食品及其原料中的黑色素研究進(jìn)展

沈玥祺，吳文標(biāo)

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715）

黑色素是含芳香基團(tuán)的高分子聚合物，它吸收可見(jiàn)光（一般可采用分光光度計(jì)在405 nm等處測(cè)定吸光度以檢測(cè)黑色素的含量），具有黑色特征[1]。一定量的黑色素賦予食品黑色，各類消費(fèi)者對(duì)于“黑色的天然/加工食品”的接受程度變得越來(lái)越高，近年來(lái)甚至有將“黑色的天然/加工食品”作為健康食品標(biāo)志的趨勢(shì)。黑色素在食品中分布廣泛，普通人群對(duì)黑色素的攝入量達(dá)到約10 g/d[2?3]。奧利奧黑色餅干的每年世界消費(fèi)次數(shù)達(dá)到75億以上，其年銷售額達(dá)到20億美元以上，是目前世界消費(fèi)量最大的餅干品種[4?5]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織預(yù)測(cè)到2023年具黑色的紅茶年增長(zhǎng)率將達(dá)到2.9%，總產(chǎn)量達(dá)到417萬(wàn)噸，產(chǎn)值達(dá)到10億美金以上[6]。黑色的咖啡在全球市場(chǎng)的銷售額達(dá)到1730億美金[7]；黑色的巧克力在全球市場(chǎng)的銷售額預(yù)計(jì)至2026年將達(dá)到1899.9億美金[8]；黑色的可口可樂(lè)在2020年的全球銷售額達(dá)到715億元[9]，此外，還有許多具有黑顏色的暢銷食品或飲料。

目前，越來(lái)越多的研究表明許多存在于食品及其原料中的黑色素（定義為食品黑色素）對(duì)人體健康有利。對(duì)于“黑色食品”的基礎(chǔ)應(yīng)用以及開(kāi)發(fā)研究正日益增長(zhǎng)。例如，利用墨魚(yú)汁[10?11]、紅茶[12]、食用菌[8,13]和其它各種食品或食品原料[14]所含的黑色素開(kāi)發(fā)功能食品和食用色素。常見(jiàn)的食品黑色素主要有三種：天然食品黑色素、美拉德反應(yīng)生成黑色素和焦糖型黑色素。本文就上述三類黑色素的食品來(lái)源、組成及結(jié)構(gòu)、功能特性和食用安全性等方面進(jìn)行綜述。

1 生物體內(nèi)合成的天然食品黑色素

黑色素廣泛地存在于天然黑色食品中，例如，各種類別的黑米、黑豆、黑麥、各類黑色水果（如黑莓、桑葚）、黑玉米、黑色真菌（如黑木耳）、黑藻類（如紫菜）、黑肉（如烏雞肉）、黑色魚(yú)皮、黑色發(fā)酵食品（如黑豆豉）和黑色螞蟻等昆蟲(chóng)，其分布的廣泛性使得天然黑色素的種類、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有一定差異，從而表現(xiàn)出特異性。因此，以下根據(jù)天然食品黑色素不同來(lái)源分為形成黑色素的前體物質(zhì)、動(dòng)物黑色素、植物黑色素、食用菌黑色素、細(xì)菌黑色素和昆蟲(chóng)黑色素幾個(gè)方面分別論述。

1.1 天然食品黑色素的前體物質(zhì)

圖1中展示的是天然食品黑色素在生物體內(nèi)合成的主要或最常見(jiàn)的前體物質(zhì)。以L-酪氨酸和L-多巴為前體物質(zhì)可形成真黑素（eumelanin），L-多巴可由L-酪氨酸衍生而來(lái)。一般而言，以5-硫-半胱氨-多巴為前體物質(zhì)可形成假黑（褐）色素（pheomelanin），這類色素中，有的可能會(huì)增加癌癥風(fēng)險(xiǎn)，具有危害食品安全方面的風(fēng)險(xiǎn)，需要嚴(yán)格控制其在食品中的含量[15?17]；以多巴胺和5-硫-半胱氨-多巴胺為前體物質(zhì)可形成神經(jīng)黑色素，這類色素在非人靈長(zhǎng)動(dòng)物大腦中有少量存在，在許多低等動(dòng)物組織中及其它食品或原料中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)[18]。以N-乙酰-多巴胺為前體物質(zhì)可形成昆蟲(chóng)類黑色素，其在食物中作為色素的適用性可能取決于可食昆蟲(chóng)作為食品資源的發(fā)展?jié)摿19]。以兒茶酚為前體物質(zhì)可以生成植物類兒茶酚-黑色素，此類色素的顏色為黑褐色至完全黑色，在紅茶中的黑色素可能主要屬于這類色素。由于其分布廣泛，特別是加工或儲(chǔ)藏過(guò)程中的酶促或非酶促褐變產(chǎn)生的黑色或褐色物質(zhì)都屬于此類色素，所以其隨日常飲食被攝入的概率較高。以1,8-二羥基萘（DHN）為前體物質(zhì)可生成真菌類DHN類-黑色素，有的可能會(huì)成為毒性因子，進(jìn)而存在危害食品安全方面的風(fēng)險(xiǎn)，需要監(jiān)測(cè)其含量[20?22]。以4-谷氨酰胺基羥基苯（GHB）為前體物質(zhì)可形成蘑菇類GHB類-黑色素（此類色素既可能在食用菌中形成，也可能在致病菌中形成，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該小心區(qū)分；雖然基本只在蘑菇中發(fā)現(xiàn)此類色素，但其不一定是蘑菇中存在的唯一黑色素）。以2,5-二羥苯乙酸（HGA）為前體物質(zhì)可形成膿黑素（pyomelanin）多為細(xì)菌黑色素，通常因?yàn)橹虏【纳L(zhǎng)而產(chǎn)生，有的可能會(huì)成為毒性因子，從而產(chǎn)生危害食品安全方面的風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)其含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)很重要[23?24]。

