APPS | 天然黑色素的分子结构、生物合成机制及其多学科应用的研究进展

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Introduction

黑色素是自然界中最为丰富的天然色素，广泛存在于各种动物、植物和微生物中。作为次级代谢产物的黑色素虽然并非为生物的生长发育所必需，但却能有效提高生物的生存和竞争能力，它的普遍存在因而被认为是进化过程中生命与环境长期相互适应的结果。作为天然色素中独有稀缺的品种，而且是目前已知的唯一一种具有抗辐射活性的内源性抗辐射剂。近年来，随着经济迅猛发展和人民生活水平逐渐提高，天然黑色素的科研和应用价值愈发引起人们的重视，国内外市场对天然黑色素产品的需求量也日益增长。这极大促进了黑色素结构、来源、提取技术、纯化技术、特性及应用等方面的研究。不仅为黑色素产业提供巨大的发展空间，也对黑色素相关方面的研发提出了更为严格的要求。

研究表明，天然黑色素具有增强免疫、保护神经和较强的清除自由基功能，对人的健康有重要作用。此外，黑色素被证明具有抗氧化、抗辐射、抗病毒感染、激活免疫系统、结合重金属离子、结合药物等许多重要的生理功能，其中间产物L-多巴（L-dihydroxyphenylala-nine，L-DOPA）还是一种治疗神经性疾病的药物，具有广泛的应用开发价值。天然黑色素还富含人体必需的营养物质和对人体有益的微量元素，如Fe、Mn、Cu等；相较于通过化学合成获得的黑色素，天然黑色素因其源于生物体，通常表现出更好的生物相容性、更低的细胞毒性及更高的使用安全性。基于这些优势，天然黑色素已作为一种安全的功能性着色剂和活性成分，被广泛应用于饮料、糖果、烘焙食品、酒类等食品工业领域，以及防晒、护肤、染发等化妆品行业，有着广阔的应用前景和发展潜力。

目前虽然在天然黑色素的提取工艺、基础理化性质和部分生物学功能方面已经积累了初步的认知，构建了基础的知识框架，但面对其复杂的结构本质、多样化的功能机制以及巨大的产业化潜力，系统性的总结与前瞻性的指引显得尤为迫切。

Results and Discussion

黑色素是一类结构高度复杂且非均质的天然酚类或吲哚类生物聚合物，广泛分布于动植物及微生物中。作为自然界中含量最丰富的色素之一，其化学组成因聚合前体与合成路径的差异而呈现显著多样性，属于类腐殖质大分子的泛称。根据合成途径及中间代谢产物的不同，黑色素可系统划分为真黑素（eumelanin）、棕黑素（phaeomelanin）、脓黑素（pyomelanin）以及1,8-二羟基萘（DHn）黑色素等类型。其中，真黑素与棕黑素均经由经典的Raper-Mason酪氨酸酶途径合成，统称为L-多巴黑色素或DOPA黑色素。而DHn黑色素与脓黑素在化学组成上则不含氮与硫元素，因而被归类为异黑素（allomelanin）。如表1所示，不同类型的黑色素单体结构由其特异性前体决定，进而导致其理化性质呈现显著差异；通过元素分析、特异性抑制剂、降解产物检测以及光化学性质的系统评估，可有效鉴别不同真菌来源的黑色素类型。尽管黑色素因异质性强、难溶于常规溶剂且需苛刻处理才能从真菌细胞壁中分离，其高分辨率结构解析仍具挑战，但借助透射电镜、扫描电镜、原子力显微镜等形貌观察手段，结合X射线光电子能谱、紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱、电子顺磁共振谱、固态核磁共振谱及高效液相色谱等光谱与色谱技术，已逐步揭示其表面形态与光物理特性。例如高碳氢比与可见光吸收特征提示天然真黑素中存在吲哚芳香核心，其内部结构常呈中空形态并伴有1–30纳米不规则孔隙，进一步印证其作为细胞壁中同心层状排列的黑色纳米颗粒的结构特征。

