生物色素是生物細胞中的一類化學(xué)物質(zhì)，它們因為一些特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)饩€造成反射、干涉、散射或吸收等效果。生物色素種類繁多，來源廣泛，工業(yè)生產(chǎn)中的許多色素來源于植物和微生物，比如花青素、胡蘿卜素、靛藍、番茄紅素、葉綠素、紅曲色素、黑色素等。動物的皮膚、毛發(fā)、眼睛等部位具有不同種類的色素細胞。目前．天然色素主要可以通過植物提取或者微生物發(fā)酵獲得。和人工合成色素相比，天然色素的安全性高，色澤自然鮮艷，且具有很高的營養(yǎng)價值和藥理功能。

紅曲色素
紅曲色素是一種由紅曲菌屬的絲狀真菌經(jīng)發(fā)酵而成的優(yōu)質(zhì)天然食用色素，是紅曲菌的次級代謝產(chǎn)物。作為天然色素，紅曲色素一直以來被認為是安全性較高的食用色素，試驗已證明它不含黃曲霉毒素。紅曲色素作為食品色素廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，也可用于醫(yī)藥和化妝品的著色，不僅具有增香、增色、防腐的功效，還具有抗氧化、抗疲勞、抗腫瘤、調(diào)節(jié)血氨、調(diào)節(jié)血脂水平等功效。
紅曲色素主要通過微生物發(fā)酵獲得，微生物發(fā)酵產(chǎn)紅曲色素中含一種毒性的真菌毒素——桔青毒素，其可以通過各種育種手段篩選低桔青毒素或不含桔青毒素的菌株，也可以通過發(fā)酵等藝優(yōu)化，獲得低桔青毒素或不含估青毒素的產(chǎn)品。紅曲色素的生產(chǎn)工藝有固態(tài)發(fā)酵和液態(tài)發(fā)酵。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，紅曲色素的溶解性也有所不同：一類是水溶性紅曲色素，可溶于水，微溶于乙醇，不溶于氯仿；另一類是醇溶性紅曲色素，可溶于乙醇、氯仿，但不溶于水。
黑色素
黑色素是酪氨酸經(jīng)過一連串化學(xué)反應(yīng)所形成的，動物、植物與原生生物都有這種色素。最普遍被了解的是經(jīng)常被太陽照射后，人的面部會出現(xiàn)黑斑。這是因為在人體皮膚細胞受到紫外線照射時，肌膚就會處于“自我防護”的狀態(tài)，生成一種叫“多巴”的物質(zhì)，釋放出黑色素，使面部出現(xiàn)黑斑。其實，黑色素還有很多生理功能，在人體內(nèi)不可或缺。它還被廣泛應(yīng)用于食品著色劑、化妝品、染發(fā)劑、新型藥物載體等，還用于治療與黑色素缺乏有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如帕金森病、阿爾茨海默病、亨廷舞蹈病等。
黑色素主要通過黑芝麻、黑豆皮、黑米來提取制備，但是由于天然物質(zhì)中黑色素含量較低，提取成本較高，且受到時間、原料等限制，目前有利用鏈霉菌、嗜麥芽假單胞或基因工程大腸桿菌菌株進行生產(chǎn)，并可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。鑒于黑色素巨大的發(fā)展?jié)摿Γ梦⑸锇l(fā)酵生產(chǎn)黑色素將被廣泛應(yīng)用。
類胡蘿卜素
類胡蘿卜素是另一類重要的色素，包括β-胡蘿卜素、番茄紅素、蝦青素、花青素等。這類色素的特點是不溶于水、具有高抗氧化性；不僅對保護人的視力、心血管等方面具有直接效用，而且在藥用輔料、保健品、食品添加劑、飼料添加劑等方面有著非常重要的地位。目前，這類色素的批量生產(chǎn)還主要依靠化學(xué)合成法。但化學(xué)法生產(chǎn)出的多為混合物，即具有不同構(gòu)型和活性的手性物質(zhì)混合物，所以其產(chǎn)品主要用于飼料添加劑、著色劑等；藥用、食品的高端市場仍要依靠傳統(tǒng)的植物提取法獲得此類天然色素。