圖1 天然黑色素在生物體內(nèi)合成的主要前體物質(zhì)Fig.1 Main precursors of forming melanin in bio-tissues

1.2 動(dòng)物黑色素

在一些動(dòng)物體內(nèi)，以酪氨酸為前體物質(zhì)形成黑色素是主要途徑。這種途徑主要產(chǎn)生褐色至黑色的真黑色素。真黑色素是一種高分子聚合物，由于其溶解性較差且不易分解，難以得到結(jié)晶態(tài)的純品，所以研究其結(jié)構(gòu)較為困難。這也是至今為止，對(duì)此類黑色素的結(jié)構(gòu)不能完全確定的原因。盡管有研究運(yùn)用核磁共振技術(shù)對(duì)此類黑色素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，但是這類研究所獲得的結(jié)果對(duì)于準(zhǔn)確地判定這類黑色素的分子結(jié)構(gòu)而言仍具有局限性[25?27]。

1.2.1 組成及結(jié)構(gòu) 日本學(xué)者Ito及其團(tuán)隊(duì)研究表明，通過(guò)用堿性介質(zhì)中的高錳酸鉀或雙氧水加熱化學(xué)降解真黑色素可得到不同比例的5,6-二羥基-2-吲哚甲酸（5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid，DHICA）和5,6-二羥基-2-吲哚（5,6-dihydroxyindole，DHI）。這些吲哚碎片能在堿性過(guò)氧化氫的氧化作用下轉(zhuǎn)化為吡咯-2,3,5-三羧酸（pyrrole-2,3,5-tricarboxylic acid，PTCA）、吡咯-2,3-二羧酸（pyrrole-2,3-dicarboxylic acid，PDCA）、吡咯-2,3,4,5-四羧酸（pyrrole-2,3,4,5-tetracarboxylic acid，PTeCA）、吡咯-2,3,4-三羧酸（pyrrole-2,3,4-tricarboxylic acid，isoPTCA）以及少量其它吡咯羧酸和氨基羥苯丙氨酸（AHP）[28?32]?？茖W(xué)界一般普遍接受5,6-二羥基-2-吲哚是構(gòu)建黑色素的基本單元，其2，3，4和7位通常是參與聚合的活性位置，在位點(diǎn)2可能會(huì)羧化[29,32?36]，但至今沒(méi)有新的聚合理論或模式提出，傳統(tǒng)認(rèn)定的動(dòng)物黑色素的經(jīng)典推導(dǎo)模式如圖2所示，可用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)芳香烴骨架、脂肪族烴基和酚型或醌型碎片進(jìn)行鑒定[37]。

圖2 推導(dǎo)的天然動(dòng)物黑色素的經(jīng)典分子結(jié)構(gòu)模式[38]Fig.2 Structural model of eumelanin commonly accepted[38]

1.2.2 在可食動(dòng)物組織或器官中的含量 表1中展示了一些可食動(dòng)物組織中黑色素的含量。除了表中展示的數(shù)據(jù)以外，烏骨類動(dòng)物的其它可食組織中也含有相當(dāng)高的黑色素；例如，黑色骨骼肌中的尺側(cè)腕屈肌的黑色素可占其在烏骨雞中總量的3.19%[42]。

表1 一些動(dòng)物組織或器官中黑色素的含量Table 1 Melanin content of some animal tissues or organs

