紅曲霉利用農業殘余生產次生代謝產物的研究進展

周 昀，倪 莉，柯 軼

(1.福建生物工程職業技術學院 食品與生物工程系，福建 福州 350007； 2.福州大學 食品科學技術研究所，福建 福州 350108)

紅曲霉是我國傳統的可食用真菌，主要被用于釀造、著色和調味等食品加工業。近年來，我國學者對紅曲色素、Monacolin K、γ-氨基丁酸等紅曲菌次生代謝產物的研究較多。這些次生代謝產物具有一定的生理活性，具有研究開發的價值。農產品原料及其副產品是廉價的碳源和氮源，很適合微生物產出高附加值的次生代謝產物，同時能減少農業廢棄物給環境帶來的危害。本文對紅曲霉以農副產品及其廢棄物作為基質生產各類代謝產物的情況進行綜述，為研究紅曲霉的培養與利用提供參考。

1 植物類基質

1.1 谷物類基質

1.1.1 主食類谷物及其廢棄物

紅曲菌固態發酵的傳統基質是大米[1]，所產的色素自古以來被用作食用色素，添加到肉類制品和飲料中。紅曲霉更易在碳水化合物含量高的基質上生長，且碳源對紅曲霉生產色素影響很大。培養基質一般以淀粉類為主。近年來，液態發酵法憑借其易操控性逐漸發展起來。與固態發酵法相比，液態發酵基質更傾向于選用糧食粉末[2]，包括秈米粉、玉米粉或單純糖類碳源[3]。

淀粉類基質中以谷物為主。除直接使用谷物作為基質外，糧食廢棄物(如谷殼、麩皮、廢水和廢渣等)也可作為紅曲霉發酵的底物。碎米、糙米等都可被用作基質生產紅曲色素。童愛均[4]等比較了用9種谷物培養紅曲霉、生產色素的情況，發現以紅米為底物時三種色素的產量均很高，而額外添加輔助碳源(果糖、葡萄糖)會增加色素產量。杜甫軍[5]等通過紅曲霉發酵米醋廢渣，得到的紅曲色素產量較高。此外，無麩質小麥粉[6]、麥麩[7]等都曾被作為紅曲霉發酵的基質，色素產量均很高。糙米加酵母浸膏被認為是用固態發酵法獲得紅曲色素的最佳基質[8]。Zhang[9]等比較了用5種谷物為底物培養紅曲霉所生產的Monacolin K濃度，認為以小米為底物的產量最高，而大米、玉米、小麥和大麥因蒸煮后黏性過強導致Monacolin K低產。

1.1.2 雜糧類谷物及其廢棄物

近年來，以玉米和玉米廢棄物為基質的研究較多見。玉米的栽種面積較大、產量高，玉米廢棄物所含營養成分也較多，因此這種基質經濟實惠且易于獲得。除了直接使用玉米，將玉米與其他谷物搭配也是研究過程中所用的一種方法。Rajeswari T R[10]等研究了多種高淀粉底物，認為玉米和甘蔗渣是紅曲霉發酵的最佳底物，色素產量高。紅曲霉發酵生產色素的過程中易產生副產物——橘霉素。Zhou[11]等利用玉米芯水解物液態培養紅曲霉，不僅能提高色素的產量，而且能降低橘霉素的合成率。

Srianta I[12]等學者發現，去殼的高粱可使紅曲霉高產醇溶性色素和Monacolin K。以豆類殘渣豌豆皮[13]及青稞作為碳源，獲得的色素產量高。

部分學者探索了將藥食兩用型的谷物甚至中藥殘渣作為基質的可能性。蒲立檸[14]以青稞麩皮和薏苡仁作為基質培養紅曲霉，可獲得Monacolin K、色素和可溶性多酚。馬麟[15]等以紅曲霉液態發酵苦蕎芽，色素產量高，且發酵液的抗氧化活性也很高。任二芳[16]等制備了高色價、高Monacolin K和γ-氨基丁酸含量的紅曲淮山。譚顯東[17]等利用三七渣固態發酵生產紅曲色素，發現其中黃色素比紅色素的產量高。

1.1.3 豆制品及其廢棄物

近年來對大豆基質的紅曲霉固態發酵技術研究側重于發酵產出的生物活性物質，包括Monacolin K和黃酮類物。使用豆粉、豆奶等作為基質，得到的Monacolin K產量很高。

