紅曲霉代謝產物的研究進展與應用

顏麗，劉秀河，李鈺涵

(齊魯工業大學(山東省科學院)，濟南 250353)

紅曲霉是一種傳統的微生物，是一種絲狀真菌，在世界上已有1000多年的歷史，因其種類豐富、代謝產物多，從20世紀開始，科學家們就將其作為研究重點。隨著研究的深入，紅曲霉的產物也不斷地被發現，其中包含一些初級代謝產物，如蛋白酶、淀粉酶、酯化酶、糖化酶等，和一些次級代謝產物，如紅曲色素、莫納克林K、桔霉素等。目前為止，關于紅曲霉產物的研究非常多，文章主要是將近年來對于紅曲霉產物的研究做一個簡單的綜述。

1 紅曲霉初級代謝酶的研究

對于紅曲霉代謝的淀粉酶是紅曲霉產生的酶中生產最早、研究最多的。淀粉酶分泌的旺盛期是在5～7 d,紅曲淀粉酶在45～70 ℃有較好的熱穩定性。陳景智等[1]優化了液態發酵產糖化酶的工藝，使糖化酶活力達到了1652.36 U/mL，是優化前的14.08倍。此外，紅曲霉產蛋白酶的研究也時有報道，王秋辰等[2]采用固態發酵方法優化了紅曲霉產蛋白酶的工藝，使酸性蛋白酶活力達151.09 U/g。早在1997年國內就有關于紅曲霉產酯化酶的報道，但是近年來，國內對于酯化酶的應用達到了巔峰，尤其是在釀酒行業。王艷等[3]以貴州酒廠的中溫大曲中分離出的產酯化酶的紫紅色紅曲為目標，對其溫度、發酵時間、蔗糖濃度等進行了優化，得到了最佳條件，此時其酯化酶活性為355.62 U/mL，比優化前(133.12 U/mL)提高了2.67倍。除此之外，還有一些用紅曲霉產木聚糖酶、脂肪酶等的研究。

2 紅曲霉次級代謝產物研究

在紅曲霉的代謝產物研究中必不可少的是對紅曲色素和一些具有藥用成分的物質的研究，如莫納克林K、桔霉素、γ-氨基丁酸等的研究。

2.1 紅曲霉產紅曲色素

紅曲色素是紅曲霉發酵而成的天然食用色素，傳統的紅曲色素都是以大米為原料，采用固態發酵的形式生成的，近十幾年來才開始采用液態發酵的方式，對紅曲色素的研究主要集中在以下兩個方面：一是提高紅曲色素產量。目前主要通過3種方式：第一種方式是通過優化工藝來提高產量。Silbir等[4]用紅曲霉在啤酒廢液水解液中發酵生產紅曲色素，得出當接種比為2%、氮源為谷氨酸鈉、pH為6.5、轉速為350 r/min、發酵液量為50 mL的條件下，紅曲色素的產量達到最大。第二種方式是通過探究或者改變某一影響紅曲霉的因素，從而改善紅曲色素的產量。Camila等[5]以麥芽糖渣為底物，研究了pH值對紅曲霉生長速率和色素產量的影響，得出當pH值為2～2.5時紅曲霉產紅曲黃色素最高，當pH值為3～3.5時橙色色素產量最高，當pH值大于4時紅色素含量最高。Zhen等[6]研究了NaCl對紅曲霉生長的影響，培養10 d之后，黃、橙、紅色素的產量分別提高了1.7，1.4，1.4倍，證明NaCl可以促進紅曲霉產色素。Maric等[7]以糙米和谷子為基質，培養了6株紅曲霉，進行高產量紅曲色素的篩選，特別是以谷子作為底物的潛力，得出在這6株菌株之間，以谷子為基質的菌株產色素含量最高。第三種方式是通過誘變、基因轉錄、基因克隆等方式提高紅曲色素產量，例如對基因進行敲除，克隆出相關基因等。Liu等[8]利用室溫和常壓等離子體(ARTP)誘變系統，通過液態發酵產生紅曲霉的突變株M183，最終確定當ZnSO4·7H2O為0.02 g/L，MgSO4·7H2O為0.58 g/L，FeSO4·7H2O為 0.02 g/L，NH4NO3為4.85 g/L時，紅曲色素的產率為207.67 U/L。Long等[9]在紅曲霉CICC 41233中對米曲霉的α-淀粉酶基因進行了異源表達，得到了一個名為紅曲霉Amy9的正轉化子，結果表明在以米粉為原料的紅曲霉產色素培養基中，紅曲霉Amy9在48 h完全降解淀粉，紅曲色素的總量增加132%。

