紅曲霉產色素和桔霉素影響因素的研究進展

黃 娟，姚若一，黃邵培，劉思芬，鄧 穎，王偉平

（湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北武漢 430068）

紅曲霉是散囊菌目中的一屬子囊菌曲霉科真菌，紅曲霉利用各種碳源和氮源合成紅曲色素、洛伐他汀、γ-氨基丁酸、桔霉素等代謝產物。紅曲色素作為一種天然色素，被廣泛的用于食品行業和化妝品中，紅曲色素有廣泛的生物活性，例如抑制細胞癌變、抗菌活性、清除活性氧和抗突變體等作用。而桔霉素具有腎毒性，可引起實驗動物的腎臟腫大、尿量增多，腎小管擴張和上皮細胞變性壞死等，還可能誘發腫瘤，導致畸變、突變。桔霉素的存在大大限制了紅曲色素的應用。因此，我們要找到高產紅曲色素低產桔霉素的對策。

1 菌種及菌種改造

紅曲色素安全性高、用處廣，故當前很多科研人員對紅曲色素的生產和研究產生了很大的興趣，為得到高產紅曲色素低產桔霉素的方法進行了一系列研究，而目前研究主要使用的菌種有：M.purpureus、M.ruber、M.fuligmosus，M.anka、M.rubigino-sus、M.bakeri、M.albidus和M.serorubescens[1]這8種，并以紫色紅曲霉、紅色紅曲霉使用最為廣泛。此外，還有部分科研人員所用菌種是直接從某些地方取材，類別沒有進行鑒定。

傳統的物理化學方法誘變可以提高色素產量，降低桔霉素產量。呂旭聰等[2]采用物理化學復合誘變（紫外誘變和氯化鋰誘變）的方法得到了高產色素的突變菌；王軒等[3]通過紫外誘變和濃度為5%的硫酸二乙酯誘變后，分離篩選得到1株突變株G009-UV-D-9，該菌株與原始菌株相比較桔霉素含量降低了90%以上。

傳統的物理化學誘變不能定向突變得到所需菌株，且耗時長，成功概率低。近年來研究者通過基因工程技術，如重疊延伸PCR技術，真菌次級代謝產物異源表達系統的構建等，在分子水平上對紅曲霉基因進行一定的改造，從而降低桔霉素的產量，提高色素產量。柳燕[4]以福建紅曲霉M-CL為出發菌株,通過重疊延伸PCR技術融合片段與帶有潮霉素抗性的PSKH質粒，得到了理想的基因敲除菌株，較原始菌株桔霉素產量降低41.8%，色素產量提高11%。Sakai等[5]構建了桔霉素的異源表達系統,得到的菌株桔霉素產量也有所降低。

通過微生物混合發酵方法可以降低桔霉素的生成。研究顯示將紅曲霉與酵母菌或米曲霉共培養可以顯著提高色素的產量，相比單培養，共培養可以使菌體質量增加2倍，色素產量增加30～40倍[6]。張建玲[7]在液態發酵時分別接入酵母菌和乳酸菌與紅曲菌株混合培養，發現與單純紅曲菌株培養相比色素產量有所提高，桔霉素的產生也被抑制。

2 培養基

2.1 氮源

選擇合適的氮源有利于色素生成。岳建明等[8]發現，以硝酸鈣、硝酸鈉、尿素為氮源時，發酵液呈紅色；以氯化銨、硝酸銨、硫酸銨為氮源時，發酵液呈黃色。侯敏等[9]發現，以硝酸銨為氮源時，細胞內色素產量較高，而以硫酸銨為氮源時，細胞外色素產量較高。有機氮源比無機氮源更利于紅曲霉色素合成[10]。

不同的氮源對于桔霉素的合成有不同的影響。甘氨酸、酪氨酸、精氨酸、絲氨酸和組氨酸，可以抑制桔霉素的合成，同時可促進紅曲色素的產生，其中組氨酸的效果最好[11-12]。氮源為甲硫氨酸、尿素時，桔霉素的合成受到抑制[13]，但色素的產量也隨之降低。而谷氨酸、丙氨酸、脯氨酸作為氮源時，桔霉素的產量增加。

