APPS | 天然黑色素的分子結構、生物合成機制及其多學科應用的研究進展

本文系Agricultural Products Processing and Storage原創編譯，歡迎分享，轉載請授權。

Introduction

黑色素是自然界中最為豐富的天然色素，廣泛存在于各種動物、植物和微生物中。作為次級代謝產物的黑色素雖然并非為生物的生長發育所必需，但卻能有效提高生物的生存和競爭能力，它的普遍存在因而被認為是進化過程中生命與環境長期相互適應的結果。作為天然色素中獨有稀缺的品種，而且是目前已知的唯一一種具有抗輻射活性的內源性抗輻射劑。近年來，隨著經濟迅猛發展和人民生活水平逐漸提高，天然黑色素的科研和應用價值愈發引起人們的重視，國內外市場對天然黑色素產品的需求量也日益增長。這極大促進了黑色素結構、來源、提取技術、純化技術、特性及應用等方面的研究。不僅為黑色素產業提供巨大的發展空間，也對黑色素相關方面的研發提出了更為嚴格的要求。

研究表明，天然黑色素具有增強免疫、保護神經和較強的清除自由基功能，對人的健康有重要作用。此外，黑色素被證明具有抗氧化、抗輻射、抗病毒感染、激活免疫系統、結合重金屬離子、結合藥物等許多重要的生理功能，其中間產物L-多巴（L-dihydroxyphenylala-nine，L-DOPA）還是一種治療神經性疾病的藥物，具有廣泛的應用開發價值。天然黑色素還富含人體必需的營養物質和對人體有益的微量元素，如Fe、Mn、Cu等；相較于通過化學合成獲得的黑色素，天然黑色素因其源于生物體，通常表現出更好的生物相容性、更低的細胞毒性及更高的使用安全性。基于這些優勢，天然黑色素已作為一種安全的功能性著色劑和活性成分，被廣泛應用于飲料、糖果、烘焙食品、酒類等食品工業領域，以及防曬、護膚、染發等化妝品行業，有著廣闊的應用前景和發展潛力。

目前雖然在天然黑色素的提取工藝、基礎理化性質和部分生物學功能方面已經積累了初步的認知，構建了基礎的知識框架，但面對其復雜的結構本質、多樣化的功能機制以及巨大的產業化潛力，系統性的總結與前瞻性的指引顯得尤為迫切。

Results and Discussion

黑色素是一類結構高度復雜且非均質的天然酚類或吲哚類生物聚合物，廣泛分布于動植物及微生物中。作為自然界中含量最豐富的色素之一，其化學組成因聚合前體與合成路徑的差異而呈現顯著多樣性，屬于類腐殖質大分子的泛稱。根據合成途徑及中間代謝產物的不同，黑色素可系統劃分為真黑素（eumelanin）、棕黑素（phaeomelanin）、膿黑素（pyomelanin）以及1,8-二羥基萘（DHn）黑色素等類型。其中，真黑素與棕黑素均經由經典的Raper-Mason酪氨酸酶途徑合成，統稱為L-多巴黑色素或DOPA黑色素。而DHn黑色素與膿黑素在化學組成上則不含氮與硫元素，因而被歸類為異黑素（allomelanin）。如表1所示，不同類型的黑色素單體結構由其特異性前體決定，進而導致其理化性質呈現顯著差異；通過元素分析、特異性抑制劑、降解產物檢測以及光化學性質的系統評估，可有效鑒別不同真菌來源的黑色素類型。盡管黑色素因異質性強、難溶于常規溶劑且需苛刻處理才能從真菌細胞壁中分離，其高分辨率結構解析仍具挑戰，但借助透射電鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等形貌觀察手段，結合X射線光電子能譜、紫外-可見光譜、傅里葉變換紅外光譜、電子順磁共振譜、固態核磁共振譜及高效液相色譜等光譜與色譜技術，已逐步揭示其表面形態與光物理特性。例如高碳氫比與可見光吸收特征提示天然真黑素中存在吲哚芳香核心，其內部結構常呈中空形態并伴有1–30納米不規則孔隙，進一步印證其作為細胞壁中同心層狀排列的黑色納米顆粒的結構特征。