2.2 紅曲霉產莫納克林K

莫納克林K是一種膽固醇抑制劑，在降低血脂濃度、預防癌癥、神經保護、抗炎、抗菌等方面有非常重要的作用[10]。對于莫納克林K最早是日本人遠藤章在1979年發現的，之后我國才開始對紅曲霉產莫納克林K的研究，我國對于其的研究主要集中在提高紅曲產莫納克林K含量方面。Huang等[11]采用超高壓液相色譜-飛行時間質譜儀(UPLC-QTOF-MS/MS)、比較蛋白質組學和定量實時逆轉錄聚合酶鏈反應(RT-qPCR)研究了可溶性淀粉和甘油對紅曲霉FAFU 618的影響及其調節機制，而這些研究為進一步探討不同碳源對紅曲霉FAFU 618中莫納克林代謝的調控提供了理論依據。Zhang等[12]在紅曲霉培養基中加入了谷氨酸來進行優化，實驗結果表明在谷氨酸培養基中莫納克林產量最高，是不加谷氨酸的4.80倍。Zhang等[13]的研究得出谷子是產莫納克林K的最佳基質，在此基礎上，又系統地研究了發酵時間、投加量、初始含水量和接種量對固態發酵的影響，結果表明在最佳條件下，莫納克林K的產量最高可達到19.81 mg/g。

2.3 紅曲霉產桔霉素

談及紅曲霉代謝產物，桔霉素必不可少。桔霉素于1995年由法國學者Blance 等發現，具有肝毒性和腎毒性，對心臟和胃腸道也具有毒性，還可誘發細胞突變、導致腫瘤，這使得紅曲產品的安全性受到國際社會的廣泛關注，并制約了該菌在食品和藥品方面的應用，因此降低桔霉素的含量也成為紅曲霉研究進程中的一個重難點[14]。張江寧等[15]通過研究發現以苦蕎麥仁、小米為培養基基質，發酵得出的桔霉素含量最低，僅為1.2 mg/kg。陳慎等[16]通過研究也發現了碳氮源種類對于減少桔霉素的產生也有著重要的作用，其中以大米粉為碳源、谷氨酸鈉為氮源進行液態發酵，發現桔霉素含量最低分別為1.74 mg/L和8.13 mg/L。Huang等[17]研究了蘆丁、二糖蘆丁或曲克蘆丁對于桔霉素的影響，得出加入曲克蘆丁可以大大地降低桔霉素的含量。Zhang等[18]發現低頻磁場(LF-MFS)能降低紅曲霉發酵過程中桔霉素的產量，結果與對照相比，桔霉素的產量降低了46.7%，因此LF-MFS在蛋白質水平上減少了桔霉素的產生。

2.4 紅曲霉產γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(GABA)是紅曲霉中一種重要的代謝產物，具有降低血壓、改善腦功能、增強記憶、抗焦慮以及高效減肥等生理作用[19]。對于GABA的研究，劉棟等[20]通過單因素和正交實驗，使紅曲霉發酵青稞產γ-氨基丁酸，得出當培養基基質青稞∶玉米粉∶黑豆粉∶米粉為48∶10∶17∶15時其產量為(24.62±0.18) mg/100 g。