2.2 碳源

合適的碳源能夠影響紅曲霉色素的生成。侯敏等[9]的研究發現，紅曲霉在以甘露醇、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖及淀粉為單一碳源的發酵液中生長良好。楊成龍等[14]發現，碳源的添加濃度為4%～5%時，最適宜紅曲霉S產色素，以甘露醇為單一碳源的色價最高，其次是大米粉，兩者色調均偏紅；葡萄糖與蔗糖的色調偏黃，但總色價偏低。

2.3 pH值

研究表明，培養基pH值能影響紅曲霉菌的活性，從而影響產色[15]。王紅等[16]的研究也發現：不同的初始pH值，會影響紅曲霉的生長速度，從而影響色素的產量。偏酸環境有利于紅曲色素的生成，色價也較高;在堿性環境下菌絲體基本不生長，色價也很低[17]。

不同pH值對紅曲霉的發酵產物色價、桔霉素都會產生影響。有研究表明，堿性條件下可促使細胞內的紅曲色素排出并且顯著抑制桔霉素的產生[18]。也有研究顯示，低pH值條件下的發酵可以得到不含桔霉素的產物，其色素合成并沒有受到影響，反而比高pH值條件下的產量要高，并主要為胞內色素[19]。

2.4 金屬離子

添加Fe2+能使培養基中色素的含量上升[20]。而加入某些金屬離子能夠影響桔霉素的合成，加入Mg2+色素的產量雖不受影響，但卻促進了桔霉素的生成[21]，所以培養基中最好不要加入鎂離子。而加入金屬離子螯合劑乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraaceticacid，EDTA），可以螯合金屬離子，能夠抑制桔霉素的生成[6]。

3 培養條件

3.1 光照

光照作為外界環境改變的信號分子，可誘導包括絲狀真菌在內的多種生物生長發育和次級代謝產物的改變[22]。因此深入了解光信號在真菌生長發育過程中的作用，對于研究包括紅曲霉在內的非光合微生物的代謝具有重要意義[23]。

在紅光照射培養條件下，紅曲色素合成期持續時間更長，色素產量高于黑暗培養條件，同時在一定程度上減少了桔霉素的生成[24-25]。Wang等[26]研究發現，相比黑暗條件，藍光條件下紅曲色素增產28.5%，桔霉素減產79%，但在藍光光照條件下紅曲色素穩定性比較差。

3.2 溫度

變溫培養時紅曲霉菌體生長緩慢，造成紅曲霉產桔霉素量增加；恒溫培養更適合菌體生長，并且能夠激發菌體分泌色素[27]。苗玉志等[28]發現，菌株在不同的培養溫度下生長和產紅曲色素的能力不一樣，最佳的生長溫度為35℃，最適宜的產紅曲色素溫度為30℃。控制合適的發酵溫度，可以有效降低液態發酵中桔霉素的生成[29]。許贛榮等[30]提出液態發酵的培養溫度為36℃時，紅曲霉高產色素低產桔霉素。而李培睿等[31]的研究也表明35℃有利于紅曲霉的生長，且此溫度條件下桔霉素產量相對較低。

3.3 溶氧

溶氧與發酵過程中微生物的生長及產物的代謝密切相關，紅曲霉液態發酵時，隨著通氣量的增加或攪拌速度的提高，菌體的生物量和次級代謝產物的產量都有所增加，但是桔霉素的增加比例比色素的大[32-33]。顧玉梅等[11]的研究也證實了高溶氧對色素及桔霉素生成都有促進作用。因此，在產物生成階段，可盡量降低通氣量和攪拌轉速，使溶氧保持在一個較低的水平，以增加紅曲色素與桔霉素的產量比值。

4 結語

在菌種層面，通過選取優良菌種，菌種改造及混菌發酵的方法可以達到高產色素，低產桔霉素的目的；配制培養基時，以銨鹽為氮源，合適的糖為碳源，低pH值，選擇性添加某些金屬離子可以使色素的產量提高；而用組氨酸等氨基酸為氮源還可降低桔霉素的產量，培養條件為紅光，35℃，低溶氧量時，也可實現高產色素低產桔霉素。紅曲色素在食品行業應用廣泛，色素代謝時產生的桔霉素會威脅人們的健康，降低生產過程中桔霉素的含量，讓紅曲色素真正具有安全性。

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