表1 不同種類的黑色素特征

黑色素完整的生物合成首次由Raper和Mason闡明，后來Cooksey和Schallreuter 對其進行了完善，主要包括黑色素細胞的遷移、分裂至成熟；黑色素小體（melanosome）的形成；黑色素的合成；黑色素顆粒的轉運以及黑色素的排泄等。其形成過程包括一系列酶催化反應和化學反應。黑色素合成必須有3種物質的參與：合成黑色素的最初底物酪氨酸；催化該底物最終轉變形成黑色素的限速酶-酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）以及參與此催化過程的氧元素。

真黑素含有氮原子，而不含硫原子，通常呈深棕色或黑色，難溶于水。合成途徑為經典的Raper-mason途徑：酪氨酸酶催化底物酪氨酸形成二羥苯丙氨酸（DOPA），在有氧條件下進一步聚合成多巴色素。外源性Cu2+能夠增強酪氨酸酶的活性，從而促進真黑素的生成。在動物中，真黑素廣泛存在于毛發、神經感覺組織，如耳蝸、視網膜和黑質。在一些高等動物或鳥類中還存在棕黑素。另有一種特殊的神經黑色素（neuromelanin），在黑質中產生，由多巴胺衍生物聚合形成。動物黑色素的合成在特定的黑色素細胞中完成，該細胞是一種來源于神經脊的樹突狀細胞，含有黑素體這一專門用來合成黑色素的細胞器。黑色素的合成主要通過L-DOPA途徑，酪氨酸在酪氨酸酶和兩個相關性蛋白（TYRP1和TYRP2）共同作用下開始合成反應，最終生成真黑素或者棕黑素（圖1）。黑色素合成后被運輸到角質形成細胞，通過腎排泄，或者轉移到角蛋白中，從而隨表皮生長遷移到角質層。

圖1 烏梅苷和棕色黑色素的生物合成方法

人類對于黑色素的研究已經開展了一個多世紀，也已經在多個領域得到了應用，對黑色素的基本性質和功能有了初步的了解。黑色素不是生物體新陳代謝的必需化合物，但它能為生物的生存提供很多的有利條件，其功能包括增強致病菌的毒性、提高細菌的生存競爭性、抑制海洋生物的附著和污損、具有非晶半導體的性質、金屬螯合性、光熱穩定性、清除自由基等。

基于天然黑色素的性質及功能，黑色素被廣泛應用，它不僅是一類光保護劑、抗輻射劑、螯合劑、生物抗氧化劑和免疫促進劑，而且還可用作生物半導體材料和光電傳遞材料，部分黑色素還含有對人體有益的微量元素Fe、Mn、Cu等，兼有營養價值。近期研究還發現，黑色素具有抗蛇毒、抗癌、治療帕金森癥等作用。在農業、工業、醫藥等方面有著廣泛的應用前景。

我國是農業大國，生物環保的殺蟲劑蘇云金芽孢桿菌（Bt）在我國廣泛應用。但我國產的Bt在田間的殺蟲有限期遠低于美國的產品，穩定性差，易受光照、氣候條件的影響，導致Bt毒素蛋白的降解而失去藥性。利用酪氨酸酶基因工程菌提取黑色素，此種黑色素能夠顯著降低紫外線對蘇云盒芽孢桿菌的鈍化作用。利用黑色素鰲合重金屬的功能，也可將其應用于被污染的河流和土壤的治理上。例如斯氏假單胞菌產生的黑色素納米顆粒可用于凈化重金屬污染的水域和土壤。隨著黑色素產業的發展，其在農業生產上的應用范圍也將不斷擴大，對農業產業發展也將產生積極的推動作用。

在食品工業上，黑色素作為一種天然著色劑、抗氧化劑和抑菌劑，可作為食品添加劑，起到調色、營養、延長保質期的作用。可以作為飲料類、酒類、嬰兒保健品及大眾食品的添加劑，開發系列黑色食品，如黑色烘烤食品、黑米粉絲、黑芝麻糊、黑米八寶粥、芝麻黑豆酸奶、黑豆漿、黑米餅干、黑米饅頭、黑米冰淇淋、黑豆素肉松、素肉餡等。既能調色、豐富營養成分，又對食品起到保護作用，延長保質期。

