来源：Front Microbiol | 编译：DNA Lab Space
导语
合成色素长期主导市场，但其对健康与环境的负面影响催生了对天然色素的需求。微生物色素因生产周期短、不受季节限制、易于规模化等优势脱颖而出，但其商业化仍受制于高昂的原料成本。近期发表于《Frontiers in Microbiology》的一篇研究进展文章系统评述了将工农业废弃物作为低成本发酵底物生产微生物色素的循环策略，不仅破解了原料“卡脖子”难题，更将废弃物转化为高附加值产品，为生物基色素产业开辟了真正的可持续路径。
研究背景
色素在食品、纺织、化妆品、医药等领域应用广泛。据统计，全球色素市场规模在2022年已超过400亿美元，且仍保持稳步增长。长期以来，合成色素凭借色彩鲜艳、成本低廉和稳定性好等优势占据市场主导地位。然而越来越多的研究证实，许多合成色素在人体内可引发过敏反应、多动症，甚至具有致癌和遗传毒性。与此同时，合成色素在生产过程中依赖石油基原料，排放大量有机溶剂和重金属，对生态环境构成严重威胁。在此背景下，天然色素迅速成为产业升级的焦点。
天然色素可以从植物、动物和微生物中获取。与植物提取相比，微生物色素不受耕地、季节和气候限制，生长速度快，可通过发酵罐在几日内实现高密度培养，产量稳定可控。细菌、真菌、酵母和微藻均能合成种类繁多的色素，如灵菌红素、紫色杆菌素、类胡萝卜素、红曲色素、藻蓝蛋白等。这些微生物色素不仅着色力强，还常兼具抗氧化、抗微生物、免疫调节等生物活性，在功能食品和医药领域展现出广阔前景。
然而，微生物色素的工业化生产始终面临一个核心瓶颈——成本。发酵培养基中的碳源和氮源占总生产成本的比例可达40%–60%。传统工艺大量使用葡萄糖、蔗糖、蛋白胨等精制原料，使得最终产品的市场价格远高于合成色素，严重限制了其市场竞争力。因此，寻求廉价且营养丰富的替代原料成为该领域最为迫切的研究方向。
与“与人争粮”的精制原料路线不同，循环经济思维为微生物色素生产打开了全新维度。全球每年产生数十亿吨农业和食品加工废弃物，其中大部分富含可发酵糖、蛋白质和微量元素，却往往被焚烧、填埋或直接排放，造成资源巨大浪费和环境负担。将这些废弃物转化为微生物发酵的基质，不仅可大幅度降低生产成本，还能实现废弃物减量与资源化利用，完美契合联合国可持续发展目标中的负责任消费与产业创新。该综述从循环经济的视角出发，系统梳理了利用不同来源废弃物生产微生物色素的研究进展，解析了关键技术路线，并展望了其工业化前景。
研究方法
该研究基于文献计量和系统综述方法，全面搜集并分析了近二十年来利用废弃物进行微生物色素发酵的代表性研究。涵盖的废弃物类型包括农业残留物、食品加工副产物、工业废水以及城市有机固废等。在技术路线层面，论文提炼出一条通用的“废弃物—预处理—发酵—提取—精制”的工艺框架。
**废弃物筛选与成分分析。** 研究者首先根据不同微生物色素的合成路径，筛选与之匹配的废弃物基质。例如，产灵菌红素的粘质沙雷氏菌偏好丰富的碳水化合物和脂肪酸，因此富含淀粉的土豆皮、木薯渣或含油脂的花生粕成为理想候选底物。产类胡萝卜素的酵母则需要较高的碳氮比，粮食加工废水或糖蜜废水即能满足要求。废弃物在用于发酵前需要进行全面的成分分析，测定总糖、还原糖、蛋白质、脂肪、灰分及特定微量元素含量，以评估其作为培养基的潜力。
**预处理技术。** 大多数废弃物不能直接用于深层液体发酵，必须经过适度预处理，使大分子营养素释放为微生物可利用的小分子形态。物理预处理主要包括干燥、粉碎、过筛和蒸汽爆破，用于增大比表面积，提高酶解效率。化学预处理常采用稀酸或稀碱水解，将纤维素和半纤维素转化为可发酵单糖。近年来，离子液体和低共熔溶剂因其可回收性和高选择性也逐渐受到关注。生物预处理利用纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶等将多糖水解，条件温和且副产物少，但成本和时间仍是制约因素。许多研究采用组合策略，如酸—酶联合水解，兼顾效率与经济性。预处理后，水解液通常需要经过脱毒处理，去除糠醛、羟甲基糠醛、酚类等抑制微生物生长的化合物，常使用过表达解毒酶或活性炭吸附等方法。
**发酵过程设计与优化。** 固体发酵适用于丝状真菌和部分放线菌，利用废弃固体基质直接作为支撑材料和营养源，如利用米糠、麦麸固态发酵红曲霉生产红曲色素。固体发酵水分活度低，不易污染，且产色素浓度高。而深层液体发酵更易于过程控制和规模化，多数细菌和微藻色素生产采用此模式。研究普遍应用了响应面法、人工神经网络等统计优化工具，对碳氮比、pH、温度、接种量和搅拌转速等参数进行系统优化，最大化色素产量。值得关注的是，高浓度底物补料分批培养和连续发酵策略在废弃物基发酵中展现出巨大优势，能够有效缓解底物抑制效应，维持色素持续合成。
**色素提取与纯化。** 胞内色素的提取通常需要细胞破碎步骤，常用超声、高压均质、珠磨或反复冻融配合有机溶剂萃取。胞外色素则直接通过离心或膜过滤分离发酵液。考虑到食品安全和环保要求，绿色溶剂如乙醇、植物油、超临界二氧化碳等正逐步取代丙酮、氯仿等传统有毒溶剂。后续精制过程可选用大孔吸附树脂柱层析、制备型高效液相色谱或膜分离技术提高色素纯度。
通过这一整套技术路线，研究者成功实现了从废弃物到高纯度微生物色素的闭环转化，多个实例已接近工业化的技术经济可行性。
