穆洪霞，丁雪梅，黃六斌，趙樹欣

（天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室，天津 300457）

紅曲（Monascus）色素是紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物。紅曲霉屬的許多菌株被用于紅曲色素的生產(chǎn)，其中使用最廣泛的有[1]：紫色紅曲霉（M.purpureus）、紅色紅曲霉（M.ruber）、安卡紅曲霉（M.anka）和從毛紅曲霉（M.pilosus）。紅曲霉以大米、大豆、玉米等為底物經(jīng)固態(tài)或液態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)、提取、濃縮、精致得到天然紅曲色素[2]。

天然色素主要是從植物中提取或微生物代謝產(chǎn)生。植物中色素含量低且原料有限，使色素的生產(chǎn)成本較高，而以微生物發(fā)酵法生產(chǎn)天然色素克服了從植物中提取色素的缺點，使其在天然色素中占有重要地位。作為微生物代謝產(chǎn)生的天然色素，紅曲色素具有悠久的歷史且一直以來被認(rèn)為是安全性較高的食用色素。近些年，隨著微生物學(xué)的發(fā)展，各國學(xué)者對紅曲色素進(jìn)行了大量廣泛而深入的研究，在紅曲色素分離、結(jié)構(gòu)鑒定及改性、生成機(jī)制、菌種改良、液態(tài)發(fā)酵工藝優(yōu)化、功能性及安全性等理論和應(yīng)用方面取得了不錯的成效，不斷擴(kuò)展著紅曲色素的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。

對于紅曲色素的生產(chǎn)，目前仍以傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵法為主，然而由于固態(tài)發(fā)酵法勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)過程較難控制、難于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，所以紅曲色素的液體發(fā)酵培養(yǎng)近年來成為研究熱點。液體發(fā)酵培養(yǎng)法具有工藝簡單、生產(chǎn)周期短、節(jié)約糧食等優(yōu)點，尤其是液體發(fā)酵法容易實現(xiàn)無菌操作，避免了雜菌污染，更能確保紅曲色素的安全性。隨著液體發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展，玉米芯水解液、木薯粉、甘蔗渣等都已應(yīng)用到液態(tài)發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)色素的研究中。文章簡要介紹了紅曲色素的性質(zhì)，并重點對不同底物發(fā)酵紅曲霉產(chǎn)色素的研究進(jìn)行了綜述。

1 紅曲色素的性質(zhì)

1.1 紅曲色素的組成

紅曲色素是多種色素組成的復(fù)雜混合物，紅曲色素的組成因發(fā)酵使用的紅曲霉菌株、培養(yǎng)基成分、發(fā)酵條件等不同也會有較大的差別。紅曲色素的合成途徑為1分子乙酰輔酶A（coenzymeA，CoA）和3分子丙二酰輔酶A（CoA）在聚酮體合酶（polyketide synthases，PKSs）的作用下生成四酮化合物，四酮化合物再與1分子丙二酰輔酶A（CoA）生成五酮化合物，如此循環(huán)使酮基化合物碳鏈加長最后生成胞內(nèi)色素，胞內(nèi)色素與1 分子葡糖基或戊二?；Y(jié)合轉(zhuǎn)化為胞外色素[4]。

紅曲色素的成分及結(jié)構(gòu)的研究可以追溯到1932年，隨后幾十年對紅曲色素的研究逐漸興起[5]。到1973年學(xué)者確定了紅曲色素的6種基本結(jié)構(gòu)，隨著紅曲色素受到越來越多的關(guān)注，到2012年已經(jīng)有50多種紅曲色素被鑒定和研究[6]。1976-2011年有20多種紅曲紅色素被國內(nèi)外學(xué)者從不同紅曲霉的發(fā)酵產(chǎn)物中分離鑒定；1992-2010年也有20多種紅曲黃色素被分離鑒定；對于紅曲橙色素的研究報告較少，除了已經(jīng)熟知的2種外，只有2011年HSU Y W等[7]分離出的4種橙色素monapilol A～D。