3 紅曲霉代謝產物的應用

3.1 紅曲霉代謝產物在食品中的應用

紅曲霉產生的酶類物質，比如淀粉酶和糖化酶，可以將淀粉水解為小分子糊精、低聚糖與葡萄糖，蛋白酶能將大分子蛋白質分解為多肽、氨基酸等，這些都可以使食品制品的組織細膩，口感順滑，且紅曲霉特有的顏色可使制品色澤紅潤。相較于初級代謝酶的應用，次級代謝紅曲色素的應用更多，紅曲色素主要應用于臘肉的腌制與香腸的調色以及一些調味品的著色，盛眀健等[21]用紅曲色素代替人工焦糖色素用于老抽的調色，得到的醬油沒有人工焦糖色素的副產物4-甲基咪唑，且色彩濃郁，完全能通過國內外權威檢測機構的檢測。張媛淵等[22]以食品級卡拉膠(CG)與食品級海藻酸鈉(SA)復合凝膠為固定化載體,采用包埋法固定化紅曲酯化酶，將其應用于新醋的生產并得出了最佳的工藝條件，制作出的新醋不僅含量有所提高且口感與3個月自然陳釀的食醋相當。豆類經過發酵或發芽加工處理后, 豆類產品中γ-氨基丁酸含量均顯著提高, 營養品質顯著改善。因此，發酵豆制品和發芽豆產品是優良的保健食品資源[23]。

3.2 紅曲霉代謝產物在醫藥中的應用

紅曲霉代謝產物之一的莫納克林K作為一種藥品已被用于血脂異常等臨床治療。Wang等[24]運用紅曲米中富含的莫納克林K和GABA，將紅曲米用于高脂血癥的替代療法，結果表明富含莫納克林K的紅曲米能像預期的那樣降低膽固醇，而GABA豐富的紅曲米對血清甘油三酯沒有顯著降低。因此，不同濃度、不同比例的莫納克林K和GABA對抗高脂血癥有一定的促進作用。

3.3 紅曲霉代謝產物在釀造中的應用

紅曲霉會產生豐富的糖化酶、酯化酶、淀粉酶和蛋白酶等酶類，在中國白酒釀造中產生豐富的香味物質中發揮著不可缺少的作用，而且紅曲中的莫納克林K以及GABA等又使酒擁有了豐富的功能性成分，提高了人體的血液循環，減少了膽固醇的合成。蒸餾酒后產生的黃水和尾水中含有豐富的有機酸，加入紅曲霉菌培養物后可以將黃水、尾水中的酸和醇轉化為酯類物質，用于增加酒的主體香。在傳統白酒中加入紅曲霉，由于酯化酶可以促進乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯等的合成，因此釀造出的酒出酒率為1.5%，酒中總酸總酯的含量為13.2%，清香突出，酒體協調豐滿，口感爽凈。紅曲霉不僅應用于白酒，還大量應用于黃酒、米酒的釀制，中國的黃酒堪稱“國之瑰寶”，福建的紅曲黃酒是中國黃酒紅曲釀酒典型的品種。

4 紅曲霉代謝產物研究展望

相較于醫藥行業，食品行業與釀酒行業對于紅曲霉代謝方面的研究很少，一些高校對于紅曲霉代謝產物的研究主要集中在發酵工藝的優化方面，尤其是初級代謝酶方面的研究，由于環境差異與地域差異，對于全國性推廣使用還有較大的難度。目前已有科研工作者開始研究從分子生物學層面充分了解其原理機制，這對于充分了解紅曲霉，以及紅曲霉的推廣使用大有助益。此外，對于莫納克林K、GABA以及麥角固醇等功能性成分的測定缺少完整的定量分析體系，加強分析設備與檢測手段的創新，將會為功能性成分的應用提供強有力的支撐。在我國，對于紅曲色素、莫納克林K的需求比較高，但是由于桔霉素的存在，其產量一直不高，減少桔霉素的產生已成為當前紅曲霉生產莫納克林K面臨的主要問題。當前有少量的研究從微觀的角度減少桔霉素的產出，采用基因克隆以及當前流行的蛋白組學技術，研究出紅曲霉菌株的各種代謝路徑和小分子代謝物以及紅曲色素、洛伐他汀和桔霉素的產出規律和代謝關系，這樣可以極大地加深其開發潛能。