番茄擊敗人工色素

作者：毛貽軍

從19世紀開始興起的化學合成工業，在20世紀達到高潮。從此我們的日常生活當中，從用的一直到吃的，都充斥著人工合成的化學物質。可以說我們生活在一個人造化學物質的世界裡面，須臾不可分。其中最顯著的如塑料﹑化肥﹑化學藥物，為我們的生活帶來了極大的便利，甚至讓人類徹底消滅了飢餓和很多疾病。但是，當人工合成化學品侵入到我們的食品裡面的時候，卻給人類健康帶來了潛在的威脅。其中，於1856年發明的人工色素就一直是為人所詬病的主要對象。

由於現代食品加工以及化妝品工業的極度發達，為了迎合消費者對於色澤的要求，人工色素的使用一度達到了泛濫成災的地步。這種濫用隨著時間而逐漸展現其惡果，現在基本確認人工色素在進入人體並沉積下來之後，大都對健康具有一定的危害。因此現代消費者已經意識到有必要排斥人工色素，重新回歸天然色素。但由於濫用人工色素的根本原因，還是在於天然色素的生產成本一般都比人工色素要高，所以找到廉價的天然色素生產方式的問題，擺在了染料工業研究人員的面前。

多姿多彩的天然色素

傳統的天然色素的來源非常廣泛，包括植物色素﹑動物色素﹑和微生物色素。由於很多的蔬菜﹑水果和香辛料都具有種類繁多的天然色素，因此植物色素是天然色素的主要來源。來自植物的天然色素主要包括花青素﹑葉綠素﹑薑黃素﹑甜菜紅，以及類胡蘿蔔素等種類。

其中花青素廣泛存在於植物界，能夠呈現紅色到藍色的多種色素，其最主要的生產來源是葡萄皮，每年在歐洲就有1萬噸的葡萄皮被用來抽取花青素，能夠達到大約50噸的花青素成品。不過由於花青素會隨著PH值而發生變色，因此一般主要用於清涼飲料﹑蜜餞﹑糖果等食品當中，也可以用於把酸性的發酵乳調成藍莓的顏色。

由於現代消費者對於綠色的偏好，使得葉綠素也成為研究人員的發展對象，但是要用葉綠素作色素，有一個很大的困難就是它很不穩定，溫度和光照都能輕易地破壞它，因此目前一般只應用於冰激凌和牙膏等少數產品上面。

甜菜紅來自甜菜的根，而薑黃素來自生薑。由於甜菜紅對PH值敏感，也不能承受高溫滅菌處理；薑黃素則不溶於水，其在生薑裡面的含量也不高，因此在實際應用當中，都具有一定的局限性。

天然色素當中使用最多的﹑也最為人熟知的是類胡蘿蔔素。它廣泛存在於各種植物當中，例如海藻當中的海藻黃素，綠葉當中的葉黃素﹑紫黃素﹑新葉黃素，番茄當中的番茄紅，紅辣椒當中的辣椒紅﹑辣椒玉紅素，以及胭脂樹籽所含的胭脂樹籽紅，都是屬於類胡蘿蔔素，只是由於其分子結構上所帶的β-芷香酮的不同而不同。目前已知自然界存在超過600種類胡蘿蔔素，其所呈現的顏色從黃﹑橘黃，一直到紅色都有，是由其中所包含的共軛雙鍵的數目決定的。

林林總總的類胡蘿蔔素當中，最古老﹑最昂貴的是藏紅花素，早在公元前23世紀就出現了使用其作為色素的記載。它作為色素是非常合適的，因為它溶於水，染色能力強，更重要的是它對光照﹑氧化作用﹑微生物﹑PH值的變化都非常穩定，但它的產量很難提高，因為它來自藏紅花的柱頭，需要15萬朵花才能夠獲得1公斤的色素，成本決定了它難以得到大規模的應用。在類胡蘿蔔素裡面應用最多的是胭脂樹籽紅。

胭脂樹籽紅來自胭脂樹的種子外層，這種胭脂樹原產北美大陸，早期印第安人就已經開始提取胭脂樹籽紅作為食用色素。由於胭脂樹籽紅能夠溶於油脂，對PH值和熱都比較穩定，只是對氧化﹑金屬﹑光照以及二氧化硫敏感，所以現在被廣泛地應用於食品和化妝品當中，目前在所有天然色素的全球產量裡面它排第二。

