田 園,魯華敏,周 波 *,鐘海雁
(1.稻谷及副產(chǎn)物深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410004;2.糧油深加工與品質(zhì)控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南長(zhǎng)沙 410004;3.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410004)
紅曲發(fā)酵歷史悠久,關(guān)于紅曲方面的研究主要集中在次級(jí)代謝產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)利用上,許多學(xué)者對(duì)紅曲霉菌代謝產(chǎn)物種類及其功能性等方面做了較多研究,其中紅曲色素是研究較多且應(yīng)用廣泛的主要次級(jí)代謝產(chǎn)物[1-2]。目前完全確定結(jié)構(gòu)的紅曲色素有十幾種,其中發(fā)現(xiàn)并確定結(jié)構(gòu)的紅曲黃色素有六種,如安卡紅曲黃素(ankaflavin)和紅曲素(monascin)[3]、xanthomonasin A 和xanthomonasin B[3]、monascusones A和monascusones B[4]。紅曲黃色素不僅因其較好的耐熱性和耐酸性而廣受食品生產(chǎn)者和研究者的喜愛(ài),還具有一定的生物活性,如monascin及其衍生物對(duì)小鼠T細(xì)胞有免疫抑制作用[5],能減低皮膚癌的出現(xiàn)幾率[6];ankaflavin通過(guò)調(diào)控細(xì)胞凋亡相關(guān)聯(lián)的機(jī)制對(duì)癌細(xì)胞株有選擇性細(xì)胞毒性等[7],但因菌種的缺乏,有關(guān)紅曲黃色素工業(yè)化生產(chǎn)的研究報(bào)道較少[8-10]。
本實(shí)驗(yàn)室通過(guò)物理化學(xué)誘變獲得一株高產(chǎn)黃色素的紅曲霉突變菌株(Monascus ankamutant)[9],并對(duì)其合成代謝黃色素的特性進(jìn)行了一定的研究,證實(shí)其合成代謝的黃色素是安卡紅曲黃素(ankaflavine)和紅曲素(monascin)[10-13],這說(shuō)明紅曲霉突變菌株合成代謝紅曲色素和橘霉素的機(jī)理跟其他紅曲霉菌種合成代謝色素和橘霉素的機(jī)理基本一樣。已有相關(guān)研究報(bào)告說(shuō)明氨基酸對(duì)于紅曲紅色素和橘霉素的合成代謝是一個(gè)非常重要的影響因子[14],且相關(guān)氨基酸在一定程度能與紅曲色素發(fā)生一定的反應(yīng)生成色素衍生物[15],在本實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)紅曲色素和橘霉素合成代謝的相關(guān)報(bào)道[4,14,16-18],來(lái)研究氨基酸對(duì)紅曲霉突變菌株合成代謝黃色素和橘霉素的影響,希望能為紅曲黃色素和橘霉素的合成代謝機(jī)理的研究提供一定的參考。
1.1.1 菌種
紅曲霉突變株菌(Monascus ankamutant):華南理工大學(xué)生化工程研究室選育并保存。
1.1.2 試劑
玉米粉:市售;氨基酸(分析純):上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;其余化學(xué)試劑均為分析純:廣州市化學(xué)試劑廠。
1.1.3 培養(yǎng)基
斜面種培養(yǎng)基采用麥芽汁瓊脂培養(yǎng)基:瓊脂20 g/L,麥芽汁濃度為6 °Bé。
種子培養(yǎng)基:玉米粉30 g/L,硝酸鈉3 g/L,F(xiàn)eSO4·7H2O 0.01 g/L,磷酸二氫鉀4 g/L,pH 6.0。
發(fā)酵培養(yǎng)基:氯化銨15 g/L,可溶性淀粉70 g/L,葡萄糖20 g/L,玉米漿10 g/L,KH2PO45 g/L,初始pH 4.0。
培養(yǎng)基均121 ℃蒸汽滅菌20 min。
2802SUV/VIS紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì):上海尤尼科斯科學(xué)儀器有限公司;C25KC型全溫?fù)u床:美國(guó)New Brunswick Scientific公司;SPX-250B-Z型生化培養(yǎng)箱:上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;ER-180A 型電子天平:日本A&D公司;Aglient 1100高效液相色譜:美國(guó)安捷倫科技有限公司;Scientz IID超聲波細(xì)胞破碎機(jī):寧波新芝生物科技股份責(zé)任有限公司。
