Ферментация в производстве натуральных пищевых красителей и добавок

Фикоцианин и другие голубые пигменты

Синий является наиболее сложным натуральным цветом для производства в масштабе, и ферментация возникла как перспективное решение. Фикоцианин, синий пигмент из цианобактерий и красных водорослей, традиционно извлекается из биомассы Спирулина , но ферментированное культивирование Артроспира тромбоцис позволяет более контролируемое и эффективное производство. Кроме того, бактериальный пигмент виолацин (глубоко фиолетово-голубой) из Хромобактерия violaceum и Джантинобактерия ливидум находится под следствием как стабильный синий краситель, хотя одобрение регулирующих органов все еще находится на рассмотрении во многих регионах.

Приложения в пищевой промышленности

Цветовые добавки и красители, полученные из ферментации, попадают в расширяющийся спектр категорий продуктов питания и напитков. Их естественное происхождение в сочетании с часто превосходящей стабильностью по сравнению с экстрагированными пигментами делает их привлекательными как для разработчиков продуктов, так и для потребителей.

Напитки

Мягкие напитки, спортивные напитки, фруктовые соки и алкогольные напитки используют каротиноиды и антоцианы, полученные путем ферментации, для достижения ярких красных, оранжевых, желтых и фиолетовых оттенков. Астаксантин и бета-каротин особенно популярны в соковых смесях и смузи, где они способствуют как цвету, так и антиоксидантным требованиям. Кислый рН большинства напитков способствует стабильности антоцианов, что делает ферментированные антоцианы идеальным выбором для прозрачных и пасмурных напитков.

Кондитерские изделия и запеченные товары

Конфеты, чайки, морозильники и выпечка получают пользу от теплостойкости и переносимости рН пигментов, полученных путем ферментации. Ликопин из триспоры Blakeslea остается стабильным благодаря выпечке и экструзии, обеспечивая постоянный красный оттенок в печенье, пирожных и закусочных. Беталайны из инженерных дрожжей предлагают чистую альтернативу экстрактам свеклы в зефирах и твердых конфетах без земляного послевкусия. Фикоцианин и инженерные синие антоцианы позволяют первое поколение действительно синих натуральных кондитерских изделий.

Молочные и растительные альтернативы

Ферментированные молочные продукты, такие как йогурт, кефир и сыр, имеют естественную синергию с красителями, полученными из ферментации. Производство антоцианов, приводимое в действие ферментацией, может быть интегрировано в сам фермент, создавая розовый или фиолетовый йогурт без добавления красящего ингредиента. В растительном молоке, йогуртах и сырах также используются каротиноиды и фикоцианин, чтобы соответствовать ожиданиям потребителей окраски. Растущий спрос на растительные молочные альтернативы ускорил принятие пигментов, полученных из ферментации, поскольку эти продукты часто не имеют естественной пигментации аналогов животного происхождения.

Многие пигменты, полученные при ферментации, обеспечивают преимущества стабильности по сравнению с их экстрагированными аналогами. Каротиноиды, производимые триспорой Blakeslea и Paracoccus carotinifaciens, часто находятся в стабилизированной, этерифицированной форме, которая сопротивляется окислению и деградации света лучше, чем свободные каротиноиды из растений. В инженерных беталаинах из дрожжей отсутствуют ферментные системы, которые приводят к потемнению пигмента в экстрактах свеклы. Фикоцианин из контролируемой ферментации улучшил термическую стабильность, что позволяет использовать его в таких приложениях, как выпечка и горячие напитки, которые ранее были запрещены для синих натуральных цветов.

Проблемы в коммерческом производстве

Несмотря на обещание ферментационных красителей, для них необходимо преодолеть ряд технических и экономических препятствий, чтобы конкурировать с синтетическими красителями в масштабе.

Стабильность и последовательность

Микробные системы производства — это живые фабрики, и их выход может варьироваться с незначительными изменениями условий. Поддержание последовательного выхода и качества пигмента в партиях требует строгого контроля производительности штамма, состава среды, pH, температуры, растворенного кислорода и времени сбора урожая. Многие природные пигменты также чувствительны к экстремальным значениям света, тепла и pH; даже если работа ферментатора совершенна, готовый пигмент должен быть сформулирован, чтобы выжить в целевой пищевой матрице и ее условиях обработки. Инкапсуляция, эмульсия и матричная инженерия являются активными областями исследований для продления срока годности и диапазона применения цветов, полученных из ферментации.

