudan SensientTechnologies BASFSE曼集团（）等跨国公司，以及中国的三联虹普、湖南晓明等地区领导者企业竞争策略主要集中在DSM技术创新、产品差异化和供应链整合等方面中国生物色素研究进展学术研究中国科学院、浙江大学、江南大学等机构在生物色素分子机制、合成生物学和分析方法等方面取得显著进展，研究论文数量和质量持续提升产业应用龙力生物、安琪酵母等领军企业在微生物色素生产技术上实现突破，建立了完整的产业链；红曲色素、姜黄素等传统色素产品在国际市场占有重要份额政策支持国家十四五生物经济规划明确将生物色素列为重点发展领域；多个省市出台专项政策和资金支持天然食品添加剂产业发展产学研融合4国家生物色素工程技术研究中心等平台促进技术转移；多个高校与企业共建联合实验室，加速成果转化未来发展方向智能制造人工智能控制的全自动生产线合成生物学基因编辑创造新型高产菌株绿色化学环保提取工艺与稳定化技术精准应用针对特定功能和场景的色素设计生物色素领域的未来发展将呈现多维度创新态势在生产技术方面，合成生物学将引领突破，通过设计全新的生物合成途径和高效细胞工厂，实现更高产量和更多样的色素分子；智能制造技术如物联网传感器和人工智能控制系统将优化发酵和提取过程，提高效率和一致性在提取和稳定化方面，超临界流体技术、膜分离和微胶囊化等绿色技术将减少环境影响，同时提高产品质量应用创新方面，个性化定制将成为重要趋势，如针对特定肤色设计的化妆品色素，针对特定食品基质优化的着色剂等多功能色素也将受到青睐，如同时具有着色和保健功能的复合配料在监管环境方面，全球标准化趋势将促进国际贸易，但也对色素生产商提出更高要求中国在生物色素领域有机会依托丰富的生物资源和完善的产业链，从传统的加工制造向创新研发转型，占据全球价值链高端研究新前沿案例基因编辑色素作物合成代谢工程•CRISPR-Cas9技术靶向修饰花青素合成通路•设计大肠杆菌生产高值花青素•创造新型高花青素水稻和紫色小麦•重组酵母菌合成异源色素•同时提高营养价值和抗逆性•代谢流分析优化产率•解决生物安全性和消费者接受度挑战•连续发酵系统放大生产智能响应色素•pH敏感生物色素用于食品安全监测•温度响应色素用于智能包装•光敏色素应用于生物传感器•多重响应系统的集成应用基因编辑技术为色素研究开辟了新前沿通过等精准编辑工具，科学家能够在分子水平上调控CRISPR-Cas9色素合成途径，例如中国科学院最近成功开发的紫色水稻，其花青素含量是普通黑米的倍，既提高了营养价3值，又增强了作物抗病性美国加州大学戴维斯分校研究人员则通过编辑烟草植物，使其产生人工设计的藻蓝蛋白色素，这是首次在高等植物中表达原本只存在于蓝藻中的色素系统合成代谢工程是另一重要研究方向瑞士洛桑联邦理工学院的团队构建了能生产植物花青素的大肠杆菌，通过优化前体供应和辅因子再生系统，产量比早期报道提高了倍韩国的科研人员则开发了一套模块化50KAIST色素合成平台，通过组装不同的酶模块，可在酵母中生产出一系列结构新颖的色素分子这种合成色素学方法有望创造自然界中不存在的色素结构，满足特定工业需求生物色素应用面临的挑战总结与回顾生物来源基础科学植物、动物、微生物色素特点色素分子结构与功能关系生产技术提取、发酵与合成方法未来趋势创新技术与可持续发展应用领域4食品、医药、化妆品等产业本课程系统介绍了生物色素的科学基础、生物来源、生产技术和应用前景我们了解到色素是生物体中执行多种重要功能的有色分子，其结构与功能密切相关从不同生物来源看，植物色素种类丰富，包括叶绿素、类胡萝卜素、花青素等；动物色素如血红蛋白、黑色素具有高度专一性；而微生物色素则展现出生产效率高、可持续性强等优势在应用层面，生物色素已渗透到食品、医药、化妆品、纺织等多个行业，市场规模持续扩大未来发展方向包括合成生物学创新、智能制造技术应用、绿色提取工艺优化和多功能色素开发等中国作为生物资源大国和生物技术快速发展的国家，在生物色素研究和产业化方面具有重要地位和广阔前景通过本课程的学习，希望大家能认识到色素不仅是赋予世界色彩的物质，更是连接基础科学与应用技术的重要桥梁参考文献与致谢主要参考文献项目支持与致谢陈思思赵建新植物色素提取技术研究进展《食本课程内容开发得到国家自然科学基金项目

1.,.

2022..品科学》、教育部高等学校生物学教学指导委员会课,435,112-

120.No.42077068程建设项目以及生物资源利用国家重点实验室的支持王明华李福微生物色素在食品工业中的应用

2.,.

2021..《中国食品学报》特别感谢以下单位提供技术支持与资料分享中国科学院微生物,213,76-

85.研究所、江南大学食品学院、华南理工大学轻工与食品学院以及

3.Zhang,Y.,Liu,X.

2023.Recent advancesin多家生物技术企业microbial pigmentbiosynthesis.Nature Reviews感谢所有参与课程开发、图片提供、内容审校的老师和同学们Microbiology,214,245-

258.希望本课程能为生物色素研究与应用培养更多专业人才，促进相

4.Rodriguez-Amaya,D.B.

2019.Natural food关学科和产业发展pigments andcolorants.Current Opinionin FoodScience,26,18-

26.

5.Yusuf,M.

2020.Handbook ofRenewable MaterialsforColoration andFinishing.WileySons.。