1.3.1 種子培養(yǎng)和發(fā)酵方法
斜面種在32 ℃培養(yǎng)2~3 d;種子液32 ℃、160 r/min培養(yǎng)2~3 d;搖瓶發(fā)酵條件為250 mL三角瓶裝30 mL培養(yǎng)基,160 r/min、32 ℃培養(yǎng)7 d,所有發(fā)酵實(shí)驗(yàn)均三個(gè)平行,計(jì)算平均值。
1.3.2 分析方法[19]
胞外色價(jià)測(cè)定:取一定體積的發(fā)酵液,4 000 r/min離心20 min,上清液經(jīng)定性濾紙過(guò)濾,濾液稀釋至適當(dāng)倍數(shù),用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)410 nm下測(cè)定其OD410nm值,此值乘以稀釋倍數(shù)即為胞外黃色素色價(jià);在波長(zhǎng)510 nm下測(cè)定其OD510nm乘以稀釋倍數(shù)即為胞外紅色素色價(jià),色價(jià)單位用U/mL表示。
胞內(nèi)色價(jià)測(cè)定:離心后的菌體沉淀用體積分?jǐn)?shù)為70%乙醇抽提1 h,然后4 000 r/min離心20 min,上清液過(guò)濾,濾液稀釋至適當(dāng)倍數(shù),測(cè)定其OD410nm,此值乘以稀釋倍數(shù)即為胞內(nèi)黃色素色價(jià);測(cè)定其OD510nm值乘以稀釋倍數(shù)即為胞內(nèi)紅色素色價(jià),色價(jià)單位用U/mL表示。
總黃色素色價(jià)的計(jì)算:總黃色素色價(jià)(U/mL)=胞外黃色素色價(jià)+胞內(nèi)黃色素色價(jià)。
色調(diào)的計(jì)算:色調(diào)=黃色素色價(jià)/紅色素色價(jià)。
細(xì)胞干質(zhì)量(dry cell weight,DCW)的測(cè)定:吸取5 mL發(fā)酵液,4 000 r/min離心20 min,去上清液,沉淀用蒸餾水洗滌,4 000 r/min離心20 min,去上清液,重復(fù)三次后沉淀于80 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定。
橘霉素的檢測(cè):5 mL 發(fā)酵液用5 mL體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇抽提1 h,通過(guò)超聲波細(xì)胞破碎機(jī)破碎后于4 000 r/min離心20 min,離心上清液通過(guò)濾紙過(guò)濾,濾液再用0.45 μm有機(jī)系膜過(guò)濾,吸取濾液20 μL來(lái)進(jìn)行橘霉素色譜檢測(cè)。
HPLC檢測(cè)條件:Aglient 1100的高效液相,柱為Eclipse XDB reverse C18柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),柱溫28 ℃,檢測(cè)器為紫外檢測(cè)器(λ=254 nm);流動(dòng)相(用色譜純磷酸調(diào)pH至2.5)為乙腈/水(35∶65),流動(dòng)相流速為1.0 mL/min[20],進(jìn)樣量20 μL。
以橘霉素質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo),峰面積(y)為縱坐標(biāo),得到橘霉素測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為:y=27.11x-70.647(R2=0.995 1)。
圖1 甘氨酸含量對(duì)紅曲黃色素色調(diào)(A)及色價(jià)(B)和橘霉素(C)的影響Fig.1 Effect of glycine content on Monascus yellow pigments hue (A),color value (B) and cirtinin (C)
由圖1A及圖1B可知,添加適量的甘氨酸有利于黃色素的合成代謝,從色價(jià)考慮,最適甘氨酸添加量為2g/L,此時(shí)發(fā)酵得到的總黃色素色價(jià)增加量分別是沒(méi)添加甘氨酸發(fā)酵時(shí)的69.82%,再增加甘氨酸的添加量時(shí),黃色素色價(jià)的增加趨勢(shì)出現(xiàn)下降,且黃色素色調(diào)下降很快,這說(shuō)明甘氨酸不僅有利于黃色素的合成代謝,也有利于紅色素的合成代謝。綜合色價(jià)及色調(diào)考慮,甘氨酸添加量1g/L為宜。
