紅曲菌固態(tài)發(fā)酵技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

摘要：紅曲菌（Monascus）作為一種藥食同源的微生物，在我國具有悠久的應(yīng)用歷史。近年來，隨著生物技術(shù)的不斷進步，紅曲菌固態(tài)發(fā)酵技術(shù)優(yōu)化取得了顯著成果，為紅曲菌功能性成分的高效生產(chǎn)和應(yīng)用提供了新思路。文章闡述了紅曲菌固態(tài)發(fā)酵技術(shù)的研究進展，探討了發(fā)酵過程的優(yōu)化及其在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：紅曲菌；固態(tài)發(fā)酵；功能性成分；優(yōu)化；應(yīng)用前景

中圖分類號：TS201.3文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1000-9973（2025）03-0219-04

Optimization and Application of Solid-State Fermentation

Technology of Monascus

CHEN Yang¹， YANG Ya-jing¹， SONG Lai-sheng²， HONG Hou-sheng^1，3*

（1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816，

China; 2.College of Chemistry and Molecular Engineering， Nanjing Tech University，

Nanjing 211816， China; 3.Nanjing Huike Bioengineering Equipment Co.， Ltd.，

Nanjing 210009， China）

Abstract： As a homologous microorganism of medicine and food， Monascus has a long history of application in China. In recent years， with the continuous progress of biotechnology， the optimization of solid-state fermentation technology of Monascus has achieved remarkable achievements， which has provided new ideas for the efficient production and application of Monascus functional components. In this paper， the research progress of solid-state fermentation technology of Monascus is reviewed， and the optimization of fermentation process and its application prospect in food， medicine and other fields are discussed.

Key words： Monascus; solid-state fermentation; functional components; optimization; application prospect

收稿日期：2024-08-24

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃‘863計劃’項目（2012AA021201）

作者簡介：陳陽（2001—），女，碩士研究生，研究方向：工業(yè)微生物固態(tài)純培養(yǎng)技術(shù)。

*通信作者：洪厚勝（1965—），男，教授，博士，研究方向：生物反應(yīng)工程及生化反應(yīng)器。

紅曲菌作為我國源遠流長的發(fā)酵文化中的瑰寶，長期以來在民間被廣泛應(yīng)用。它所產(chǎn)生的代謝物富含多種對人體有益的生物活性，具有降低血脂水平、抗自由基損傷、抑制細菌生長等功效^[1]。然而，傳統(tǒng)生產(chǎn)紅曲菌的工藝存在諸多不足，如發(fā)酵周期過長、容易受到環(huán)境污染且整個生產(chǎn)流程復(fù)雜，大大影響了其生產(chǎn)效率和最終產(chǎn)品的品質(zhì)^[2]。

隨著科技的不斷進步和生物技術(shù)的迅速發(fā)展，科研人員開始嘗試通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段對紅曲菌進行改良和優(yōu)化。他們利用先進的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)對紅曲菌的發(fā)酵過程進行了一系列優(yōu)化改造，顯著提升了紅曲菌的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品的質(zhì)量。這些技術(shù)不僅使得紅曲菌的生產(chǎn)更加環(huán)保、高效，為消費者提供了更優(yōu)質(zhì)的健康食品選擇，而且推動了我國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)向現(xiàn)代化、科學(xué)化的方向發(fā)展。

1紅曲菌固態(tài)發(fā)酵技術(shù)優(yōu)化

1.1發(fā)酵工藝優(yōu)化

通過對發(fā)酵條件如溫度、pH、發(fā)酵時間等的優(yōu)化，可以實現(xiàn)紅曲菌代謝產(chǎn)物的高效生產(chǎn)。例如，變溫發(fā)酵技術(shù)能夠顯著提高莫納可林K（Monacolin K，MK）的產(chǎn)量，Tsukahara等^[3]研究表明先采用最適溫度30 ℃進行恒溫發(fā)酵，再將溫度降至20 ℃繼續(xù)培養(yǎng)的紅曲菌生產(chǎn)的MK產(chǎn)量遠遠高于一直采用恒溫30 ℃培養(yǎng)的紅曲菌生產(chǎn)的MK產(chǎn)量。pH在紅曲菌發(fā)酵生產(chǎn)代謝產(chǎn)物過程中發(fā)揮著重要的作用，齊文武等^[4]研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵液pH為3.6時，MK的產(chǎn)量顯著高于3.4，3.8，4.0 3個不同pH處理的樣品。發(fā)酵時間的控制與優(yōu)化可以間接影響代謝產(chǎn)物的生成，孫秋婉等^[5]實驗表明紅曲菌在固態(tài)培養(yǎng)第24天時，酸式MK產(chǎn)量達到最大值，隨著發(fā)酵時間的延長，固態(tài)培養(yǎng)基中的營養(yǎng)基質(zhì)消耗殆盡，酸式MK產(chǎn)量下降，所以確定紅曲菌固態(tài)發(fā)酵最佳時間為24 d。