天然色素的新工廠

不過所有這些天然色素都面臨一個問題，就是它們在植物體內的天然含量都不是很高，算是比較高的如胭脂樹籽紅也只有約2%的含量，這就意味著難以在大幅度地提高產量的同時，降低生產成本，這點是無法和人工化學合成的色素相比的。由於目前每年全球食用色素的市場總值達到近10億美元，其中人工合成色素仍然佔有4億美元的份額，再加上人工合成的天然色素所佔有的2億多美元的份額，因此隨著消費者越來越偏好用天然色素替代合成色素的產品，仍有巨大的市場空間有待天然色素來開拓。

要降低天然色素的生產成本，只有兩個途徑：一是尋找新的在植物體內具有高含量的天然色素種類；二是尋找現有天然色素的新的生產方法。前一種途徑受限於大自然，因為如果大自然本身不存在具有高含量的合適的色素的植物品種，那麼一切搜尋工作都會是徒勞的。后一個途徑呢，由於現有植物的色素固有含量是一定的，再怎麼提高生產技術，只可能降低一定的生產成本，卻不可能獲得產量上的突破，因此似乎也看不到什麼前途。不過，現代的基因工程技術卻給人們帶來了前所未有的新的可能性。

要運用基因工程技術來提高象色素這樣的低分子量天然產物的產量，其基本的原理就是：首先要搞清楚天然產物在植物體內的合成途徑，看植物自身生產該產物所使用的原料是什麼，也就是生物合成該產物的前體是什麼，然後看在植物體內整個的合成途徑中，需要涉及到哪些酶，因為酶可以說是生物製造工廠裡面最主要的生產工具。然後再找到與那些酶對應的基因，把那些基因複製出來，插入到低成本而高產量的宿主植物的DNA序列當中，使得該宿主植物在從自身DNA開始加工自身所具有的蛋白質的時候，順便也生產出插入基因所決定的酶，這樣在宿主植物體內就有可能由這些酶而生產出我們需要的天然產物出來，而從這種宿主植物當中提取該產物，和從原來的植物當中提取相比，能夠獲得高得多的產量。

最近，一組法國的科學家正是成功地運用基因工程的技術，獲得了大量生產胭脂樹籽紅的嶄新方法。他們首先分析了胭脂樹籽紅在胭脂樹裡面生物合成的途徑，發現胭脂樹籽紅的前體居然就是番茄紅素，而番茄紅素本身作為一種天然色素很容易被氧化降解，因此限制了它的廣泛應用。而研究人員發現，胭脂樹還對番茄紅素進一步加工，通過三種關鍵的酶的作用，使得番茄紅素逐步被改造為胭脂樹籽紅。

然後研究人員把這三種酶的基因找了出來，複製為DNA片斷，再把這些片斷插入到大腸桿菌的DNA序列當中，使得這些外來的基因也能夠被大腸桿菌當成自己的基因，一樣得到大腸桿菌的複製和用來製造相應的蛋白質。而這些作為宿主的大腸桿菌已經預先經過類似的加工，使得它們能夠製造番茄紅素，這樣在這些被改造過的大腸桿菌體內，就同時擁有了製造胭脂樹籽紅的原料和加工機器。不出所料，研究人員最終發現這些大腸桿菌也能夠順利地生產出胭脂樹籽紅！再把這些胭脂樹籽紅抽取出來，進行化學分析，結果是和由胭脂樹生產的完全一樣。

大腸桿菌生產胭脂樹籽紅的能力並不弱，能夠達到在乾重時，每克大腸桿菌提取5毫克胭脂樹籽紅。當然這還不能顯示基因工程技術的優勢，研究人員下一步的工作計劃，就是直接把那三種製造胭脂樹籽紅的酶的基因，插入到番茄的基因組裡面去，這樣就可以直接利用番茄自身大量生產的番茄紅素來製造胭脂樹籽紅。考慮到番茄能夠在低成本下大量栽培生產，那麼利用這種經過基因改造的番茄，未來肯定能夠大量而廉價地生產胭脂樹籽紅。

目前除了胭脂樹籽紅之外，世界各國的研究人員也正在探索其他種類的天然色素的基因工程生產方法，可以樂觀地估計，隨著我們對於那些五彩繽紛的天然色素的生物合成過程有了越來越多的了解，就一定能夠通過已經很成熟的基因工程技術，獲得大規模生產天然色素的新方法，這對於徹底拋棄人工合成色素，無疑是最徹底的方法，這個方面的進步也將成為人類告別化學合成時代，進入生物合成時代的一個里程碑。

引自：http://www.ikosmos.name/