發(fā)酵法生產(chǎn)類胡蘿卜素始于20世紀50年代。1956年美國報道采用三孢布拉氏霉菌兩性菌株發(fā)酵生產(chǎn)β-胡蘿卜素，產(chǎn)率為1265毫克/升培養(yǎng)液；日本也報道了利用紅色精元桿菌生產(chǎn)類胡蘿卜素．在此基礎(chǔ)上可以較容易地生產(chǎn)番茄紅素。目前。我國部分企業(yè)已經(jīng)掌握了生物法生產(chǎn)β-胡蘿卜素和番茄紅素的工藝。并已有相關(guān)產(chǎn)品而世。而蝦青素的生物法制造仍然是世界范圍內(nèi)的研究熱點。從長遠來看，生物發(fā)酵生產(chǎn)類胡蘿卜素是生產(chǎn)天然色素的最佳途徑．而現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展勢必推動此類技術(shù)的快速發(fā)展。
葉綠素
葉綠素(Chlorophyll)是植物體內(nèi)光合作用膜中的綠色色素，是植物光合作用過程中捕捉光能的綠色有機化合物，存在于所有綠色植物中稱為葉綠體的細胞器內(nèi)的盤形膜(稱為類囊體)中。葉綠素有四個類型：葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c和葉綠素d。其中葉綠素a和葉綠素b是主要類型，存在于高等植物的葉綠體及綠藻中，其分子式為C40H70O5N4Mg。
葉綠素是綠色植物進行偉大的光合作用的主要成分，它吸收、傳遞光能，參與將空氣中的二氧化碳和土壤中的水分轉(zhuǎn)變成化學(xué)能——葡萄糖，并釋放出氧氣，從而為植物界自身的生長及動物界的生存提供了源源不斷的糧食，同時又制造了生物界所必需的氧氣，維持了大氣成分的穩(wěn)定平衡。光合作用是自然界無與倫比的化學(xué)反應(yīng)過程，無論是參與反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量、時間、空間及功能效果，都是任何化學(xué)反應(yīng)無法比擬的，所以說光合作用是偉大的，而葉綠素作為光合作用的“始作俑者”則不愧為第一功臣。
葉綠素除進行光合作用外，其制品還有某些藥用價值。因葉綠素與人體血紅素的分子結(jié)構(gòu)非常相似，唯一的區(qū)別是分子核心分別為鎂原子和鐵原子。所以飲用葉綠素對產(chǎn)婦和失血者有幫助。據(jù)營養(yǎng)專家說，服用葉綠素能去除殺蟲劑與藥物殘留毒素，并能與輻射性物質(zhì)結(jié)合而將其排出體外。另外，葉綠素還有養(yǎng)顏美膚的功效。
葉黃素
葉黃素又叫植物黃體素，化學(xué)名稱為3-3'-二羥基-β-胡蘿卜素，分子式為C40H56O2，分子量為568.85；不溶于水，易溶于油脂和脂肪性溶劑；純?nèi)~黃素為黃色棱狀晶體，有金屬光澤，對光和氧不穩(wěn)定，應(yīng)貯存于陰涼干燥處，避光密封。
葉黃素在自然界中與玉米黃素共同存在，是構(gòu)成玉米、蔬菜、水果、花卉的植物色素的主要成分，含于葉綠體中。葉黃素將吸收的光能傳遞給葉綠素，對光氧化、光破壞具有保護作用。葉黃素還是構(gòu)成人眼視網(wǎng)膜黃斑區(qū)的主要色素。葉黃素是一種廣泛存在于植物體中的天然色素，屬于類胡蘿卜族。目前已知自然界中存在著600多種類胡蘿卜素，其中只有約20種存在于人的血液和組織中。在人體中發(fā)現(xiàn)的類胡蘿卜素主要有α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、隱黃素、葉黃素、番茄紅素和正未黃素。醫(yī)學(xué)實驗證明，植物中所含的天然葉黃素是一種性能優(yōu)良的抗氧化劑，在食品中加入一定量的葉黃素可預(yù)防細胞衰老和機體器官衰老，同時還可預(yù)防老年性眼球視網(wǎng)膜黃斑退化引起的視力下降與失明。經(jīng)一系列醫(yī)學(xué)研究，胡蘿卜素類已被建議用作癌癥預(yù)防劑、生命延長劑、潰瘍抵制劑，心臟病與冠狀動脈疾病發(fā)作抵制劑。另外，葉黃素還可用作飼料添加劑、食品著色劑和營養(yǎng)保健劑。