除了上述發(fā)酵條件的優(yōu)化外，還可以通過添加碳源、氮源和無機鹽等提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，不同種類的添加物達到的效果不同，選擇最佳添加物可以獲得產(chǎn)量最大值。殷倩倩等^[6]在培養(yǎng)紅曲菌時，通過單因素試驗，選擇添加量為7%的甘油和添加量為2%的硝酸鈉分別作為最佳碳源和最佳氮源。高晨等^[7]添加濃度為2 g/L的硫酸鋅，紅曲菌所產(chǎn)生的色素和MK產(chǎn)量最高。

1.2高產(chǎn)菌株選育

采用分子生物學(xué)手段篩選和誘變出高產(chǎn)代謝產(chǎn)物的紅曲菌株，可以從源頭上提高發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。Huang等^[8]采用紫外線照射和乙基甲烷磺酸鹽對紅曲菌株進行突變，發(fā)現(xiàn)紅曲菌被紫外線照射2 h后，產(chǎn)生最大產(chǎn)量的MK，可達8 437.6 mg/kg。沙見宇等^[9]通過紫外誘變篩選出兩株高產(chǎn)MK突變株M7和M8，固態(tài)發(fā)酵25 d后MK產(chǎn)量分別為12.42，12.49 mg/g，分別比原始菌株MY-11提高了26%、27%。吳雙雙等^[10]以不產(chǎn)桔霉素的叢毛紅曲菌（Monascus pilosus）MS-1為出發(fā)菌株， 經(jīng)紫外誘變、氯化鋰化學(xué)誘變和紫外-氯化鋰復(fù)合誘變得到紅曲菌突變株，其突變株紅曲色素（MPs）的產(chǎn)量較出發(fā)菌株提高了23.36%，MK的產(chǎn)量也有大幅度提高。

除了采用紫外照射誘變或紫外復(fù)合誘變外，還可以選擇其他的誘變方法進行菌株的選育。牛國強等^[11]研究發(fā)現(xiàn)，紅曲菌WM951的孢子懸浮液經(jīng)過常壓低溫等離子體誘變后，其產(chǎn)橙色素和黃色素的能力較出發(fā)菌株分別提高了136%和43%。郎天丹等^[12]利用北京正負電子對撞機直線加速器E2束流打靶產(chǎn)生高能混合粒子場，以兩株紫色紅曲菌M1、M2為研究對象，通過初篩、復(fù)篩和混合顆粒場照射，使突變株M1-20、M2-4發(fā)酵液的MK產(chǎn)量分別增加142.14%和101.27%，5次傳代后，MK產(chǎn)量僅降低4.21%和1.65%，證明突變菌株的遺傳穩(wěn)定性極強，且發(fā)酵液中桔霉素含量與出發(fā)菌株相比顯著降低。Li等^[13]通過整合高效液相色譜法（HPLC）分析和pksCT、ctnA基因擴增，篩選和鑒定出高產(chǎn)MK的菌株。

運用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)能夠精確地篩選并對紅曲菌進行誘變處理，該方法不僅能從根本上提升紅曲菌發(fā)酵過程中的微生物活性，而且能促使其產(chǎn)生更多的代謝產(chǎn)物，從而顯著提高發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)和總量。這種研究策略有望在未來徹底改變食品工業(yè)和其他生物制造領(lǐng)域，使之向著更加高效、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的方向前進。

1.3分子水平的代謝途徑控制

運用基因組學(xué)和蛋白組學(xué)方法分析代謝產(chǎn)物的代謝途徑，通過基因改造或添加特定物質(zhì)調(diào)控代謝途徑，可以進一步提高代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量。Zhang等^[14]在原始培養(yǎng)基中加入谷氨酸后，過表達菌株的MK產(chǎn)量可以進一步提高，其原因是添加谷氨酸后，MOKC和MOKG的表達顯著增加。MOKC基因控制MK合成途徑中P450單加氧酶的表達，增加其表達可增加莫納可林J（Monacolin J，MJ）等中間產(chǎn)物的用量，進而提高MK的產(chǎn)量。MOKG 基因控制MK合成途徑中HMG-COA還原酶的表達。HMG-COA還原酶是一種限制性內(nèi)切酶，其上調(diào)可以促進產(chǎn)物的產(chǎn)生，最終提高MK的產(chǎn)量。Zhang等^[15]通過過表達4個基因（MOKC、MOKD、MOKE 和 MOKI）來改善紅曲菌中MK的產(chǎn)生。另外，Yin等^[16]還研究了20種游離氨基酸對基因轉(zhuǎn)錄的影響，發(fā)現(xiàn)組氨酸和蛋氨酸可以調(diào)節(jié)MPS的生物合成。Huang等^[17]也表明，微粒處理顯著上調(diào)了參與MPS生物合成的關(guān)鍵基因的表達，即PKSPT、PKSCT、MPPB、MPFASA2、MPFASB2和MPPKS5，在Gong等^[18]的研究中，處理基因（MPPKS5、MPFASA2、MPPA～MPPG、MPP7、MPPR1 和 MPPR2）的上調(diào)可以增加相對酶活性，從而增強了MPS的生物合成。此外，MPPC、MPP7 和 MPPG 的上調(diào)促進了紅曲菌中橙色素向黃色素和紅色素轉(zhuǎn)化。