一般而言，絕大多數(shù)天然動(dòng)物黑色素不溶于水，但是也有少量能存在于水基介質(zhì)中的黑色素。例如在山羊血清中發(fā)現(xiàn)有黑色素[41]，墨魚(yú)的墨汁中存在有大量的黑色素[41]。這些可溶性黑色素為膳食發(fā)展提供了一定的貢獻(xiàn)。

1.2.3 功能特性及食用安全性 由于水溶性差和不容易降解，所以多數(shù)天然動(dòng)物黑色素很難被人體消化吸收，但是隨飲食攝入后，其在人體的腸胃系統(tǒng)中會(huì)停留一定的時(shí)間，因而對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生一定的作用。有研究結(jié)果表明這類黑色素具有很強(qiáng)的抗氧化活性[43?44]，可能具有強(qiáng)的抗氧化損傷或衰老的作用；海洋動(dòng)物黑色素被發(fā)現(xiàn)具有抗炎癥作用[45]；動(dòng)物黑色素具有螯合重金屬離子的作用，因而具有抗化學(xué)損傷的功能；其還可能抑制腸胃系統(tǒng)潰瘍病的發(fā)生[46]。動(dòng)物黑色素是否具有其它方面的功能特性有待于進(jìn)一步研究。

因?yàn)槎鄶?shù)此類黑色素的水溶性和降解性較低，理論上而言，其對(duì)人體致毒的可能性比較低，文獻(xiàn)中難以找到有關(guān)這類色素的毒性方面的實(shí)驗(yàn)科學(xué)評(píng)價(jià)信息，未來(lái)值得在這方面開(kāi)展研究。

1.3 植物黑色素

相對(duì)于動(dòng)物黑色素而言，植物體內(nèi)天然形成的黑色素更為復(fù)雜。除了可能具有以酪氨酸為前體物質(zhì)形成的黑色素以外[4]，還可能含有以酚類化合物為前體物質(zhì)在多酚氧化酶的作用下氧化而形成的黑色素。此外，還有花青素類黑色物質(zhì)。關(guān)于食品或食品原料中具有黑色的此類物質(zhì)的信息資料非常有限；有大量關(guān)于食品中由原花色素產(chǎn)生的具有各種不同顏色的花青素的研究報(bào)道[47?48]，天然食品原料或加工食品的顏色可能有各種花青素或原花色素貢獻(xiàn)的復(fù)合色，這類色素經(jīng)深度氧化后也可能產(chǎn)生黑色素；原花色素是由含有兒茶酚（鄰苯二酚）單元的兒茶素或表兒茶素為基礎(chǔ)單元組成的高分子酚類化合物等。

關(guān)于一些黑色植物食品例如黑豆、黑米、黑麥中本身具有黑色的物質(zhì)的組成及結(jié)構(gòu)研究資料很有限。一般而言這些黑色食品中的花青素含量相對(duì)較高，其深度氧化后也可能變成黑色素，這對(duì)組成和結(jié)構(gòu)研究應(yīng)該會(huì)有一定的啟示作用，也難以找到關(guān)于在這些食品中黑色素的含量及其功能評(píng)價(jià)等方面的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道，未來(lái)值得加強(qiáng)上述方面的研究工作。

1.3.1 酚類氧化形成的黑色素 不以酪氨酸為前體物質(zhì)的植物黑色素形成途徑較為多樣化，其主要涉及以酚類化合物為前體物質(zhì)的氧化過(guò)程。根據(jù)形成機(jī)制不同，分為酶促和非酶促作用形成的黑色素。

關(guān)于酶促作用下形成的黑色素，學(xué)者普遍接受在植物酚類（多酚）氧化酶的作用下形成黑色素的機(jī)制。常見(jiàn)的有以兒茶素為前體物質(zhì)形成的兒茶素類黑色素或異黑色素（allomelanin），關(guān)于兒茶素在多酚氧化酶作用下形成黑色素的過(guò)程展示于圖3。兒茶酚（鄰苯二酚）還可以由苯酚氧化而得。除了圖3所示的途徑以外，酚類氧化成醌類后可與含硫化合物（R’-SH；例如半胱氨酸、谷胱甘肽）反應(yīng)在銅藍(lán)氧化酶（laccase）作用下或進(jìn)一步與O-醌反應(yīng)形成黑色的或褐色的高聚物，與水反應(yīng)并進(jìn)一步與O2或O-醌反應(yīng)在多酚氧化酶作用下形成深色的高聚物。

關(guān)于非酶促作用形成的黑色素，酚類氧化成醌類后可與氨基酸、低聚肽或蛋白質(zhì)反應(yīng)并進(jìn)一步與O2或O-醌反應(yīng)形成深色的高聚物。根據(jù)反應(yīng)程度不同或氨基酸等反應(yīng)物的不同，可能產(chǎn)生黑色的高聚物，也可能產(chǎn)生其它類深色化合物。

