L'arte antica incontra la scienza moderna

La fermentazione è una delle più antiche tecnologie alimentari dell'umanità, con evidenza archeologica delle bevande fermentate risalenti a oltre 8.000 anni. Per millenni, le culture di tutto il mondo si affidano all'attività microbica per preservare il cibo, migliorare il sapore e migliorare la digeribilità.

La scienza del colore attraverso la fermentazione

Al suo nucleo, la fermentazione sfrutta i macchinari metabolici dei microrganismi per convertire i substrati semplici in metaboliti secondari complessi. Molti di questi metaboliti sono pigmenti & mdash;molecole che assorbono specifiche lunghezze d'onda di luce visibile e riflettono gli altri. Le classi di pigmento più commercialmente significative prodotte attraverso la fermentazione includono i carotenoidi (gialli al rosso), gli antociani (rosso al viola al blu).

Principali percorsi biochimici

I principali percorsi biosintetici sono responsabili della maggior parte dei coloranti derivati dalla fermentazione.

Microrganismi utilizzati nella fermentazione commerciale

Ogni organismo offre vantaggi unici in termini di profilo del pigmento, tasso di crescita, flessibilità del substrato e accettazione della normativa.

Baccelli

Le specie di batteri di focolaio sono note per la produzione di zeaxantina, un carotenoide giallo usato nel mangime del pollame e nella colorazione degli alimenti Paracoccus carotinifaciens] è una fonte leader di astaxantina, il pigmento rosso responsabile della colorazione dei gamberi e dei gamberi.

Vecchi

[LT] è stato particolarmente attraente per la produzione colorante perché molti sono generalmente riconosciuti come sicuro (GRAS) e hanno protocolli di fermentazione ben consolidati. Blakeslea trispora è un fungo filamentoso — tecnicamente uno stampo simile al lievito — che produce alti rendimenti di licopene e beta-carotene [Flode]

Filamentous Fungi

La mia varietà è stata usata per la produzione di cibo,[FLT:], e [FLT:]

Tipi di coloranti derivati dalla fermentazione

I coloranti naturali commerciali ora coprono quasi l'intero spettro visibile, e la fermentazione è diventata un metodo di produzione primaria per diversi pigmenti chiave.

Carotenoidi

I carotenoidi sono la classe più importante commerciale, con la licopene, il beta-carotene e l'astaxantina che conduce il mercato. La fertilizzazione produce questi pigmenti in una forma purificata, spesso più stabile rispetto all'estrazione vegetale.

Antociani

Mentre la maggior parte delle antociani sono ancora estratte da frutta e verdura, la fermentazione offre un percorso complementare. Escherichia coli] e Saccharomyces cerevisiae sono state progettate con geni vegetali-derived per produrre specifiche antociani, comprese le piattaforme di derivazione delphinidin.

Betalains

Betalains— i betaciani rossi-violetti e i betaxantina gialli trovati in barbabietole, amaranth, e cactus fruit— possono essere prodotti da lieviti che esprimono enzimi P450 di citocromo derivato dalla pianta. Questo approccio elimina i pigmenti terrestri e correlati al geosmin off-flavors associati con estratti di barbabietola e fornisce un profilo più puro, vittura concentrato.

Phycocyanin e altri pigmenti blu

Il blu è il colore naturale più impegnativo per produrre in scala, e la fermentazione è emersa come una soluzione promettente. Phycocyanin, il pigmento blu da cianobatteri e alghe rosse, è tradizionalmente estratto da Spirulina biomassa, ma la coltivazione fermentata di Arthrospira platensis viola

Applicazioni nell'industria alimentare

Coloranti e additivi derivati dalla fermentazione stanno trovando la loro strada in una gamma di categorie di alimenti e bevande in espansione. La loro origine naturale, combinata con stabilità spesso superiore rispetto ai pigmenti estratti, li rende attraenti sia per gli sviluppatori di prodotti che per i consumatori.

Bevande

Bevande antocianee, succhi di frutta e bevande alcoliche usano carotenoidi e antociani derivati dalla fermentazione per ottenere rossi vivaci, arance, gialli e sfumature viola. L'astaxantina e il beta-carotene sono particolarmente popolari nelle miscele di succo e frullati, dove contribuiscono sia a rivendicazioni di colore che antiossidanti. Il pH acido della maggior parte delle bevande favorisce la stabilità antociana, rendendo una scelta fermentata ideale

Confezionamenti e prodotti in forno

Le caramelle, le gommose, le fronde e i prodotti da forno beneficiano della stabilità termica e della tolleranza al pH dei pigmenti derivati dalla fermentazione. Il licopene Blakeslea trispora rimane stabile attraverso la cottura e l'estrusione, fornendo una tonalità rossa coerente in biscotti, torte e barrette per snack.

Alternative a base di latticini e piante

I prodotti caseari fermentati come yogurt, kefir e formaggio hanno una sinergia naturale con coloranti derivati dalla fermentazione. Lactobacillus[]- produzione di antocianina alimentata può essere integrata nella fermentazione stessa, creando yogurt rosa o viola senza alcun ingrediente di colorazione aggiuntivo.

Prodotti di carne e di conserva

Le carni lavorate, gli analoghi a base vegetale e gli snack salati usano coloranti per replicare l'aspetto della carne cotta. L'astaxantina e il licopene forniscono toni rosa a rosso in salsicce, hamburger e fette deli.

Vantaggi Sopra Coloranti sintetici

Il passaggio dai coloranti sintetici ai naturali è guidato dalla domanda del consumatore, dalla pressione normativa e da un crescente corpo di ricerca che collega determinati coloranti sintetici alle preoccupazioni per la salute.