1.2 紅曲色素的理化性質(zhì)

紅曲色素呈深紫紅色粉末，略帶異臭，熔點165～192℃，最大吸收波峰為410nm和510nm。紅曲色素分脂溶性、醇溶性和水溶性色素3類。紅曲色素中的脂溶性色素均能溶于乙醚、氯仿、乙醇、醋酸、正己烷等溶劑中，其溶解度以醋酸最大，正己烷最低，常用溶劑為乙醇和醋酸[8]。紅曲色素在水中的溶解度與水溶液的pH 值有關(guān)，在中性或堿性條件下極易溶解。紅曲色素含量低時其溶液呈鮮紅色，含量高時呈現(xiàn)黑褐色并伴有熒光產(chǎn)生。對蛋白質(zhì)的著色性能極好，一旦染色，雖經(jīng)水洗，亦不掉色[2]。

紅曲色素的色調(diào)不像其他天然色素那樣易隨pH的改變而發(fā)生顯著變化，但pH對其呈色也有影響[9]。在一定pH范圍內(nèi)，紅曲色素的最大吸收波長和色調(diào)受影響較小。但在極酸和極堿條件下，紅曲色素的色調(diào)會發(fā)生較大變化。紅曲色素的熱穩(wěn)定性很好[10]。在體積分?jǐn)?shù)為70%的乙醇溶液中100℃存放60min，僅20%分解；120℃存放60min，殘存率仍高達(dá)50%。紅曲色素受自然光影響較大。日光照射5h后變?yōu)槌壬?，在散射光下存?0h開始褪色，自然光下存放50d色素的殘存率僅為20%[4]。而有利于保持紅曲樣品的色價的光照條件順序為：避光條件＞紅光＞藍(lán)光＞日光直射，且色素濃度越高褪色越緩慢[11]。

紅曲色素幾乎不受氧化劑及還原劑如0.1%過氧化氫、維生素C、亞硫酸鈉等的影響[10]。金屬離子K+、Zn+、Na+、Fe2+、Ca2+對色素的影響較小，加入這些金屬離子后，色素溶液的顏色沒有發(fā)生明顯變化，仍然呈現(xiàn)亮紅色。重金屬離子對紅曲色素溶液的呈色有影響，加入Cu2+和Fe3+的紅曲色素在避光放置1d后溶液由亮紅色變?yōu)榧t棕色，并且都有紅褐色的沉淀產(chǎn)生，因此在紅曲色素的應(yīng)用中應(yīng)避免其與某些重金屬離子的接觸，貯藏時也不能用鐵制和銅制容器[12]。

2 紅曲霉發(fā)酵不同底物產(chǎn)色素的研究

利用紅曲霉生產(chǎn)紅曲色素多以大米為基質(zhì)采用固態(tài)發(fā)酵法進(jìn)行或以大米粉、葡萄糖、淀粉等作為基質(zhì)進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)。近些年，隨著紅曲色素應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，小米、黑米、玉米、菠蘿蜜籽、甘蔗渣等谷物及農(nóng)工業(yè)廢棄物也被用作底物發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)紅曲色素及其他功能代謝產(chǎn)物，取得了顯著地成果。

2.1 紅曲霉發(fā)酵谷物生產(chǎn)紅曲色素

李喜仙等[13]用紅曲霉（M.anka）作為菌種，研究了以小米為原料液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)紅曲色素的相關(guān)工藝參數(shù)的選擇。結(jié)果表明，以小米粉為基質(zhì)添加適量麥芽粉、谷氨酸鈉及無機(jī)鹽生產(chǎn)紅曲色素，色價達(dá)127U。

ROSA M等[14]利用不同加拿大硬質(zhì)小麥粉的混合物做底物分析了紫紅曲霉（Monascus purpureus Went）液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)紅曲色素情況。結(jié)果顯示，使用劣質(zhì)硬小麥發(fā)酵紅曲霉可以實現(xiàn)生產(chǎn)高經(jīng)濟(jì)效益紅曲色素的目的。培養(yǎng)基中添加NH4Cl能促進(jìn)橙色素的產(chǎn)生，添加ZnSO4則更有利于紅色素的產(chǎn)生。