表1 不同种类的黑色素特征

黑色素完整的生物合成首次由Raper和Mason阐明，后来Cooksey和Schallreuter 对其进行了完善，主要包括黑色素细胞的迁移、分裂至成熟；黑色素小体（melanosome）的形成；黑色素的合成；黑色素颗粒的转运以及黑色素的排泄等。其形成过程包括一系列酶催化反应和化学反应。黑色素合成必须有3种物质的参与：合成黑色素的最初底物酪氨酸；催化该底物最终转变形成黑色素的限速酶-酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）以及参与此催化过程的氧元素。

真黑素含有氮原子，而不含硫原子，通常呈深棕色或黑色，难溶于水。合成途径为经典的Raper-mason途径：酪氨酸酶催化底物酪氨酸形成二羟苯丙氨酸（DOPA），在有氧条件下进一步聚合成多巴色素。外源性Cu2+能够增强酪氨酸酶的活性，从而促进真黑素的生成。在动物中，真黑素广泛存在于毛发、神经感觉组织，如耳蜗、视网膜和黑质。在一些高等动物或鸟类中还存在棕黑素。另有一种特殊的神经黑色素（neuromelanin），在黑质中产生，由多巴胺衍生物聚合形成。动物黑色素的合成在特定的黑色素细胞中完成，该细胞是一种来源于神经脊的树突状细胞，含有黑素体这一专门用来合成黑色素的细胞器。黑色素的合成主要通过L-DOPA途径，酪氨酸在酪氨酸酶和两个相关性蛋白（TYRP1和TYRP2）共同作用下开始合成反应，最终生成真黑素或者棕黑素（图1）。黑色素合成后被运输到角质形成细胞，通过肾排泄，或者转移到角蛋白中，从而随表皮生长迁移到角质层。

图1 乌梅苷和棕色黑色素的生物合成方法

人类对于黑色素的研究已经开展了一个多世纪，也已经在多个领域得到了应用，对黑色素的基本性质和功能有了初步的了解。黑色素不是生物体新陈代谢的必需化合物，但它能为生物的生存提供很多的有利条件，其功能包括增强致病菌的毒性、提高细菌的生存竞争性、抑制海洋生物的附着和污损、具有非晶半导体的性质、金属螯合性、光热稳定性、清除自由基等。

基于天然黑色素的性质及功能，黑色素被广泛应用，它不仅是一类光保护剂、抗辐射剂、螯合剂、生物抗氧化剂和免疫促进剂，而且还可用作生物半导体材料和光电传递材料，部分黑色素还含有对人体有益的微量元素Fe、Mn、Cu等，兼有营养价值。近期研究还发现，黑色素具有抗蛇毒、抗癌、治疗帕金森症等作用。在农业、工业、医药等方面有着广泛的应用前景。

我国是农业大国，生物环保的杀虫剂苏云金芽孢杆菌（Bt）在我国广泛应用。但我国产的Bt在田间的杀虫有限期远低于美国的产品，稳定性差，易受光照、气候条件的影响，导致Bt毒素蛋白的降解而失去药性。利用酪氨酸酶基因工程菌提取黑色素，此种黑色素能够显著降低紫外线对苏云盒芽孢杆菌的钝化作用。利用黑色素鳌合重金属的功能，也可将其应用于被污染的河流和土壤的治理上。例如斯氏假单胞菌产生的黑色素纳米颗粒可用于净化重金属污染的水域和土壤。随着黑色素产业的发展，其在农业生产上的应用范围也将不断扩大，对农业产业发展也将产生积极的推动作用。

在食品工业上，黑色素作为一种天然着色剂、抗氧化剂和抑菌剂，可作为食品添加剂，起到调色、营养、延长保质期的作用。可以作为饮料类、酒类、婴儿保健品及大众食品的添加剂，开发系列黑色食品，如黑色烘烤食品、黑米粉丝、黑芝麻糊、黑米八宝粥、芝麻黑豆酸奶、黑豆浆、黑米饼干、黑米馒头、黑米冰淇淋、黑豆素肉松、素肉馅等。既能调色、丰富营养成分，又对食品起到保护作用，延长保质期。