在現(xiàn)代生物學(xué)研究中，基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的結(jié)合使用已經(jīng)成為一種革命性的工具。通過該方法，科學(xué)家們能夠深入解析生物體內(nèi)代謝產(chǎn)物的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這些途徑涉及一系列精細的化學(xué)反應(yīng)和酶的作用過程。借助這種先進的技術(shù)手段，研究者們可以對代謝路徑進行精確的設(shè)計和改造，甚至添加新的物質(zhì)來調(diào)節(jié)這些路徑的效率。通過這樣的努力，不僅可以提高目標(biāo)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量，而且能夠優(yōu)化其質(zhì)量，使之更符合人類或工業(yè)應(yīng)用的需求。該方法為生命科學(xué)領(lǐng)域帶來了前所未有的控制力和靈活性，推動了從基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的步伐。

2紅曲菌固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用

2.1功能性紅曲及應(yīng)用

1979年，Endo等^[19]從紅曲霉中發(fā)現(xiàn)了一種能抑制膽固醇合成的化合物MK。正常狀態(tài)下，MK呈白色針狀晶體，在多種有機溶劑中極易溶解。1980年，Alberts等^[20]從土曲霉中分離出一種與MK類似的化合物洛伐他汀（lovastatin），后續(xù)研究也證實了MK與洛伐他汀為同一化合物。MK的降膽固醇機制：MK與羥甲基戊二酸單酰輔酶A（HMG-CoA）具有高度相似性，可競爭結(jié)合調(diào)控膽固醇合成的關(guān)鍵酶HMG-CoA還原酶，減少體內(nèi)膽固醇的合成^[21]；此外，它還能促進低密度脂蛋白（LDL）受體的合成，加速膽固醇的分解，達到降低膽固醇的目的^[22]。

功能性紅曲是指洛伐他汀含量在0.4%以上的紅曲，利用固態(tài)發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的功能性紅曲富含MK等活性成分，已開發(fā)成多種降血脂藥物，洛伐他汀是目前歐美國家高血脂的首選用藥^[23]。Cicero等^[24]從紅曲米的代謝產(chǎn)物中提取MK，制作降血脂藥物，并且探討了紅曲米的安全性。Liasi等^[25]通過臨床試驗研究了不同劑量的MK對血液中膽固醇水平的影響。Bruno等^[26]研究發(fā)現(xiàn)，紅曲補充劑含量在4～48 mg/kg范圍內(nèi)能顯著降低血脂異常人群的甘油三酯、總膽固醇和低密度脂蛋白（LDL）含量，并能提高高密度脂蛋白（HDL）的濃度。

此外，功能性紅曲產(chǎn)品也可用于其他領(lǐng)域。例如，高凱等^[27]以松遼黑豬為試驗材料，通過添加紅曲菌合生元，觀察其對松遼黑豬血清蛋白、血清轉(zhuǎn)氨酶、血脂指標(biāo)及MSTN和Myo D基因表達量的影響，探討其與紅曲菌的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，紅曲菌合生元對松遼黑豬體內(nèi)的膽固醇及改善其瘦肉率的作用均有顯著影響。李泳寧等^[28]以288只32周齡海蘭褐蛋雞為材料，通過添加0.5%和1.0%的紅曲霉，研究其對蛋雞的生長發(fā)育和雞蛋品質(zhì)的影響，結(jié)果表明實驗組與對照組相比，不僅蛋黃中的膽固醇含量下降，而且提高了蛋的品質(zhì)。

2.2在食品工業(yè)中的應(yīng)用

MPs作為天然食品著色劑，在食品行業(yè)，尤其是肉制品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。羅章等^[29]以藏香豬為試材，采用不同添加量的MPs對藏香豬肉的儲藏保鮮效果進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在貯存期間，MPs能明顯提高肉糜膠體的持水性、顏色和質(zhì)地，并且發(fā)現(xiàn)紅曲霉處理能明顯抑制肉糜中羰基、揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）、硫代巴比妥酸反應(yīng)物（TBARS）等活性物質(zhì)的形成，還能抑制肉糜中脂類、蛋白類的氧化，且其效果尤為明顯。于慧慧等^[30]在新鮮冷鮮肉中加入不同濃度的MPs，并檢測其在0～9 d貯藏期間各項理化指標(biāo)，結(jié)果表明，MPs對豬肉具有顯著的保鮮效果。