Масштабируемость и стоимость

Хотя ферментация по своей сути масштабируема, экономика является сложной. Синтетические красители стоят копейки за килограмм, в то время как натуральные красители могут стоить в десять-сто раз больше. Расходы на разработку штаммов, оптимизацию среды и оборудование для ферментации высоки, а очистка нижнего течения для удаления биомассы, остаточных питательных веществ и любых совместно производимых не ароматизаторов добавляет дополнительные расходы. Экономия масштаба улучшается по мере инвестиций в сектор, но цветные красители, полученные из ферментации, остаются премиальным ингредиентом. Стратегии снижения затрат включают использование недорогих субстратов, увеличение титра пигмента посредством разработки штаммов и развитие непрерывных или высококлеточных процессов ферментации.

Регуляторные проблемы

В Соединенных Штатах FDA требует, чтобы любое вещество, добавленное в пищу, было признано безопасным (GRAS) или одобрено в качестве пищевой добавки. Многие пигменты, полученные в результате ферментации, достигли статуса GRAS благодаря самоутверждению или уведомлению FDA, но процесс является длительным и дорогостоящим. В Европейском союзе натуральные красители должны быть разрешены в качестве пищевых добавок (E-номера) и соответствовать строгим критериям чистоты. Новые красители, производимые генетически модифицированными микроорганизмами, сталкиваются с еще более высоким регуляторным контролем, требующим обширных исследований безопасности и, в ЕС, одобрения в соответствии с новым регламентом пищевых продуктов. Эти нормативные расходы являются значительным барьером для входа для мелких производителей.

Будущие направления и инновации

Область быстро развивается, а исследования и коммерциализация ускоряются по всей цепочке создания стоимости.

Инженерия и биоразведка

Метаболическая инженерия и синтетическая биология открывают новые границы. Ученые используют CRISPR и другие инструменты редактирования генов, чтобы выбить конкурентные пути, повысить регулирование синтеза пигментов и ввести целые пути пигментации растений в безопасные, быстрорастущие микробные хозяева. Результатом является растущая библиотека штаммов, которые производят специфические пигменты при высоких титрах, с минимальными побочными продуктами. Биопоиск и поиск новых пигмент-производящих микробов в экстремальных условиях, таких как горячие источники, глубоководные вентиляционные отверстия и арктический лед. дает новые пигменты с уникальной стабильностью и цветовыми свойствами. Цель - палитра натуральных цветов, которые могут соответствовать цене, производительности и разнообразию синтетики.

Оптимизация процессов

Достижения в области биопроцессостроения снижают затраты. Непрерывная ферментация, при которой добавляются свежие среды и непрерывно собирают продуктсодержащий отвар, может повысить производительность и сократить время простоя по сравнению с пакетными процессами. Поточные датчики для pH, растворенного кислорода и концентрации метаболитов позволяют контролировать и оптимизировать в режиме реального времени. Также улучшается обработка в нисходящем потоке с мембранной фильтрацией, центробежной хроматографией разделов и адсорбционной смолой, обеспечивающей восстановление пигментов высокой чистоты без использования органических растворителей. Эти инновации сужают разрыв в стоимости синтетическими красителями.

Новые приложения за пределами еды

Те же платформы для ферментации, разработанные для пищевых красителей, находят применение в косметике, фармацевтике, текстиле и кормах для животных. Астаксантин для лосося и креветок уже является крупным рынком, а в секторе кормов для домашних животных растут каротиноиды, полученные путем ферментации. Тенденция к чистому маркированию распространяется на продукты личной гигиены, где натуральные пигменты из микробных источников заменяют синтетические красители в помадах, тенях для глаз и лосьонах. По мере развития технологии межсекторальные применения будут способствовать дальнейшему масштабированию и снижению затрат на пигменты пищевого качества.

Заключение

Ферментация переопределяет то, что возможно в мире натуральных пищевых красителей и добавок. Используя микробный метаболизм, промышленность может производить яркие, стабильные и безопасные пигменты, которые отвечают требованиям современных потребителей и регуляторов. Преимущества неоспоримы: польза для здоровья, устойчивость, прозрачность чистых этикеток и функциональное превосходство, которые часто превосходят как синтетические красители, так и растительные экстракты. Проблемы остаются в стоимости, стабильности и одобрении регулирующих органов, но быстрый прогресс в разработке штаммов, оптимизации процессов и биоразведке неуклонно сокращает разрыв. По мере того, как глобальная продовольственная система переходит к ингредиентам, которые являются более здоровыми для людей и планеты, ферментационные красители выделяются как решение, основанное на традициях, основанное на науке и готовое к будущему.

Для дальнейшего чтения по регуляторным аспектам см. FDA Food Additive Status List и EFSA Food Colours руководство. Всесторонний обзор микробных пигментов доступен через документ в области биотехнологических достижений. Перспективы отрасли в отношении тенденции к чистой марки освещаются IFT’s Food Technology magazine.