黑色素的生物合成研究进展

黑色素是一种广泛存在于生物体内的色素，合成过程是一个复杂而精细的生物化学反应。在动植物及微生物中，黑色素的合成通常起始于酚类或吲哚类化合物，这些化合物在特定酶的催化下经历氧化和聚合反应。特别是在黑色素细胞内，酪氨酸在酪氨酸酶的催化作用下，首先被氧化为多巴醌，随后转化为多巴色素。这一过程在多种酶的协同作用下进一步进行，最终多巴色素被转化为黑色素。黑色素的合成过程不仅揭示了生物体内部复杂的化学反应网络，也展现了生物体如何通过这些反应来适应环境并保护自身。

生物合成

1、细菌合成

细菌合成黑色素在学术研究中占据显著地位，以高效、生物相容性好和环保性出色的特性，成为黑色素合成的常用方法。常见用于合成黑色素的细菌包括固氮螺菌、芽孢杆菌、伯克氏菌、生丝单胞菌等，该方法不仅满足大规模生产需求，还适用于生物医学领域，当前，有研究人员正利用基因工程技术，涉及黑色素合成的相关基因精确地整合到目标细菌（如大肠杆菌）中，以此实现在细菌细胞外部直接合成并沉积黑色素的过程。

Gustavsson等利用AIDA自运载体系统将酪氨酸酶（一种催化酪氨酸氧化生成黑色素的酶）表达在大肠杆菌的细胞表面。通过在生物反应器中控制pH、温度和氧化条件，成功地在大肠杆菌表面合成了黑色素，使细胞外层变黑。合成的黑色素具有吸附性能，能吸附水体中的微污染物，如抗疟药氯喹，并且可以通过简单的pH变化实现再生。这项技术为生物修复和可持续生产提供了新的可能性，有助于解决水体环境中药物积累的问题。

Gomez-Marin研究了枯草芽抱杆菌(SacaZtw subtilis)产生含硫黑色素的特性。作者从土壤中分离出一种枯草芽孢杆菌野生菌株，并 通过微生物合成方法从该菌株中提取和纯化黑色素。并且使用了一系列技术，包括热重分析、差示扫描量热法、扫描电子显微镜和电子导电性测量等来表征这种黑色素。研究发现，这种黑色素具有高热稳定性，可在高达400T的温度下保持稳定，并且含有弱结合水 和强结合水2种水分。此外，黑色素在环境条件下表现为绝缘体。这项研究为黑色素的商业规模生产提供了一种替代传统提取和合成方法的微生物合成途径。

2、真菌合成

多种真菌种类具有产生黑色素的能力，这些黑色素在医药、农业和食品工业中具有广泛应用潜力。当前研究主要聚焦于揭示真菌合成黑色素的代谢途径和关键酶，以及通过基因工程手段提高黑色素的产量和纯度。Chen等研究了灰葡萄抱菌(Botrytis cinerea)中黑色素微生物合成的细胞器分布及其自我保护机制。灰葡萄孢菌通过1，8-二羟基萘(DHN)途径合成黑色素，这一过程涉及多个酶和亚细胞结构的精细调控(如图)。研究发现，黑色素合成的关键中间体scytalone在某些突变株中积累，对真菌自身具有抑制作用。通过荧光蛋 白标记和亚细胞定位技术，揭示了黑色素合成酶在过氧化物酶体和内吞体中的分布。这种细胞器间的协调作用不仅提高了酶的效率，还保护真菌免受中间代谢产物的毒性影响。

3、放线菌合成

放线菌作为一种重要的微生物资源，具有合成黑色素的能力。放线菌通过特定的代谢途径和酶系统，能够有效地将前体物质转化为黑色素 。Bayram研究了链霉菌Streptomyces菌株MPPS2胞外脓黑色素(pyomelanin)的生物合成、纯化和特性。此外Polapally等研究了一种名为S.puniceus RHPR9的链霉菌属菌株，该菌株能通过肽胨酵母铁琼脂培养基生产胞外黑色素。在这项研究中利用紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱和核磁共振光谱技术确认了黑色素的合成。

放线菌在合成黑色素方面相较于细菌和真菌，虽因代谢途径局限和研究深度不足而面临挑战，但其独特的生态友好性、代谢能力及基因工程技术的应用潜力为其在该领域的发展开辟了新途径。此外，放线菌合成的黑色素在化妆品、染料和环保等多领域具有潜在应用价值，预示着其广阔的发展前景[2]。

应用研究

长沙臭豆腐传统上色工艺存在易氧化褪色和加速不锈钢设备腐蚀等问题。为探讨长沙臭豆腐上色新途径,本文以酶法合成黑色素为上色原料,研究了溶解黑色素所用pH调节剂、不同pH及添加辅助因子对长沙臭豆腐坯料上色效果的影响,同时,对上色后臭豆腐生坯和油炸后臭豆腐分别进行了颜色稳定性研究和感官评价,并通过分子对接模拟和粒度测定探讨了上色机理。结果表明,溶解黑色素适宜的pH调节剂为碳酸钠,且随着pH升高上色效果显著增强,在pH10.0时达到墨黑色上色效果;以25g/L的麦芽糖醇或山梨糖醇作为上色辅助因子时,可在pH8.5时达到墨黑色的上色效果。黑色素上色后的臭豆腐生坯在空气、清水和卤水中均能保持颜色稳定,而传统工艺制作的长沙臭豆腐生坯在空气中8h后褪色为灰白色;油炸后黑色素上色臭豆腐能保持正常的块型、色泽和风味，黑色素主要通过氢键、cation-π相互作用与豆腐中的7S和11S蛋白形成稳定复合物,辅助因子山梨糖醇、麦芽糖醇和吐温80均能显著减小溶液中黑色素的粒度,且粒度随pH升高呈现降低趋势。相关研究结果为开发可替代以硫酸亚铁为主要着色剂的长沙臭豆腐传统上色工艺提供了新思路和理论依据[1]。

参考文献

[1] 陈焱婷,杜菁,赵士敏,等. 黑色素在长沙臭豆腐加工上色中的应用及机理探究[J]. 食品工业科技,2025,46(13):20-27. DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2024090247.

[2] 刘杨,许梦莹,何春,等. 黑色素的微生物合成及其吸附重金属的研究[J]. 现代化工,2025,45(3):24-28. DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.03.005.