Salute e sicurezza

I coloranti alimentari sintetici come il rosso 40, il giallo 5 e il blu 1 sono stati oggetto di dibattito sui potenziali legami con l'iperattività nei bambini e altri effetti negativi. I coloranti derivati dalla fermentazione, al contrario, sono prodotti da microrganismi che sono o GRAS o hanno una lunga storia di uso sicuro nel cibo. Molti di questi pigmenti possiedono anche proprietà antiossidanti intrinseche, antiossidanti o antimicrobiche, aggiungendo un effetto cognifico funzionale oltre un colore cognitivo.

Sostenibilità

La fermentazione utilizza in modo significativo meno terra, acqua ed energia rispetto all'agricoltura per le piante pigmentate. Un singolo fermentatore in acciaio può produrre più licopene in una settimana rispetto ad un ettaro di pomodori raccolti in una stagione. I substrati per la fermentazione possono includere sottoprodotti agricoli, come il mais ripido liquore, le melasse e la crusca di grano, trasformando i flussi di rifiuti in pigmenti preziosi.

Percezione e Etichettatura dei Consumatori

I consumatori di coloranti di colore puro e di colore naturale possono spesso essere etichettati come "colore naturale", "succo vegetale", o semplicemente il nome del pigmento (ad esempio, "lycopene", "beta-carotene"), che i consumatori riconoscono e si fidano.

Vantaggi funzionali

I carotenoidi prodotti da Blakeslea trispora e Paracoccus carotinifaciens sono spesso in una forma estere stabilizzata che resiste alla stabilità ossida e al degrado della luce meglio che alle piante di carota.

Sfide nella produzione commerciale

Nonostante la promessa di coloranti derivati dalla fermentazione, diversi ostacoli tecnici ed economici devono essere superati per loro di competere testa a testa con sintetici a scala.

Stabilità e coerenza

I sistemi di produzione microbiale sono fabbriche viventi e la loro produzione può variare con sottili cambiamenti nelle condizioni. Mantenere la resa e la qualità dei pigmenti costanti in lotti richiede un controllo rigoroso delle prestazioni di deformazione, della composizione dei media, del pH, della temperatura, dell'ossigeno disciolto e della tempistica di raccolta. Molti pigmenti naturali sono anche sensibili agli estremi di luce, calore e di ingegneria del pH; anche se il funzionamento del fermentatore è perfetto, il pigmento deve essere formulato deve essere formulato per sopravvivere alla matrice alimentare finale deve essere formulato per sopravvivere alla matrice e le sue condizioni di processo.

Scalabilità e costi

Mentre la fermentazione è intrinsecamente scalabile, l'economia è impegnativa. I coloranti sintetici costano penny per chilogrammo, mentre i coloranti naturali possono costare dieci a cento volte di più. I costi a monte dello sviluppo di deformazione, dell'ottimizzazione dei media e delle attrezzature di fermentazione sono elevati, e la depurazione a valle per rimuovere la biomassa, i nutrienti residui e qualsiasi tipo di off-flavors co-f aggiunge ulteriori spese.

Arredo regolatore

Gli Stati Uniti richiedono che qualsiasi sostanza aggiunta al cibo sia generalmente riconosciuta come sicura (GRAS) o approvata come additivo alimentare. Molti pigmenti derivati dalla fermentazione hanno raggiunto lo status GRAS attraverso l'auto-affermazione o la notifica della FDA, ma il processo è lungo e costoso. Nell'Unione Europea, i coloranti naturali devono essere autorizzati come additivi alimentari prodotti (E-studio di sicurezza genetica).

Le direzioni e le innovazioni future

Il campo si sta muovendo rapidamente, con la ricerca e la commercializzazione che accelerano attraverso l'intera catena del valore.

Strain Engineering e Bioprospecting

Gli scienziati stanno usando CRISPR e altri strumenti di elaborazione genica per eliminare le vie competitive, migliorare la sintesi dei pigmenti e introdurre intere vie di pigmento vegetale in host microbici sicuri e in rapida crescita. Il risultato è una crescente libreria di varietà di pigmenti specifici ad alti livelli, con sottoprodotti minimi.

Ottimizzazione dei processi

I progressi nell'ingegneria del bioprocesso stanno riducendo i costi. La fermentazione continua, in cui vengono aggiunti i mezzi freschi e il brodo di contenimento del prodotto viene raccolto continuamente, può aumentare la produttività e ridurre i tempi di fermo rispetto ai processi batch. I sensori in linea per il pH, l'ossigeno disciolto e le concentrazioni di solventi metaboliti consentono il controllo e l'ottimizzazione dei costi in tempo reale.

Applicazioni di meraviglia oltre il cibo

Le stesse piattaforme di fermentazione sviluppate per i coloranti alimentari stanno trovando applicazioni in cosmetici, farmaceutici, tessili e mangimi animali. L'astaxantina per il salmone e il mangime di gamberetti è già un mercato importante, e i carotenoidi derivati dalla fermentazione stanno crescendo nel settore alimentare animale domestico.

Conclusioni

La fermentazione sta ridefinindo ciò che è possibile nel mondo dei coloranti e degli additivi alimentari naturali. Grazie al metabolismo microbico, l'industria può produrre pigmenti vibranti, stabili e sicuri che soddisfano le esigenze dei consumatori e dei regolatori moderni. I vantaggi sono convincenti: benefici per la salute, la sostenibilità, la trasparenza del marchio pulito e le superiorità funzionali che spesso superano sia i coloranti sintetici che gli estratti vegetali.

Per ulteriori informazioni sugli aspetti normativi, vedere ]FDA Food Additive Status List] e ]EFSA Food Colours[]]]. Una rassegna completa dei pigmenti microbici è disponibile attraverso ]] un documento in Biotecnologia Advances.