研究结果
综述汇集的大量案例表明，废弃物基质在产量、成本效益和环境足迹方面均表现出色，甚至在某些情况下超越了传统合成培养基。
在细菌色素方面，粘质沙雷氏菌利用花生粕水解液生产灵菌红素，在优化条件下最高产量达到6.8 g/L，达到葡萄糖培养基产量的90%以上，而原料成本仅为后者的十分之一。紫色杆菌素是另一种极具商业价值的紫色色素，由杜擀氏菌产生。研究发现，利用甘蔗糖蜜和玉米浆作为复合碳氮源，可使紫色杆菌素发酵水平提升至1.2 g/L，且粗提物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌显示出强抗菌活性。这为开发兼具着色和防腐功能的多效纺织助剂奠定了基础。此外，利用乳清渗透液培养光合细菌生产类胡萝卜素的研究同样成果显著，红假单胞菌在干酪乳清废水中可积累占干细胞重量8.5 mg/g的类胡萝卜素，同时将废水的化学需氧量降低78%，一举两得。
真菌色素生产同样受益于废弃物利用。红曲霉以水稻、木薯渣等农副产品为基质进行固态发酵，其莫纳可林K和红色素产量与传统米粉培养基相当，而利用低值碎米和制糖副产物能进一步将成本降低40%以上。三孢布拉氏霉是β-胡萝卜素的工业化生产菌种，通过添加废啤酒酵母水解物和粗甘油，发酵168小时后β-胡萝卜素产量可达3.2 g/L，显著高于纯化学底物对照。深海来源的曲霉利用小麦秸秆碱水解液生产橙黄色素，最高产量达0.49 g/L，并首次鉴定出该色素具有抑制胰脂肪酶的活性，提示其作为功能性抗肥胖食品添加剂的潜力。
微藻色素方面，螺旋藻藻蓝蛋白的生产需要高盐碱性环境和丰富的碳源。利用禽畜废水厌氧消化液稀释后培养极大螺旋藻，藻蓝蛋白含量高达18.3%干重，并同步去除了废水中95%的氨氮和80%的磷酸盐。利用啤酒厂废水和烟气中的二氧化碳混合培养雨生红球藻以积累虾青素，不仅降低了淡水和营养盐投入，使虾青素产量达到细胞干重的4.1%，还实现了全生命周期温室气体减排，显示出循环经济模式在环境与经济维度上的双重收益。
综合来看，废弃物基发酵在技术层面已无不可逾越的障碍。多个研究测算表明，当培养基成本下降50%–80%后，微生物色素的售价可接近甚至低于某些合成色素的市场参考价。同时，全生命周期评价也证实，施用废弃物替代精制原料可显著降低碳足迹和水足迹，避免与粮食生产竞争土地和水资源。
讨论与展望
尽管废弃物到微生物色素的循环路线展现出明确的可行性，但进入大规模工业化之前仍面临一系列挑战。首当其冲的是废弃物的成分波动和季节供应不稳定性。以甘蔗糖蜜为例，不同产地、不同榨季的糖分和无机盐含量可能存在成倍差异，这将直接影响发酵批次的再现性。因此，建立覆盖主要废弃物种类的理化数据库和预处理标准操作规程至关重要。推动区域化分布式处理中心建设，实现废弃物就近收集、预处理和稳定化，可有效对抗供应链风险。
其次，下游提取与纯化的绿色化程度仍待提高。目前许多研究出于成本考量，依旧沿用传统有机溶剂，这可能在终产品中引入有害残留，难以通过食品和化妆品领域的严格法规审核。应加大力度开发可放大的绿色分离技术，如双水相萃取、纳滤、分子蒸馏等，并同步建立从原料到终产品的全过程质量追溯体系。
合成生物学工具的渗透则为该领域注入了全新动力。通过对色素合成途径关键酶的定向进化、底盘细胞的耐受性改造（如增强对抑制物的抗性），以及对废弃物广谱利用模块的整合，极有可能实现直接利用未水解废弃物或混合废弃物的一步式发酵，从而进一步简化流程。例如，构建分泌纤维素酶和半纤维素酶的超级产色素菌株，即可将多糖废弃物直接转化为色素，省去独立酶解步骤。
法规和市场接受度同样是决定成败的关键。微生物色素作为新型食品添加剂或化妆品成分，在欧盟、美国和中国均需通过严格的新资源食品申报或添加剂审批。监管机构往往对源自废弃物的产品持额外审慎态度。因此，在研究和产业化初期即引入危害分析和关键控制点体系，积累毒理学和稳定性数据，将为合规审批扫清障碍。
可以预见，随着“双碳”战略深入推进，循环经济模式下的微生物色素生产将从实验台加速走向产业线。这不仅是降解废弃物、生产高价值色素的绿色制造技术，更是跨行业联产、实现共生共荣的生态经济模式。未来，一座座“生物炼色厂”可能成为城市固废处理中心、食品加工园区乃至农场旁的标准配置，真正将废弃物转化为流淌着色彩的财富。
参考来源
Devi M, Sarma AD, Deka S, Bhattacharyya R, Parasar DP. Waste to wealth: circular approaches for microbial pigment production. *Frontiers in Microbiology*. DOI: 10.3389/fmicb.2024.xxxxxx (具体DOI请以正式发表为准)