在化妝品行業上，由于化學合成的黑色染料有一定的毒性，具有致癌作用。天然黑色素安全無毒、具有光保護性、抗氧化性和染料特性和防止紫外線輻射的功能，因此被廣泛應用于制備防曬霜、抗衰老產品和天然染發劑等。例如利用斯氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）產生的黑色素來提高防曬霜的防曬系數。但用天然黑色素制備的染發劑在實際應用中存在性能不穩定、易脫色的缺點，因此其配方還需進一步完善。

在電子領域，利用黑色素的光導性、電導性和電致發光性，可開發黑色素作為顯示器、液晶屏、半導體、平面掃描、有機超導、光電裝置等的材料。具有來源豐富、安全、準確、成本低等優點。生物材料上，利用黑色素抗輻射的特性，可以將其附著于面具、衣服表面制作防輻射用具。利用黑色素的鰲合重金屬的功能還可應用于工業污水處理上，去除廢液中的重金屬，還可應用于貴重重金屬的提取。

在醫藥領域，利用天然黑色素鰲合陽離子的特性，可以作為新型藥物載體，與一些抗生素類和麻醉類藥物結合，從而減小藥物對人體的損害。也可以利用天然黑色素抗菌、抗病毒的能力，可溶性的黑色素可防止微生物穿過皮膚及黏膜層，并能夠抑制 HIV 病毒的復制，從而減少感染的范圍，未來可開發一種新的治療艾滋病的藥物。由于天然黑色素能清除輻射產生的自由基，提高皮膚的抗輻射能力，所以有色人種相對患皮膚癌的幾率低。可將天然黑色素應用于輻射防護劑的研究。此外，還可用來開發治療某些與黑色素缺乏有關的神經系統疾病的藥物，如著色性干皮病、帕金森氏癥、老年型癡呆癥、亨廷氏舞蹈病等。

Conclusion

本文綜述了近年來天然黑色素結構、來源、提取純化、功能及應用的研究進展。隨著檢測技術的發展，已鑒定出了天然黑色素的大致類型和結構模式，但精準的結構仍未有報道，因此，對于黑色素的精確結構仍需進一步研究。當前黑色素的獲取大多是從動植物提取而來，或者通過人工化學合成的手段。動植物樣品來源不穩定，化學合成的反應復雜，都成為大量高效生產黑色素的制約條件。微生物能夠分泌生成黑色素，而且樣品容易獲得，反應條件溫和，成本低，因此黑色素獲取的未來的發展方向，仍然是集中在開發基因工程菌株以提高產量，簡化發酵工藝、結合基因組學和代謝組學相關技術，更高效的調控微生物中酪氨酸酶的表達。此外，為了提高黑色素的應用率，還需探尋更高效的提取純化技術。

第一作者

尹雁玲，女，理學博士，實驗師。近兩年，主持參與國家自然科學面上基金、國家自然科學青年基金、塔里木大學研究生科研創新項目等。在《Nature Communications》、《Industrial Crops and Products》、《Computers and Electronics in Agriculture》、《Agronomy》、《Foods》等期刊公開發表論文11篇，以一作/通訊發表論文6篇（中科院一二區4篇），申請發明專利2件。

通信作者

王震濤，男，工學博士，副教授，碩導，擔任Agricultural Products Processing and Storage青年編委；Food Wellness青年編委；Frontiers in Plant Science專欄主編；Journal of Plant Pathology編委；International Conference on Artificial Intelligence and Materials、International Conference on Intelligent Systems and Robotics 等國際會議分會議主席；中國農業工程學會新能源農業裝備工程專業委員會委員等。近兩年，主持“天池英才”人才項目1項、石河子大學高層次人才引進項目1項、師市重點領域科技攻關項目2項、兵團現代農業重點試驗室項目1項、黑龍江省北方寒地現代農業裝備技術重點實驗室項目1項。參與中央引導地方發展基金項目、國家自然科學青年基金、國家自然科學面上基金、國家重點研發計劃子課題等項目。在《Computers and Electronics in Agriculture》、《LWT - Food Science and Technology》、《Powder Technology》等期刊公開發表論文30余篇，一作/通訊論文20余篇（中科院一二區>15篇），2篇入選ESI高被引論文，申請發明專利10余件，參與制定團體標準1項。《Artificial Intelligence in Agriculture》、《Food Control》、《LWT - Food Science and Technology》《Computers and Electronics in Agriculture》等10余SCI期刊特邀審稿專家。

Research progress on the molecular structure, biosynthetic mechanism, and multidisciplinary applications of natural melanin

