Микробиологический синтез натуральных пищевых красителей

В этой загадке зашифрована любимая, и знакомая с детства ягода вишня, обладающая полезными и ценными свойствами.

Продукты питания в процессе переработки обладают способностью терять или изменять свою окраску, что влечет за собой ухудшение их органолептических показателей. С данной проблемой, снижающей спрос на производимые продукты питания, часто сталкиваются организаторы пищевого производства. Для придания продукту привлекательной окраски применяют синтетические и натуральные пищевые красители.

Большинство пищевых красителей, в настоящее время, синтезируют химическим путем, однако не все из них являются безопасными для человека, большинство являются токсичными, и даже проявляют канцерогенные свойства.

Альтернативой искусственным пищевым красителям являются натуральные, которые отличаются отсутствием токсичности, а иногда даже благотворно влияют на организм человека, благодаря содержанию в них биологически активных комплексов: витаминов, органических кислот, гликозидов и ароматических веществ.

Большинство натуральных красителей получают из растительного сырья, содержащего в своем составе соединения органической природы: каротиноиды, флавоноиды, антоцианы, хлорофиллы и другие. Природные красители, чувствительны к действию кислорода воздуха (каротиноиды), влиянию кислот и щелочей (антоцианы) и воздействию температуры, кроме того они подвержены микробиологической порче. Красящие вещества могут содержаться как в пластидах растений, так и быть растворенными в клеточном соке. Большая часть красителей растительного происхождения является производными антрахинона и находиться в клеточном соке в виде гликозидов.

Антоцианы – растительные пигменты, относящиеся к группе фенольных соединений. Окраска антоцианов варьируется в зависимости от pH клеточного содержимого и может изменяться в процессе созревания плодов: при pH < 4 (кислая среда) наблюдают красный цвет, при смещении pH в щелочную среду цвет меняется на голубой, а затем на зеленый. В промышленности антоцианы извлекаются преимущественно из краснокочанной капусты, вишни, кожицы черной смородины и винограда. Таким способом, получают красный и фиолетовый красители, которые активно используются в пищевой промышленности (производство безалкогольных напитков, мороженого, кисломолочных продуктов и в кондитерском производстве).

Каротины и каротиноиды по своей природе являются углеводородами изопреноидного ряда (С40H56) и их кислородсодержащих производных. Химическое строение каротиноидов, содержащих значительное количество двойных сопряженных связей, позволяет предположить, что в растениях они принимают участие в окислительно-восста- новительных процессах. Получают данные соединения путем извлечения их из природных источников: моркови, пальмового дерева, водорослей. Вещества данного ряда устойчивы к изменению pH, но нестабильны при изменении температуры и световых воздействиях. Таким образом, каротины и каротиноиды используют как источник всех оттенков желтого и оранжевого цветов.

Хлорофиллы – зеленые красящие вещества растений, состоящие из сине-зеленого хлорофилла ? и желто-зеленого хлорофилла-?. Молекулы обоих составляющих содержат магний и имеют свойства, характерные для диэфиров. Выделяют хлорофилл из зеленых частей растений органическими растворителями, и в дальнейшем используют в качестве зеленого красителя в пищевой промышленности. Из-за высокой нестабильности хлорофиллов, для повышения их устойчивости осуществляют замену магния на медь. Так получают водорастворимый медный комплекс хлорофилла, являющийся продуктом частичного гидролиза.

Современная биотехнология не стоит на месте и внедряет различные инновации в пищевую промышленность. Так, в последние годы натуральные красители начали получать путем выделения красящих пигментов из продуктов жизнедеятельности биосистем, где роль продуцентов играют, в первую очередь, бактерии, дрожжи и микроводоросли.

В основе экстракции пигментов лежат методы биотехнологии, в частности микробиологический синтез. Преимущество пигментов, получаемых микробиологическим синтезом, состоит в том, что они наиболее устойчивы к свету, высоким температурам, окислению и изменению pH. Многие микроорганизмы в процессе жизнедеятельности способны выделять различные по цвету пигменты. Красный пигмент образуют некоторые бактерии, актиномицеты. Выявлено, что наиболее яркий красный пигмент выделяет распространенная повсеместно неспороносная бактерия Bacterium prodigiosum. Пигмент по наименованию своего продуцента получил название продигиозин.

Желтые пигменты встречаются в культурах стафилококков, микрококков, сарцин, микобактерии.

Синие пигменты выделяются синегнойной палочкой – Bact. pyocyaneum – пигмент именуется пиоцианин, микробами синего молока – Bact. syncyaneum (синцианин), а также актиномицетами вида Act. violaceus, один из пигментов которых назван мицетином.

Фиолетовые пигменты характерны для некоторых бактерий и актиномицетов фиолетовой группы.

Черные и коричневые пигменты выделяют почвенные бактерии, например, азотобактер- микроорганизм, фиксирующий азот атмосферы и обогащающий почву азотом. Различные пигменты имеют определенные места локализации, одни сконцентрированы в цитоплазме микробов, другие – в клеточной оболочке, третьи не задерживаются в организме микроба, а непосредственно выделяются во внешнюю среду. Химическая природа пигментов достаточно сложна и у некоторых до сих пор не изучена.

Однако далеко не все пигменты, синтезируемые микроорганизмами, можно использовать в пищевой промышленность, вследствие содержания в составе пигмента вредных для организма человека веществ. В последние годы наибольшую известность получил пищевой краситель, получаемый из бактерий рода Micrococcus, обитающих в почвах Канарских островов. Технология производства красновато- свекольного красителя проста. Бактерии выращивают 18 ч на минеральной среде с глицерином, являющимся источником углерода и энергии. Далее бактерии отделяют от культуральной жидкости, высушивают и заливают растительным маслом или органическим растворителем, в которые и переходят красящие вещества. Данный краситель активно применяют для получения нежно-розового цвета мороженого или крема. Меняя условия, можно получать фиолетовый, свекольный и оранжевый цвета. Красящий комплекс бактерий рода Micrococcus состоит из каротиноидных пигментов торулина и торулародина, светочувствительного пигмента бактериородопсина и меланинов. Каротиноидные пигменты благодаря своему терпеноидному строению обладают высокой антиоксидантной активностью, из чего следует, что данные вещества защищают клетки от воздействия свободных радикалов и предотвращают клеточное старение. Меланины защищают клетки от воздействия мутагенов и канцерогенов.

В мясной и рыбной промышленности в качестве красителя широко используют красный ферментированный рис. Красный ферментированный рис получают путем ферментации грибами вида Monascus полированного риса. Грибы на поверхности влажного риса выделяют пигмент красного цвета. Полученный красный пигмент стойкий к высоким температурам, не изменяет окраски при использовании, он стойкий к свету, окислению, ионам металлов и изменению рН.

Таким образом, натуральные красители, являющиеся микробиологическими метаболитами, наиболее уникальны среди всех натуральных красителей, поскольку кроме их безопасности для организма человека, они устойчивы к различным факторам внешней среды.

В будущем, микробиологическому производству красителей будет отведена важная роль.

Автор: А. В. Смирнова

Научный руководитель И. Ю. Калугина