1.3.2 組成及結(jié)構(gòu) 酚類氧化而形成的黑色素不含氮、硫等，其具體的組成非常復(fù)雜，目前現(xiàn)有的研究結(jié)果尚難以完全揭示其組成與結(jié)構(gòu)。除了如圖3以兒茶酚為前體形成的黑色素外，還有以其它酚類例如咖啡酸為前體物質(zhì)形成的黑色素。

圖3 推導(dǎo)的兒茶酚黑色素的形成機(jī)制Fig.3 Predicted mechanism of forming catechol melanin

在這方面已進(jìn)行大量的初探性研究。對(duì)此類黑色素進(jìn)行組成和結(jié)構(gòu)研究時(shí)，一般采用堿提酸沉的方法予以初步純化，得到能溶于堿不溶于水、有機(jī)溶劑和酸的、有光澤的黑色粉，然后通過(guò)強(qiáng)氧化劑例如溴水、高錳酸鉀或雙氧水分解，得到失去原來(lái)顏色的物質(zhì)[49]。這種物質(zhì)不溶于稀氯化鐵溶液中，但能溶于高濃度氯化鐵溶液，鑒定發(fā)現(xiàn)其含有醌型和酚型化合物[13]。有研究利用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)輔助確證不同來(lái)源黑色素的結(jié)構(gòu)特征，其在190～300 nm有最高吸收峰[50]。此類黑色素中的脂肪族烴基、芳香烴骨架和酚型或醌型碎片可用傅里葉變換紅外光譜儀鑒定；芳香環(huán)上的碳、氫、連接氮或氧的甲基或亞甲基、連接吲哚基的氨基、烷基碎片可用核磁共振予以鑒定；半醌自由基可用電子順磁共振波譜法鑒定[51]；此外，可用分光光度法對(duì)以下的一些植物組織中的黑色素組成/結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)初步分析：西瓜籽、葵花籽、蕎麥、葡萄籽、番茄籽、桂花籽、夜茉莉籽、芝麻籽、甘薯（紫色）、黑芥籽和油菜籽、板栗、大蒜、燕麥和大麥[13,52?59]。飛行時(shí)間質(zhì)譜（MALDI-TOF MS）顯示，燕麥黑色素是由p-香豆素組成的單一高聚物；含有3～9個(gè)單元[13]。

此類黑色素的結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，至目前為止完全揭示其具體結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道仍然很有限。或許未來(lái)在這方面值得進(jìn)行較為深入的研究。

1.3.3 在可食性植物組織中的含量 幾乎難以查找到關(guān)于此類黑色素在各種植物性食品中的含量的直接測(cè)定值。因其由酚類化合物氧化而產(chǎn)生的，所以在酚類化合物含量高的食品中此類黑色素的含量可能會(huì)高。這跟酚類化合物暴露在空氣中的程度有關(guān)，因此，不同的加工方法可能得到黑色素含量不同的食品。例如，馬鈴薯、蘋果等被切開(kāi)或打碎后很快就會(huì)變成黑色或黑褐色。

雖然關(guān)于一些植物組織中黑色素的含量報(bào)道較少，但是有一些有關(guān)其提取率方面的結(jié)果發(fā)表。例如，自紅茶中能提出約2 g/100 g黑色素，自黑豆中能提出約0.17 g/100 g黑色素[60]；焙烤過(guò)的咖啡中能提出約25 g/100 g[61]，其中有一部分是此類黑色素。

1.3.4 功能特性及食用安全性 涉及以酚類化合物為前體物質(zhì)形成的黑色素的功能特性方面研究文獻(xiàn)資料較少，特別是對(duì)應(yīng)于精確結(jié)構(gòu)的功能研究結(jié)果信息更為有限。例如，用堿提、酸解和重復(fù)沉淀制得的紅茶黑色素類似物被發(fā)現(xiàn)具有促進(jìn)免疫功能的活性[62]，來(lái)源于茶葉[63]和咖啡[64]等的黑色素具有強(qiáng)抗氧化活性和保護(hù)大腦功能，杏子類黑色素能通過(guò)阻止線粒體氧化和膜去極化而防止氧化型內(nèi)皮細(xì)胞死亡[65]，來(lái)源于黑種草（Nigella sativa）籽的黑色素具有預(yù)防腸胃潰瘍的作用[46]，來(lái)源于茶葉[66]、葡萄[67]和黑種草[68]等的黑色素具有保護(hù)肝臟的作用，來(lái)自于黑豆和黑芝麻中不含蛋白質(zhì)的黑色素被發(fā)現(xiàn)具有抗腫瘤的作用[69]，來(lái)源于黑種草[70]和葡萄[67]的黑色素具有抗炎癥作用。