PATCHAREE P 等[15]利用幾種不同紅曲霉菌株固態(tài)發(fā)酵具有多種藥用價值的薏米，研究了其代謝產(chǎn)物中洛伐他汀、桔霉素、紅曲色素的產(chǎn)生狀況。用于實驗分析的菌株中紫紅曲霉（M.purpureus）DMKU用來發(fā)酵薏米效果最好：桔霉素含量最低為0.26×10-6mg/kg，洛伐他汀產(chǎn)量最高為25.03×10-6mg/kg，黃色、橙色和紅色色素分別為9.76U、3.03U和3.43U。桔霉素作為一種真菌毒素嚴(yán)重制約著紅曲霉及紅曲色素的應(yīng)用，對該方法進(jìn)行深入研究，從而減小或消除桔霉素的污染，對擴(kuò)大紅曲色素的應(yīng)用范圍具有現(xiàn)實意義。

范志誠等[16]用紅曲霉M342作為發(fā)酵菌株，確定了以玉米粉做底物液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)色素的最優(yōu)條件，并通過實驗證明該液態(tài)發(fā)酵法制得的紅曲色素可以在食品中起到調(diào)色和防腐的雙重作用。

此外還有學(xué)者[17]利用添加玉米漿的復(fù)合培養(yǎng)基發(fā)酵紅色紅曲霉（M.ruber）生產(chǎn)紅曲色素。該發(fā)酵方法的紅曲色素產(chǎn)量達(dá)20.7U，比用半合成培養(yǎng)基生產(chǎn)得到的色素產(chǎn)量高約一倍，而且該培養(yǎng)基能很大程度上減少胞內(nèi)色素的積累，有利于色素釋放到胞外。

陳勉華等[18]以大米、黑米、豆粕、麥麩、米糠作為底物液態(tài)發(fā)酵紅曲霉，考察了不同基質(zhì)對紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)物影響。結(jié)果顯示，紅曲霉在這些基質(zhì)上均生長良好。黑米或黑米復(fù)配大米對色素的產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大，大米復(fù)配麥麩得到的洛伐他汀產(chǎn)量最高，黑米單獨作為底物產(chǎn)氨基丁酸（gammaaminobutyric acid，GABA）最多，而大米和豆粕復(fù)配培養(yǎng)基消除了桔霉素的污染。因此，可以根據(jù)所需產(chǎn)物不同選擇合理基質(zhì)進(jìn)行發(fā)酵。

以上研究表明，除大米可用于發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)色素外，小麥、小米、玉米等谷物都可以用于紅曲色素生產(chǎn)。另有研究也采用黑米、蕎麥等谷物生產(chǎn)莫奈克林等生物活性物質(zhì)。利用紅曲霉發(fā)酵不同谷物生產(chǎn)多元化的有益紅曲代謝產(chǎn)物，不僅可以擴(kuò)大谷物的用途，提高其經(jīng)濟(jì)價值，而且大米作為主要的糧食之一，這些方法的開發(fā)在一定程度上也緩解了糧食大量消耗的現(xiàn)象。

2.2 紅曲霉發(fā)酵薯類淀粉生產(chǎn)紅曲色素

YONGSMITH B等[19]分析了木薯粉作為基質(zhì)對紅曲霉發(fā)酵產(chǎn)黃色素的影響。研究顯示，當(dāng)初始pH較高時能獲得橙紅色素成分，而初始pH較低時則獲得黃色素成分。通過對發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化并設(shè)定初始pH值為2.5時分離出了一種在波長330nm處有最大吸光度值的新型黃色素。