由圖1C可知,添加甘氨酸能明顯促進(jìn)橘霉素合成代謝,當(dāng)甘氨酸添加量為6 g/L時(shí),橘霉素的合成代謝量是對(duì)照組的6.61倍,提高561%,橘霉素生成量為3.37 mg/L。在本實(shí)驗(yàn)中甘氨酸添加使得發(fā)酵液pH上升,橘霉素生成量上升,這說(shuō)明甘氨酸可能參與了橘霉素的合成代謝,或許為橘霉素的合成代謝提供了結(jié)構(gòu)骨架,至于具體原因有待實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步討究。
圖2 酪氨酸含量對(duì)紅曲黃色素色調(diào)(A)及色價(jià)(B)的影響Fig.2 Effect of tyrosine content on Monascus yellow pigments hue (A) and color value (B)
由圖2可知,添加酪氨酸對(duì)胞內(nèi)黃色素的產(chǎn)量有明顯的提高,但當(dāng)酪氨酸添加量>4 g/L時(shí),黃色素產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)于胞外黃色素而言,添加酪氨酸對(duì)其影響不明顯。酪氨酸添加量為4 g/L時(shí),胞內(nèi)和總黃色素色價(jià)都達(dá)到最大,分別比沒(méi)添加酪氨酸時(shí)高出44.10%和42.46%。同時(shí)隨著酪氨酸的添加,黃色素色調(diào)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但都>2。綜合色價(jià)及色調(diào),酪氨酸添加量4 g/L為宜。
結(jié)果表明,一定添加量的酪氨酸明顯有利于黃色素的合成代謝且發(fā)酵液黃色素色調(diào)下降較慢,同時(shí)對(duì)橘霉素合成代謝影響不明顯,發(fā)酵液中并沒(méi)有檢測(cè)到橘霉素,相比于甘氨酸而言,酪氨酸更適合于作為培養(yǎng)基中的一種底物來(lái)促進(jìn)黃色素的合成代謝。
圖3 亮氨酸含量對(duì)紅曲黃色素色調(diào)(A)及色價(jià)(B)和橘霉素(C)的影響Fig.3 Effect of leucine content on Monascus yellow pigments hue (A),color value (B) and cirtinin (C)
由圖3可知,亮氨酸的添加對(duì)黃色素生成量和色調(diào)的影響不明顯。當(dāng)亮氨酸添加量為3 g/L時(shí),總黃色素色價(jià)相比于沒(méi)添加亮氨酸發(fā)酵時(shí)只高出5.94%。從色調(diào)和色價(jià)的綜合來(lái)看,亮氨酸對(duì)紅曲色素的合成代謝沒(méi)有明顯的促進(jìn)或抑制作用。綜合色價(jià)及色調(diào)考慮,不添加亮氨酸添為宜。
隨著亮氨酸的添加,橘霉素的合成代謝受到一定的消除影響,如當(dāng)亮氨酸添加量為6 g/L和1 g/L時(shí),橘霉素生成量分別為0.36 mg/L和0.47 mg/L,分別是不添加亮氨酸發(fā)酵時(shí)橘霉素生成量的70.59%和92.16%,分別下降29.41%和7.84%(見(jiàn)圖3C),但是至于具體影響原因可能是因?yàn)榱涟彼岵焕谕蛔兙甑纳L(zhǎng)而導(dǎo)致橘霉素代謝生成量下降,也可能是亮氨酸影響了相關(guān)酶的活性從而導(dǎo)致橘霉素的合成代謝受到一定的影響。
由圖4可知,添加適量的天冬氨酸是有利于黃色素的合成代謝,當(dāng)天冬氨酸添加量為1 g/L時(shí),此時(shí)胞外、胞內(nèi)和總黃色素色價(jià)分別高出沒(méi)添加天冬氨酸時(shí)的29.30%、10.019%和12.29%。綜合色價(jià)及色調(diào)考慮,天冬氨酸添加量1 g/L為宜。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,添加適量的天冬氨酸(1 g/L)是較有利于黃色素的合成代謝且發(fā)酵液黃色素色調(diào)也不會(huì)明顯下降,但天冬氨酸對(duì)橘霉素的合成代謝不能起到明顯的消除效果(見(jiàn)圖4C)。當(dāng)天冬氨酸添加量為4 g/L時(shí),橘霉素生成量最大,為1.02 mg/L是不添加時(shí)的2.43倍。