在過(guò)去已發(fā)表的文獻(xiàn)中可以找到大量關(guān)于抑制此類黑色素生成的研究報(bào)道[71]，主要集中于對(duì)酶促褐變抑制方法的研究，即開(kāi)發(fā)多酚氧化酶抑制劑。例如，用生姜萃取物和桂皮油抑制多酚氧化酶以阻止蔬菜和水果褐變[72]；用辣椒、洋蔥和菠蘿萃取物抑制生姜多酚氧化酶的活性[73]，還有通過(guò)抑制多酚氧化酶制止蔬菜和水果褐變的綜述性文章[74]。這可能主要是基于對(duì)感官性質(zhì)影響的考慮。黑變或褐變后對(duì)人體健康是有利還是有害，可能取決于所形成黑色素的組成與結(jié)構(gòu)。需要注意的是：黑變或褐變可能是有害微生物生長(zhǎng)的標(biāo)志，這種變化可能會(huì)伴隨有其它有害變化（例如壓榨油或臘肉變黑可能伴隨有苯并芘（Benzopyrene），即一級(jí)致癌物的產(chǎn)生）等。總之，在這方面的研究還不是很充分，或許未來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)這方面的實(shí)驗(yàn)研究工作，關(guān)于抑制和加強(qiáng)此類褐變誰(shuí)更有利的爭(zhēng)議仍將繼續(xù)。

1.4 食用菌類黑色素

從食用菌中也能分離出以多巴或酪氨酸為前體物合成的黑色素，其合成途徑和分子結(jié)構(gòu)組成與前述的基本類似（見(jiàn)“1.1”和“1.2”）。此外，還能分離出含硫的黑色素。在黑木耳中，還發(fā)現(xiàn)有以1,8-二羥基萘（DHN）為基本單元形成的黑色素，1,8-二羥基萘由1,3,6,8-四羥基萘轉(zhuǎn)化而來(lái)。還有一類只在蘑菇或其它擔(dān)子菌中發(fā)現(xiàn)的黑色素，其以4-氨基苯酚（PAP）或谷氨酰胺-4-羥基苯（GHB）為前體物合成的。

1.4.1 GHB-黑色素 這類色素又稱為PAP-黑色素。芳香環(huán)最初來(lái)源于分支酸，其轉(zhuǎn)化成4-氨基苯酚后，與谷氨酸結(jié)合形成谷氨酰胺-4-羥基苯，在酪氨酸酶的作用下逐步轉(zhuǎn)化成醌類化合物后聚合成黑色素。圖4展示了其形成機(jī)制。此類黑色素主要由2-羥基對(duì)亞基苯醌（2-HpIBQ）為基本單元聚合而成，但是有少量的中間體，即4-谷氨酰胺基二羥基苯（GDHB）和4-谷氨酰胺基苯醌（GBQ）參與到最終形成的黑色素分子中。

圖4 GHB-黑色素的形成機(jī)制Fig.4 Mechanism of forming GHB-melanin

1.4.2 組成及結(jié)構(gòu) 關(guān)于菌類黑色素的具體組成和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，缺乏對(duì)其進(jìn)行完全揭示的科學(xué)數(shù)據(jù)。但是，文獻(xiàn)中能找到給出部分相關(guān)信息的研究報(bào)道。例如，黑木耳黑色素中含41%碳、5%氫和1.6%氮（含S少）；可能是DHICA/DHI-和 DHN-類黑色素的混合物；關(guān)于DHN-類黑色素和含硫黑色素的結(jié)構(gòu)式也有建議[72]。對(duì)于雞樅菌（Termitomyces albuminosus）中的黑色素的結(jié)構(gòu)用掃描電鏡（scanning electron microscopy）、元素分析、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、傅里葉變換紅外光譜（Fourier transformed infrared spectroscopy）、電子順磁共振（electron paramagnetic resonance）和13C（CP/MAS）核磁共振進(jìn)行過(guò)表征研究，這種純黑色素中含有碳、氮、氧和硫[75]。

1.4.3 在食用菌組織中的含量 在一些黑色的食用菌或某些食用菌組織中，黑色素的含量相對(duì)很高。例如，黑色素在黑木耳中的含量可以高達(dá)10%。黑色素在雙孢蘑菇（Agaricus bisporous）和四孢蘑菇（Agaricus campestris）的孢子壁中的含量分別高達(dá)26%～28%和24%～26%[75]。

1.4.4 功能特性及食用安全性 關(guān)于食用菌中特有的一些黑色素的功能性質(zhì)評(píng)價(jià)研究結(jié)果相對(duì)不多。但是，其肯定具有較強(qiáng)的抗氧化性。有研究認(rèn)定食用菌具有降血壓、調(diào)節(jié)免疫力、降血脂、抗癌、抗炎癥或抗菌作用[76]，這些功能是否全部或部分由其特有的黑色素貢獻(xiàn)的尚待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