在化妆品行业上，由于化学合成的黑色染料有一定的毒性，具有致癌作用。天然黑色素安全无毒、具有光保护性、抗氧化性和染料特性和防止紫外线辐射的功能，因此被广泛应用于制备防晒霜、抗衰老产品和天然染发剂等。例如利用斯氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）产生的黑色素来提高防晒霜的防晒系数。但用天然黑色素制备的染发剂在实际应用中存在性能不稳定、易脱色的缺点，因此其配方还需进一步完善。

在电子领域，利用黑色素的光导性、电导性和电致发光性，可开发黑色素作为显示器、液晶屏、半导体、平面扫描、有机超导、光电装置等的材料。具有来源丰富、安全、准确、成本低等优点。生物材料上，利用黑色素抗辐射的特性，可以将其附着于面具、衣服表面制作防辐射用具。利用黑色素的鳌合重金属的功能还可应用于工业污水处理上，去除废液中的重金属，还可应用于贵重重金属的提取。

在医药领域，利用天然黑色素鳌合阳离子的特性，可以作为新型药物载体，与一些抗生素类和麻醉类药物结合，从而减小药物对人体的损害。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过皮肤及黏膜层，并能够抑制 HIV 病毒的复制，从而减少感染的范围，未来可开发一种新的治疗艾滋病的药物。由于天然黑色素能清除辐射产生的自由基，提高皮肤的抗辐射能力，所以有色人种相对患皮肤癌的几率低。可将天然黑色素应用于辐射防护剂的研究。此外，还可用来开发治疗某些与黑色素缺乏有关的神经系统疾病的药物，如着色性干皮病、帕金森氏症、老年型痴呆症、亨廷氏舞蹈病等。

Conclusion

本文综述了近年来天然黑色素结构、来源、提取纯化、功能及应用的研究进展。随着检测技术的发展，已鉴定出了天然黑色素的大致类型和结构模式，但精准的结构仍未有报道，因此，对于黑色素的精确结构仍需进一步研究。当前黑色素的获取大多是从动植物提取而来，或者通过人工化学合成的手段。动植物样品来源不稳定，化学合成的反应复杂，都成为大量高效生产黑色素的制约条件。微生物能够分泌生成黑色素，而且样品容易获得，反应条件温和，成本低，因此黑色素获取的未来的发展方向，仍然是集中在开发基因工程菌株以提高产量，简化发酵工艺、结合基因组学和代谢组学相关技术，更高效的调控微生物中酪氨酸酶的表达。此外，为了提高黑色素的应用率，还需探寻更高效的提取纯化技术。

第一作者

尹雁玲，女，理学博士，实验师。近两年，主持参与国家自然科学面上基金、国家自然科学青年基金、塔里木大学研究生科研创新项目等。在《Nature Communications》、《Industrial Crops and Products》、《Computers and Electronics in Agriculture》、《Agronomy》、《Foods》等期刊公开发表论文11篇，以一作/通讯发表论文6篇（中科院一二区4篇），申请发明专利2件。

通信作者

王震涛，男，工学博士，副教授，硕导，担任Agricultural Products Processing and Storage青年编委；Food Wellness青年编委；Frontiers in Plant Science专栏主编；Journal of Plant Pathology编委；International Conference on Artificial Intelligence and Materials、International Conference on Intelligent Systems and Robotics 等国际会议分会议主席；中国农业工程学会新能源农业装备工程专业委员会委员等。近两年，主持“天池英才”人才项目1项、石河子大学高层次人才引进项目1项、师市重点领域科技攻关项目2项、兵团现代农业重点试验室项目1项、黑龙江省北方寒地现代农业装备技术重点实验室项目1项。参与中央引导地方发展基金项目、国家自然科学青年基金、国家自然科学面上基金、国家重点研发计划子课题等项目。在《Computers and Electronics in Agriculture》、《LWT - Food Science and Technology》、《Powder Technology》等期刊公开发表论文30余篇，一作/通讯论文20余篇（中科院一二区>15篇），2篇入选ESI高被引论文，申请发明专利10余件，参与制定团体标准1项。《Artificial Intelligence in Agriculture》、《Food Control》、《LWT - Food Science and Technology》《Computers and Electronics in Agriculture》等10余SCI期刊特邀审稿专家。

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

本文编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网

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