1.2 水果及其殘渣

水果含糖量很高，制作果汁、果醬、果脯等產品的廢棄物相當多，故水果也是培養紅曲霉的一種選擇。

Hamdi M[18]等學者研究了紅曲霉利用刺梨汁生產色素的過程中溶氧對中間產物的影響。Silveira S T[19]等以生產紅酒的廢棄物——葡萄渣作為紅曲霉的碳源底物，發現其色素產量比使用豆粕、高纖黃豆廢棄物、谷殼和奶酪乳清等底物時的高。Sharma S[20]以果汁廠廢棄的蘋果渣混合少量大米和葡萄糖作為底物，使色素高產。Terán R H[21]等研究了不同光源下以甘蔗渣水解物作為碳源時紅曲霉生產色素的情況，認為暗環境能促進熱穩定性，使紅曲紅色素高產。 Panesar R[22]認為，印度金諾橘皮粉末是作為液態深層培養紅曲霉的極好底物，添加豌豆莢粉末和0.1%硫酸鎂，可以得到高濃度的色素。一些熱帶水果的種子因富含淀粉非常適合作為紅曲霉發酵的基質。Babitha S[23]對比了以米糠、麥糠、椰子油餅、芝麻油餅、棕櫚籽餅、花生油餅、木薯粉、釀造谷物廢渣、菠蘿蜜籽粉末和羅望子粉末作為底物時紅曲霉生產色素的情況，其中菠蘿蜜籽粉末的色素產量最高，其他組的色素產量較低，有的甚至無產出(芝麻油餅、椰子油餅)。Srinta I[24]等將榴蓮籽與山梨醇、果糖、葡萄糖及麥芽糖復配，用于培養紅曲霉，發現榴蓮籽與麥芽糖組合的色素產量最高。

1.3 其他植物和藻類

Wang[25]等學者發現，利用紅曲霉和芽孢桿菌或釀酒酵母復合發酵番石榴葉，可以獲得五倍子酸、綠原酸、蘆丁、槲皮素等生物活性物質。Choi H S[26]等利用紅曲霉發酵仙人掌，獲得清除自由基活性很高的生物活性物質，包括多酚類、黃酮類物質。Suraiya S[27]等用紅曲霉發酵兩種褐色海草，產出了較多的多酚類和黃酮類物質，提高了發酵海草的抗氧化性、抗糖尿病和抗酯酶活性。

2 單純糖類基質

單純糖類比谷物的品質更穩定，處理更便捷，也更易被霉菌利用。Dufossé[28]等學者認為，葡萄糖是最常見且被研究最多的碳源底物，能有效地促進色素生產；紅曲霉在淀粉、糊精、葡萄糖、麥芽糖和果糖上都生長良好。 Costa J P V D[29]等學者比較了以葡萄糖、乳糖和水解乳糖為碳源時紅曲霉生產色素的能力，發現水解乳糖底物的色素產量最高，其中黃色、橙色色素的產量均較高。

3 其他食品工業廢料基質

3.1 奶及其副產品

奶類乳清富含蛋白質、微量元素和乳糖等，是極佳的食品廢料底物。Kujumdzieva A V[30]等學者以乳品工業廢棄物作為底物，使紅曲霉產出具有抗氧化性的天然紅曲色素，并申請了專利。

3.2 烘焙行業廢棄物

Haque M A[31]等從面包店收集了烘焙產品的下腳料，并以液態和固態方式發酵紅曲霉得到色素。他們還研究了發酵過程中葡萄糖淀粉酶和蛋白酶的活性變化，說明烘焙產品的下腳料可以作為紅曲霉生產色素及酶制劑的來源。

3.3 動物制品的下腳料

雞毛是禽類工業的副產物，蛋白質含量很高且極其廉價。Orak T[32]等對比了雞毛蛋白胨、魚蛋白胨與蛋白酶蛋白胨發酵生產色素的情況，發現三種底物都傾向生產黃色素，而雞毛、魚蛋白胨生產的紅色素比蛋白酶蛋白胨的多。Lopes[33]等調查了24種菌株利用各種農業廢棄物產色素的情況，以羽毛粉、魚粉、乳清、葡萄渣、大豆蛋白、大豆粉、稻殼、雞毛和豬毛都被作為菌株的唯一基質進行培養，最終發現紅曲霉可以適應大部分基質并產出色素。

4 工業副產品基質

5 總結

從表1可以看出，在固態、液態發酵模式下，紅曲菌利用不同基質作為底物可產生不同的次生代謝產物。雖然紅曲菌液態發酵的可控性強于固態發酵，但固態發酵在近年來仍處于主流地位，是因為固態發酵所使用的培養基選擇范圍更廣且處理相對簡單、方便。在基質選擇方面，除了常規選用的大米，淀粉含量高、來源廣泛且價廉的玉米及其廢棄物受到很多研究者的青睞。也有不少學者選擇簡單、易操作的單純糖類作為培養基的碳源。大豆因蛋白質含量豐富，多被作為氮源，主要作用是提高Monacolin K的產量。從紅曲菌利用各種基質產生的次生代謝產物來看，液態發酵法產物相對單一，固態發酵利用雜糧類基質生產的產物品種較多，部分特殊植物基質(番石榴葉)的表現不俗。由此可見，紅曲霉可利用的底物種類繁多，不限于淀粉含量高的谷物類，也可考慮食品工業中的大量廢棄物。這是篩選高產量、高品質菌株的發展方向。

表1 紅曲霉發酵不同基質得到的產物

續表1：

基質菌種產物文獻魚廢料M. purpureus紅、黃色素[32][33]葡萄渣M. purpureus紅色素[33]液 態 發 酵小麥粉M. purpureus紅色素[6]玉米廢棄物M. ruber, M. sp.三種色素[11]刺梨汁M. purpureus紅色素[18]葡萄渣M. purpureus紅色素[19]大豆及豆粕M. purpureus, M. pilosus紅色素、Monacolin K[19]甘蔗渣M. ruber紅色素[21]橘皮M. purpureus紅色素[22]烘焙廢料M. purpureus紅色素[31]甘油M. ruber紅色素[34]乙醇M. purpureus三種色素[35]