關(guān)于來(lái)源于食用菌的黑色素的食用安全性的評(píng)價(jià)研究資料或結(jié)果仍然有待于加強(qiáng)。但是，考慮到原料被長(zhǎng)期食用而沒(méi)有出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，此類黑色素能被安全食用的可能性很大。實(shí)際應(yīng)用中需要注意的是：有研究認(rèn)為DHN-黑色素可以具有毒性[77]，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)其監(jiān)測(cè)工作，未來(lái)值得加強(qiáng)獲取其食用安全性方面數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)研究。

1.5 細(xì)菌黑色素

一般而言，在動(dòng)物、植物食品和食用真菌中能發(fā)現(xiàn)的黑色素也可能存在于細(xì)菌中。此外，細(xì)菌中還有可能形成2,5-二羥苯乙酸（HGA）-型黑色素，其生成途徑如下：酪氨酸在轉(zhuǎn)氨酶的作用下變成p-羥基-苯酚基丙酮酸，然后在對(duì)羥基苯丙酮酸雙加氧酶作用下轉(zhuǎn)化成2,5-二羥苯乙酸（HGA）；在缺乏高龍膽酸雙加氧酶活性的情況下受銅藍(lán)氧化酶或其它酚氧化酶的作用將2,5-二羥苯乙酸轉(zhuǎn)化成p-醌；p-醌可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成2,5-二羥苯乙酸二聚合體；2,5-二羥苯乙酸、p-醌或2,5-二羥苯乙酸二聚合體可轉(zhuǎn)化成2,5-二羥苯乙酸（HGA）-型黑色素.

1.5.1 組成及結(jié)構(gòu) 與前面所述其它類黑色素一樣，至今為止，細(xì)菌類黑色素的組成與結(jié)構(gòu)也沒(méi)有完全被理解或揭示清楚。這主要受其不溶于水的限制，不破壞其原始結(jié)構(gòu)很難將其萃取出來(lái)。不過(guò)，學(xué)術(shù)界對(duì)揭示細(xì)菌類結(jié)構(gòu)也作了一些初步探索。例如，采用掃描電鏡、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、傅里葉變換紅外光譜和核磁共振對(duì)淡青鏈霉菌（Streptomyces glaucescensNEAE-H）黑色素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征[61]。

1.5.2 功能特性及食用安全性 至今為止，對(duì)于細(xì)菌類黑色素的功能性質(zhì)的研究非常有限。這類黑色素中有一部分是無(wú)毒的，即可以被安全食用。此外，有少量關(guān)于此類黑色素的生物活性方面的研究，例如，自淡青鏈霉菌中分離純化出來(lái)的黑色素具有抗氧化性和抗癌性[78]。

2,5-二羥苯乙酸（HGA）-型黑色素可能是致毒的，因此在利用細(xì)菌生產(chǎn)應(yīng)用于食品中的黑色素時(shí)，應(yīng)該充分考慮其存在的可能性，如果存在就需有合適的方法予以除去或脫毒。過(guò)去對(duì)于此類毒素的研究動(dòng)力主要是源于了解其毒性的欲望。未來(lái)在細(xì)菌黑色素的功能性質(zhì)或生物活性、毒性評(píng)價(jià)和脫毒方面加強(qiáng)研究具有很好的前景。

1.6 昆蟲(chóng)黑色素

對(duì)于昆蟲(chóng)黑色素方面的研究相對(duì)于動(dòng)植物或甚至微生物黑色素而言較為有限。一般認(rèn)為昆蟲(chóng)黑色素是以酪氨酸或多巴為前體物質(zhì)而形成的，但是相比較而言，具有不同的途徑。一種典型的昆蟲(chóng)黑色素形成途徑如下：酪氨酸→多巴→多巴胺→N-乙酰-多巴胺→N-乙酰-多巴胺醌→黑色素[79]或見(jiàn)圖5。

圖5 N-乙酰-多巴胺醌異構(gòu)成亞甲基醌中間體以后形成黑色素機(jī)制Fig.5 Mechanism of forming melanin after N-Ac-Dopamine tautomerized to a quinone methide

關(guān)于此類黑色素在可食昆蟲(chóng)（如螞蟻）中含量的數(shù)據(jù)、組成與結(jié)構(gòu)、功能性質(zhì)或生物活性、食用安全性方面的數(shù)據(jù)都很有限。未來(lái)值得在這些方面加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。但是，近年來(lái)對(duì)存在于可食用昆蟲(chóng)-黑兵蠅幼蟲(chóng)（Black Soldier Fly，Hermetia illucens）[80]中的黑色素有較為廣泛的研究，內(nèi)容涉及抗氧化性等功能性質(zhì)[81]、抗菌活性[82]和物理化學(xué)性質(zhì)/抗氧化性[83]等。