黃前美等[20]以價格低廉的馬鈴薯、造紙工業(yè)廢棄物甘蔗渣和生產(chǎn)特級面粉的副產(chǎn)物普副粉為原料，添加適量無機(jī)氮源來代替大米進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵紫紅曲霉（M.purpureus 3532）生產(chǎn)紅曲色素。結(jié)果顯示，以這些材料為基質(zhì)，可以代替大米用于紅曲霉發(fā)酵生產(chǎn)色素。在最優(yōu)條件下，馬鈴薯復(fù)配普副粉生產(chǎn)的紅曲色素量比大米為原料高10%；甘蔗渣復(fù)配普副粉發(fā)酵色素產(chǎn)量比大米原料高8.8%。

汪志君等[21]用提取天然色素的副產(chǎn)物紫甘薯淀粉做底物，研究了液態(tài)發(fā)酵紅曲霉（Monascus sp.）產(chǎn)色素情況。以紫甘薯淀粉為碳源，在最優(yōu)條件下紅曲色素的產(chǎn)量可達(dá)到177.009U。

SHARMILA G等[22]采用廉價的馬鈴薯粉作為唯一碳源，對紫紅曲霉（M.purpureus MTCC 369）發(fā)酵產(chǎn)色素的條件進(jìn)行了優(yōu)化。在最優(yōu)條件下，紅曲色素的最大產(chǎn)量為7.18U。

馬鈴薯、木薯、紫甘薯、山藥等資源相當(dāng)豐富且價格低廉，其中含有豐富的淀粉和適量可用于紅曲霉生長代謝。用薯類作為底物發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)色素，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且對于提高薯類的綜合利用率，延長薯類的產(chǎn)業(yè)鏈，增加生產(chǎn)者的經(jīng)濟(jì)效益，具有現(xiàn)實意義。

2.3 紅曲霉發(fā)酵農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)紅曲色素

SUMATHY B等[23]考察了廢棄的菠蘿蜜種子粉固態(tài)發(fā)酵紫紅曲霉（M.purpureus LPB 97）生產(chǎn)色素的可行性。研究結(jié)果顯示，菠蘿蜜種子粉可以作為生產(chǎn)紅曲色素的一種非常實用的基質(zhì)。用于發(fā)酵紅曲霉的菠蘿蜜種子粉粒度為0.4～0.6nm時，不用外加碳源就非常適于紅曲色素生產(chǎn)，而適量添加氮源更有利于水溶性色素積累，紅色素和黃色素的最高產(chǎn)量分別達(dá)30.8U、25.5U。

SILVANA T 等[24]以紫紅曲霉（M.purpureus）作為發(fā)酵菌株，確定了生產(chǎn)葡萄酒的廢棄物葡萄渣液態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)紅曲色素的可行性，以葡萄渣為培養(yǎng)基，外加蛋白胨和谷氨酸鈉進(jìn)行發(fā)酵，色素的最高產(chǎn)量可到20.0～22.5g/L。

喬明武等[25]研究了以麥麩為基質(zhì)，逐步培養(yǎng)紅曲霉完全在麥麩中生長，來發(fā)酵培養(yǎng)紅曲并產(chǎn)生次級代謝產(chǎn)物紅曲色素。該實驗證明紅曲霉可以以麥麩為基質(zhì)生產(chǎn)色素，但仍需深入研究篩選出在麥麩中生長良好、色素產(chǎn)量高的菌株。

邢淑婕等[26]選用廉價且分布廣泛的農(nóng)業(yè)廢棄物玉米芯水解液為碳源，考察了其對紅曲霉液態(tài)發(fā)酵時生物量、桔霉素、色素水平的影響，并對發(fā)酵條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示，玉米芯水解液是紅曲霉發(fā)酵的良好碳源，在最優(yōu)條件下，桔霉素產(chǎn)率僅為27μg/L，色素產(chǎn)量高達(dá)268U。

PALANIVEL V等[27]對玉米芯粉作為底物固態(tài)發(fā)酵紫紅曲霉（M.purpureus KACC 42430）生產(chǎn)紅曲色素的可行性進(jìn)行了研究。優(yōu)化發(fā)酵條件后，色素的最高產(chǎn)量達(dá)到25.42U，比發(fā)酵其他農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)量要高，因此玉米芯發(fā)酵紅曲霉用于色素生產(chǎn)具有很大的工業(yè)化開發(fā)潛能。