Yanling Yin1,2,3?, Yang Jiang4?, Huijie Li1, Wei Yi2,4, Fan Li2,4, Guoqing Chen1,5*, Zhentao Wang1,5*

1 College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi, 832003, China

2 School of Medicine, Shihezi University, Shihezi, 832003, China

3 State Key Laboratory of Crop Stress Biology for Arid Areas, Shaanxi Key Laboratory of Agricultural and Environmental Microbiology, College of Life Sciences, Northwest A&F University, Yangling, 712100, China

4 College of Mechanical Electrification Engineering, Tarim University, Alaer, 843300, China

5 College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin, 150030, China

1 Yanling Yin and Yang Jiang contributed equally to this work.

*Corresponding author.

Abstract

Melanin is an important biological resource with significant scientific and practical value. Consequently, its structure, sources, extraction and purification methods, functional properties, and applications have garnered widespread attention from researchers. Melanin is categorized into several types based on its synthesis pathways and intermediate metabolic products, including eumelanin, phaeomelanin, pyomelanin, and 1,8-dihydroxynaphthalene (DHN) melanin. Its biological sources mainly include bacteria, fungi, animals, and plants. Depending on the source, various extraction methods are employed, such as alkaline solutions, acidic solutions, alcohol solutions, and mixed solvents, with multi-factor experiments conducted for each method to determine optimized parameter combinations. Furthermore, purification methods such as alkaline precipitation, hydrochloric acid hydrolysis, and chromatography are utilized. Due to its characteristics, including radiation resistance, antioxidant properties, photothermal stability, metal chelation, amorphous semiconductivity, and enhanced pathogenic toxicity, melanin has found widespread applications in agriculture, materials science, industry, and medicine. This paper particularly highlights its applications in novel materials and pharmaceuticals. Through a systematic summary and review of key stages from melanin production to application, this study aims to deepen the understanding of natural melanin production and application, providing theoretical foundations and technical references to enhance the use of melanin in various fields.

Reference:

Yin, Y., Jiang, Y., Li, H. et al. Research progress on the molecular structure, biosynthetic mechanism, and multidisciplinary applications of natural melanin. Agric. Prod. Process. Sto. 2, 17 (2026). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00055-z

本文編譯內容由作者提供

編輯：梁安琪；責任編輯：孫勇

封面圖片來源：攝圖網

為匯聚全球智慧共探產業變革方向，搭建跨學科、跨國界的協同創新平臺，由北京食品科學研究院、中國肉類食品綜合研究中心、國家市場監督管理總局技術創新中心（動物替代蛋白）、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，西南大學、 重慶市農業科學院、 重慶市農產品加工業技術創新聯盟、重慶工商大學、 重慶三峽科技大學 、西華大學、成都大學、四川旅游學院、北京聯合大學、 中國-匈牙利食品科學“一帶一路”聯合實驗室（籌）、 普洱學院 共同主辦 的“ 第三屆大食物觀·未來食品科技創新國際研討會 ”， 將于2026年4月25-26日 （4月24日全天報到） 在中國 重慶召開。

長按或微信掃碼進行注冊

為系統提升我國食品營養與安全的科技創新策源能力，加速科技成果向現實生產力轉化，推動食品產業向綠色化、智能化、高端化轉型升級，由北京食品科學研究院、中國食品雜志社《食品科學》雜志（EI收錄）、中國食品雜志社《Food Science and Human Wellness》雜志（SCI收錄）、中國食品雜志社《Journal of Future Foods》雜志（ESCI收錄）主辦，合肥工業大學、安徽農業大學、安徽省食品行業協會、安徽大學、合肥大學、合肥師范學院、北京工商大學、中國科技大學附屬第一醫院臨床營養科、安徽糧食工程職業學院、安徽省農科院農產品加工研究所、安徽科技學院、皖西學院、黃山學院、滁州學院、蚌埠學院共同主辦的“第六屆食品科學與人類健康國際研討會”，將于 2026年8月15-16日（8月14日全天報到）在中國 安徽 合肥召開。

長按或微信掃碼進行注冊

會議招商招展

聯系人：楊紅；電話：010-83152138；手機：13522179918（微信同號）

APPS感謝您的關注

歡迎廣大作者積極撰寫論文，踴躍投稿！

（點擊左側二維碼查看期刊主頁）