2 美拉德反應(yīng)生成的黑色素

食品中含有的還原糖性基團(tuán)例如葡萄糖的醛基、果糖的酮基、及其它類有機(jī)化合物的羰基可以與自由氨基例如氨基酸、多肽或蛋白質(zhì)中的氨基發(fā)生羰胺反應(yīng)，并進(jìn)一步發(fā)生系列聚合反應(yīng)而最終形成黑色素。這種反應(yīng)主要發(fā)生在對(duì)食品進(jìn)行蒸煮、烘烤等熱加工處理過(guò)程中。雖然有大量關(guān)于此類反應(yīng)的研究報(bào)道[84]，對(duì)其反應(yīng)機(jī)理也有大量的探索[85?86]，但是至今對(duì)于其終端產(chǎn)物-黑色素的結(jié)構(gòu)仍然沒(méi)有完全了解。

2.1 在食品中的含量

美拉德反應(yīng)生成的黑色素在未經(jīng)加工的食品原料中含量很少，但是它在經(jīng)過(guò)熱加工處理的食品，尤其是富含還原糖和氨基酸或肽或蛋白質(zhì)的食品中含量卻較高。例如，咖啡、可可粉或可可飲料、面包、松餅或蛋糕、其它烘焙食品、早餐谷物或麥片、烹飪過(guò)的肉、制麥芽、蜂蜜、加工牛乳（尤其是高溫滅菌乳）、黑啤、深色酒或甜葡萄酒、香醋、加工番茄、烤土豆、醬油都含有一定量的此類黑色素。此類黑色素在咖啡飲料干物質(zhì)中的含量約為7.2%～35%[87?89]、在面包皮中的含量為14%～30%[90]。此類黑色素在部分其它加工食品中的含量如下：含55%可可粉的巧克力約15%、100%可可粉約22%、餅干10%～20%、早餐谷物約25.5%、全面包1.6%～6.0%、占傳統(tǒng)香醋干物質(zhì)的74%～93%、大麥咖啡約1.44%、每100 mL啤酒0.06～10.4 g、每100 mL甜葡萄酒11～17 g[91]。

2.2 功能特性及食用安全性

關(guān)于此類黑色素（一種不溶于水的黑色素蛋白復(fù)合體）通過(guò)化學(xué)保護(hù)機(jī)制抑制腸胃癌發(fā)生的研究始于2002年[92]，當(dāng)時(shí)以面包皮為原料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明有效。2003年，用餅干中的水溶性黑色素蛋白復(fù)合體做實(shí)驗(yàn)，也證明其具有抗癌潛力[93]。2005年，以面包皮和制麥芽為原料做實(shí)驗(yàn)證明其所含的黑色素蛋白復(fù)合體有抗癌性[94]。2011年，咖啡黑色素被實(shí)驗(yàn)證明具有抗癌潛力[95]。2014年，對(duì)不同來(lái)源黑色素的抗癌潛力進(jìn)行了比較研究，結(jié)果證明咖啡黑色素最具潛力[96]。

除上一段中所述的以外，此類黑色素還具有其它多種功能特性。比如較強(qiáng)的抗氧化性。存在于膳食例如面包皮、咖啡和黑啤中的此類黑色素能提高低密度脂蛋白的氧化穩(wěn)定性；過(guò)去研究得最多的是咖啡（一種典型的黑色素飲料）中的黑色素，其具有防止DNA氧化損傷的能力[97]；由于此類黑色素不能被消化吸收，所以它可能具有膳食纖維功能，其結(jié)構(gòu)特征在一定程度上類似于含有阿魏酸的阿拉伯木聚糖，其在腸道內(nèi)可能被發(fā)酵[91,98]；自咖啡、啤酒和甜葡萄酒中分離出來(lái)的純黑色素具有血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）抑制活性[99]。此外，從葡萄糖-氨基酸反應(yīng)產(chǎn)物中純化出來(lái)的黑色素也具有ACE抑制活性[100]。因此，此類黑色素具有降低血壓的潛力，螯合金屬離子的作用。因此此類黑色素對(duì)于食品中可能有的重金屬污染具有消除毒性的作用[101?102]、抗菌和抗炎癥的作用。當(dāng)然，這種作用與黑色素的具體組成和結(jié)構(gòu)、濃度、形成條件、培養(yǎng)基pH和溫度、以及分子量（一般高于1000 Da的抑菌活性高于低分子量的）有關(guān)[95,103]；最新研究表明咖啡和面包中存在的黑色素具有降低能量攝入量的作用[104]。盡管自日本黑醋中分離出一種黑色素是否美拉德反應(yīng)生成的尚待進(jìn)一步研究，但是它具有抑制脂肪細(xì)胞或組織形成的作用[105]?？Х群谏鼐哂斜Ｗo(hù)細(xì)胞的作用[106]。