在生產(chǎn)腌肉時，往往會向肉品中加入亞硝酸鈉，以提高肉品的色澤，延長肉品的保質(zhì)期^[31]。但是，攝入太多亞硝酸鈉會對身體產(chǎn)生傷害，而亞硝酸根的殘留物也會形成一種對人類具有致癌效應(yīng)的致癌物^[32]。然而，MPs是一種安全、無毒的天然食物色素，它可以代替亞硝酸鈉對肉制品進行染色。王也等^[33]研究表明，在肉制品中加入一定量的MPs，其含量僅為肉品質(zhì)量的0.001%時，就可以在色澤和質(zhì)地上與亞硝酸鹽相媲美。王柏琴等^[34]研究了以MPs替代亞硝酸鹽對發(fā)酵香腸著色的影響，結(jié)果表明，含0.16% MPs的香腸顏色接近含0.015%亞硝酸鹽的香腸，盡管MPs的使用量大于亞硝酸鹽，但其安全性更高。

另外，MPs在其他領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。例如，李劍等^[35]以軟歐包為研究對象，通過單因素實驗與正交實驗研究了MPs對面包產(chǎn)品的風(fēng)味、色澤、質(zhì)地、風(fēng)味物質(zhì)、抑菌效果等的影響。結(jié)果顯示，MPs是一種具有強著色和抑菌功能的微生物染色劑。傅金泉^[36]以MPs為原料制成的紅曲腐乳具有口感細膩、柔軟、適中和醬香味濃等特點，被廣大消費者所喜愛。

2.3在釀酒工業(yè)中的應(yīng)用

紅曲菌在白酒、黃酒等傳統(tǒng)釀造工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，并且正不斷通過釀造的優(yōu)化提高酒品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在傳統(tǒng)白酒中，酯類以己酸乙酯為主，它對酒的品質(zhì)有很大的影響，目前應(yīng)用較多的紅曲菌等微生物能催化己酸和乙醇發(fā)生酯化反應(yīng)，產(chǎn)生己酸乙酯，從而達到提高白酒品質(zhì)的目的。張超^[37]從斜面培養(yǎng)、放大培養(yǎng)兩個角度對紅曲菌的生產(chǎn)工藝進行了闡述。試驗證明，加入或應(yīng)用紅曲菌能明顯改善傳統(tǒng)白酒的品質(zhì)。鐘明葉等^[38]通過實驗探索了金屬離子對紅曲發(fā)酵過程中糖化和酯化活性的影響，實驗以糯米作為基礎(chǔ)原料，利用氣相色譜技術(shù)對黃酒中的風(fēng)味化合物進行深入分析。結(jié)果顯示，當(dāng)在紅曲中添加金屬離子時，所得黃酒的酯類化合物含量明顯超過未添加紅曲的對照組以及未添加金屬離子的紅曲發(fā)酵組。此外，在對照組中未檢測到酮類化合物的存在，而在紅曲發(fā)酵的黃酒中卻有微量的酮類化合物被檢測出來。宋云剛等^[39]為了豐富黃酒的種類，以傳統(tǒng)釀造理論為基礎(chǔ)，采用單因素試驗與正交試驗相結(jié)合的方法對香菇紅曲黃酒的釀造技術(shù)進行了研究。試驗發(fā)現(xiàn)，香菇發(fā)酵液添加量為12%、酒曲添加量為3.5%（根霉菌∶米曲霉∶紅曲霉為1∶1∶1）和酵母添加量為0.12%時黃酒的質(zhì)量最好。

3結(jié)論

紅曲菌的固態(tài)發(fā)酵技術(shù)正以前所未有的速度推動著紅曲產(chǎn)品的多元化發(fā)展，這一技術(shù)不僅拓寬了紅曲產(chǎn)品應(yīng)用的范圍和深度，而且為其在醫(yī)藥、食品、釀酒等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了更廣闊的前景。隨著科研人員對發(fā)酵工藝的不斷深入研究和對菌株改良技術(shù)的持續(xù)探索，有望實現(xiàn)更高產(chǎn)量的紅曲菌代謝產(chǎn)物。此外，通過對代謝途徑的調(diào)控與優(yōu)化，能夠進一步提高這些代謝產(chǎn)物的品質(zhì)和功能性，從而滿足市場對高質(zhì)量產(chǎn)品的需求。未來隨著這些研究的不斷深化，紅曲菌及其代謝產(chǎn)物將在多個領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，并為人類健康和社會進步作出更大貢獻。

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