SILVANA T等[28]以紫紅曲霉（M.purpureus NRRL 1992）為發(fā)酵菌株，采用甘蔗渣為基質(zhì)外加適量蛋白胨、大豆分離蛋白進(jìn)行色素的產(chǎn)生，對生成的紅曲色素?zé)岱€(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)果都較好。說明紅曲霉能利用廉價的農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗渣為碳源生產(chǎn)食品著色劑。

HAMDI M等[29]通過研究證明仙人掌汁也可以用來發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)色素，并通過兩級發(fā)酵，證明溶氧濃度及培養(yǎng)基中酒精含量會影響紅曲色素積累。

菠蘿蜜種子粉、甘蔗渣、葡萄渣、玉米芯等農(nóng)業(yè)廢棄物中富含碳水化合物、蛋白質(zhì)、纖維素，可以提供給紅曲霉生長代謝所需營養(yǎng)。此外，這些農(nóng)業(yè)廢棄物價格低廉，開發(fā)以這些廢棄物為基質(zhì)用于工業(yè)化生產(chǎn)紅曲色素，不僅可以提高這些農(nóng)副產(chǎn)品的附加值，還可以減少這些廢棄物被排放到環(huán)境中造成的污染，降低紅曲色素的生產(chǎn)成本，節(jié)約糧食，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 紅曲霉發(fā)酵工業(yè)廢棄物生產(chǎn)紅曲色素

ROSE M M等[30]以工業(yè)上生產(chǎn)生物柴油產(chǎn)生的副產(chǎn)物甘油作為紅色紅曲霉（M.ruber CCT 3802）的發(fā)酵基質(zhì)，研究了其用于生產(chǎn)紅曲色素的可行性。通過對實驗條件優(yōu)化，以甘油為碳源，谷氨酸鈉為氮源發(fā)酵紅曲霉，紅曲色素在波長480nm條件處產(chǎn)量最高達(dá)到7.38U，最大生產(chǎn)能力0.058U/h，初步證明了用甘油發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)紅曲色素的可行性。隨著市場上對生物燃料的需求伴隨產(chǎn)生大量甘油，而市場對甘油的需求已經(jīng)達(dá)到飽和，因此以甘油作為微生物發(fā)酵基質(zhì)來生產(chǎn)高附加價值產(chǎn)品的研究很有必要。以甘油作為基質(zhì)發(fā)酵紅曲霉生產(chǎn)有用代謝產(chǎn)物，可以緩解市場上甘油過飽和的狀態(tài)，提高其利用率，生產(chǎn)高經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)品。

3 展望

本實驗室長期以來對紅曲霉發(fā)酵的研究也顯示，當(dāng)以黑米粉、蕎麥粉、木薯粉作為底物生產(chǎn)紅曲色素時，得到的色素產(chǎn)量也較高。此外，紅曲霉發(fā)酵黑米等底物還可以用來生產(chǎn)功能性成分莫奈克林。開發(fā)紅曲霉發(fā)酵小米、玉米、小麥等不同底物進(jìn)行色素生產(chǎn)，在不斷擴(kuò)大紅曲色素應(yīng)用范圍的同時，還能促進(jìn)谷物糧食的多元化發(fā)展、減少農(nóng)業(yè)廢棄物排放到空氣中造成的污染。雖然目前國內(nèi)外對紅曲色素的研究已取得較大發(fā)展，但是其相關(guān)產(chǎn)品存在成分不明確、桔霉素含量超標(biāo)等問題，在一定程度制約著紅曲色素及相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用。所以進(jìn)一步鑒定紅曲色素的化學(xué)成分，調(diào)控紅曲霉代謝途徑，從而開發(fā)成分明確、高色價低桔霉素含量的色素產(chǎn)品將是紅曲色素研究的方向。

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