在本實(shí)驗(yàn)中還研究了幾種氨基酸(如苯丙氨酸、組氨酸、纈氨酸、脯氨酸和精氨酸)對(duì)黃色素色價(jià)的影響,結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,相比于沒(méi)添加氨基酸發(fā)酵時(shí)的黃色素色價(jià)而言,隨著各種氨基酸的添加量從1 g/L增加到6 g/L,黃色素色價(jià)減少量都≥20%,有些黃色素減少量甚至達(dá)到83.15%(如苯丙氨酸),結(jié)果都表明這些氨基酸對(duì)黃色素色價(jià)都有不利的影響。
表1 氨基酸對(duì)黃色素色價(jià)的影響Table 1 Effect of amino acid on Monascus yellow pigments color value
氨基酸不利于黃色素的合成代謝很可能是兩個(gè)原因的結(jié)果造成,一是氨基酸對(duì)紅曲霉突變菌株的生長(zhǎng)造成不利從而影響了黃色素量的積累;最主要的原因是氨基酸從代謝途徑上影響了黃色素的合成代謝,抑制了黃色素的合成從而導(dǎo)致黃色素色價(jià)下降。
就橘霉素而言,絕大部分氨基酸對(duì)橘霉素的合成代謝能起到一定的消除效果,結(jié)果見(jiàn)表2。并且隨著氨基酸質(zhì)量濃度的增加,橘霉素的合成代謝受到的抑制作用越明顯,如添加纈氨酸使得橘霉素含量從0.88 mg/L到未檢測(cè)出來(lái),組氨酸的添加是最明顯能消除橘霉素的合成代謝。
表2 氨基酸對(duì)橘霉素合成代謝的影響Table 2 Effect of amino acid on citrinin production by Monascus anka mutant
不論從基因水平還是酶水平,氨基酸作為氮源對(duì)于紅曲色素的合成代謝的調(diào)控十分復(fù)雜,尤其是有些氨基酸本身參與了色素的合成,如有報(bào)道亮氨酸的存在導(dǎo)致了紅曲紅色素的降解[21],但是在本研究亮氨酸對(duì)紅曲黃色素的合成代謝影響不明顯,從色調(diào)上也并沒(méi)有體現(xiàn)出亮氨酸對(duì)紅曲紅色素合成代謝有不利的影響。組氨酸、甘氨酸、酪氨酸和精氨酸有利于紅色素的合成,可以通過(guò)副產(chǎn)物蘋(píng)果酸的生成來(lái)解釋,因?yàn)榧t色素的生成跟蘋(píng)果酸的積累有關(guān)[22]。
最近研究報(bào)道在化學(xué)合成培養(yǎng)基條件下,添加不同的氨基酸來(lái)研究其對(duì)紅色素和橘霉素合成代謝的影響,發(fā)現(xiàn)添加甘氨酸、酪氨酸、精氨酸、絲氨酸和組氨酸有利于Monascus ruberATCC 96218合成代謝紅色素,同時(shí)能明顯抑制橘霉素的合成代謝,谷氨酸、丙氨酸和脯氨酸能有利于橘霉素的合成代謝。組氨酸不僅能有利紅色素的合成代謝,更能完全消除橘霉素的合成代謝,其歸結(jié)于組氨酸形成的H2O2的功勞[14,23]。對(duì)于其他真菌毒素,如寄生曲霉(Aspergillus parasiticus)和皮殼青霉(Penicillium crustosum)中的赭曲霉素,氨基酸對(duì)其也有同樣的效果[24-26]。在本研究中,除了酪氨酸和甘氨酸明顯有利于黃色素合成代謝外,其余都不利于黃色素的合成代謝或影響不明顯,尤其是組氨酸和精氨酸的添加非常不利于黃色素的合成代謝。半胱氨酸鹽酸鹽、苯丙氨酸、組氨酸、纈氨酸和脯氨酸能明顯消除橘霉素的合成代謝,但是甘氨酸能促進(jìn)橘霉素的合成代謝,其機(jī)理還不清楚,有待進(jìn)一步研究,而其他的氨基酸對(duì)橘霉素的合成代謝影響不是很明顯。本文作者認(rèn)為氨基酸消除橘霉素的合成代謝主要有兩個(gè)原因:一是氨基酸在代謝當(dāng)中產(chǎn)生一些化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致橘霉素的合成代謝受到不利影響,如組氨酸在代謝途徑中產(chǎn)生了過(guò)氧化氫,破壞了橘霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu),從而使得橘霉素含量下降[27];二是因?yàn)榘被釋?duì)橘霉素的合成代謝途徑有一定的抑制作用。
從工業(yè)化生產(chǎn)黃色素角度考慮,通過(guò)添加4 g/L的酪氨酸不僅有利于Monascus ankamutant合成代謝黃色素,還能降低橘霉素的代謝生成量。
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