關(guān)于此類黑色素的食用安全性方面的資料較為有限。既然此類黑色素具有螯合金屬離子的作用，那么就應(yīng)該在應(yīng)用的過(guò)程中注意避免引起微量礦質(zhì)元素缺乏的問(wèn)題。另外，美拉德反應(yīng)過(guò)程中可能產(chǎn)生具有致基因突變的物質(zhì)，但是關(guān)于其終端產(chǎn)物-黑色素在這方面的作用尚需可靠的科學(xué)證據(jù)。在制作和應(yīng)用此類黑色素時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制各方面條件，尤其需要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，以避免風(fēng)險(xiǎn)，或許分離和純化此類黑色素后再評(píng)價(jià)其食用安全性是一種好的方法。

3 焦糖色素

焦糖色素屬于人造黑色素，其顏色為黑褐色至黑色，形態(tài)為液體或固體，氣味有燒焦的糖味，食味令人愉悅但略帶苦味。目前此類色素被大量地應(yīng)用于某些加工食品或飲料（例如可口可樂(lè)、啤酒）中。

一般將糖與堿或酸混合一起加熱通過(guò)醛和酮縮合反應(yīng)聚合而成。氨型焦糖色素通過(guò)美拉德型反應(yīng)制得，即羰基與氨基或氨反應(yīng)形成的黑色素。硫酸鹽型焦糖色素也是美拉德型高分子聚合物。 目前生產(chǎn)的有四類焦糖色素：焦糖色素I（不能用氨或硫酸鹽制作，又稱為酒焦糖）、焦糖色素II（用硫酸鹽但不用氨制作）、焦糖色素III（用氨但不用硫酸鹽制作，又稱為啤酒焦糖、面包或糕點(diǎn)焦糖）、焦糖色素IV（使用硫酸銨制作，軟飲料焦糖或耐酸焦糖）。

關(guān)于焦糖色素的功能性質(zhì)或生物活性方面，有研究證明其具有抗氧化活性[107?110]。至今為止，難以找到其它功能性質(zhì)方面的科學(xué)研究證據(jù)，值得進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)研究。

在焦糖色素的食用安全性方面，目前對(duì)于焦糖色素I還沒(méi)有可接受攝入量設(shè)定值，其它焦糖色素的可接受攝入值（mg/kg體重）如下：焦糖色素II 0～16、焦糖色素III 0～200、焦糖色素IV 0～200[110?111]。

4 結(jié)論

黑色素品種繁多，形成機(jī)制也是多種多樣，這主要與酪氨酸酶和多酚氧化酶的催化活動(dòng)有關(guān)。酶促生成的天然黑色素存在于許多動(dòng)物、植物、微生物（尤其是真菌）、昆蟲(chóng)食品或原料中；美拉德反應(yīng)形成的黑色素廣泛地存在于許多加工食品中。目前雖已對(duì)于各類食品原料或食品中以及一些熱加工食品存在的黑色素的形成機(jī)制、黑色素結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的探索，也提出了普遍接受的模式，但是由于其非常復(fù)雜，尚需更多的和可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)以將其完全揭示出來(lái)。

在黑色素的功能性質(zhì)或生物活性方面，已開(kāi)展了大量研究?，F(xiàn)有研究結(jié)果證明其具有以下幾方面的功能特性：抗氧化性、抗癌性、抗菌和抗炎性、降血壓或血脂性、保護(hù)腸胃系統(tǒng)、螯合金屬離子。酚類氧化形成的色素還被證明有護(hù)肝和調(diào)節(jié)免疫功能的作用。除了抗氧化性以外，對(duì)于常用于加工食品或飲料的人造焦糖色素是否具有其它方面功能性質(zhì)尚需可靠的評(píng)價(jià)結(jié)論，在這方面仍有廣闊研究前景。

在食用安全性方面，根據(jù)長(zhǎng)期飲食實(shí)踐應(yīng)該可以推定食品中存在的絕大多數(shù)黑色素是安全的。雖然在形成或生產(chǎn)黑色素的過(guò)程中可能伴隨有致毒因子產(chǎn)生，并且有部分天然形成的黑色素具有毒性，但是對(duì)于各種食品或食品原料中的黑色素或人造焦糖色素本身是否具有毒性尚無(wú)相關(guān)方面的研究證據(jù)，未來(lái)值得在各種黑色素的純化和毒性評(píng)價(jià)方面進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。