紅曲霉代謝產(chǎn)物的研究進展與應用

顏麗，劉秀河，李鈺涵

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，濟南 250353)

紅曲霉是一種傳統(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)物也不斷地被發(fā)現(xiàn)，其中包含一些初級代謝產(chǎn)物，如蛋白酶、淀粉酶、酯化酶、糖化酶等，和一些次級代謝產(chǎn)物，如紅曲色素、莫納克林K、桔霉素等。目前為止，關(guān)于紅曲霉產(chǎn)物的研究非常多，文章主要是將近年來對于紅曲霉產(chǎn)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(chǎn)生的酶中生產(chǎn)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(wěn)定性。陳景智等[1]優(yōu)化了液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)糖化酶的工藝，使糖化酶活力達到了1652.36 U/mL，是優(yōu)化前的14.08倍。此外，紅曲霉產(chǎn)蛋白酶的研究也時有報道，王秋辰等[2]采用固態(tài)發(fā)酵方法優(yōu)化了紅曲霉產(chǎn)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(nèi)就有關(guān)于紅曲霉產(chǎn)酯化酶的報道，但是近年來，國內(nèi)對于酯化酶的應用達到了巔峰，尤其是在釀酒行業(yè)。王艷等[3]以貴州酒廠的中溫大曲中分離出的產(chǎn)酯化酶的紫紅色紅曲為目標，對其溫度、發(fā)酵時間、蔗糖濃度等進行了優(yōu)化，得到了最佳條件，此時其酯化酶活性為355.62 U/mL，比優(yōu)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(chǎn)木聚糖酶、脂肪酶等的研究。

2 紅曲霉次級代謝產(chǎn)物研究

在紅曲霉的代謝產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)紅曲色素

紅曲色素是紅曲霉發(fā)酵而成的天然食用色素，傳統(tǒng)的紅曲色素都是以大米為原料，采用固態(tài)發(fā)酵的形式生成的，近十幾年來才開始采用液態(tài)發(fā)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(chǎn)量。目前主要通過3種方式：第一種方式是通過優(yōu)化工藝來提高產(chǎn)量。Silbir等[4]用紅曲霉在啤酒廢液水解液中發(fā)酵生產(chǎn)紅曲色素，得出當接種比為2%、氮源為谷氨酸鈉、pH為6.5、轉(zhuǎn)速為350 r/min、發(fā)酵液量為50 mL的條件下，紅曲色素的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量的影響，得出當pH值為2～2.5時紅曲霉產(chǎn)紅曲黃色素最高，當pH值為3～3.5時橙色色素產(chǎn)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(yǎng)10 d之后，黃、橙、紅色素的產(chǎn)量分別提高了1.7，1.4，1.4倍，證明NaCl可以促進紅曲霉產(chǎn)色素。Maric等[7]以糙米和谷子為基質(zhì)，培養(yǎng)了6株紅曲霉，進行高產(chǎn)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(zhì)的菌株產(chǎn)色素含量最高。第三種方式是通過誘變、基因轉(zhuǎn)錄、基因克隆等方式提高紅曲色素產(chǎn)量，例如對基因進行敲除，克隆出相關(guān)基因等。Liu等[8]利用室溫和常壓等離子體(ARTP)誘變系統(tǒng)，通過液態(tài)發(fā)酵產(chǎn)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，F(xiàn)eSO4·7H2O為 0.02 g/L，NH4NO3為4.85 g/L時，紅曲色素的產(chǎn)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(zhuǎn)化子，結(jié)果表明在以米粉為原料的紅曲霉產(chǎn)色素培養(yǎng)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(chǎn)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(jīng)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(fā)現(xiàn)的，之后我國才開始對紅曲霉產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)譜儀(UPLC-QTOF-MS/MS)、比較蛋白質(zhì)組學和定量實時逆轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(diào)控提供了理論依據(jù)。Zhang等[12]在紅曲霉培養(yǎng)基中加入了谷氨酸來進行優(yōu)化，實驗結(jié)果表明在谷氨酸培養(yǎng)基中莫納克林產(chǎn)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(chǎn)莫納克林K的最佳基質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，又系統(tǒng)地研究了發(fā)酵時間、投加量、初始含水量和接種量對固態(tài)發(fā)酵的影響，結(jié)果表明在最佳條件下，莫納克林K的產(chǎn)量最高可達到19.81 mg/g。

2.3 紅曲霉產(chǎn)桔霉素

談及紅曲霉代謝產(chǎn)物，桔霉素必不可少。桔霉素于1995年由法國學者Blance 等發(fā)現(xiàn)，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(fā)細胞突變、導致腫瘤，這使得紅曲產(chǎn)品的安全性受到國際社會的廣泛關(guān)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(fā)現(xiàn)以苦蕎麥仁、小米為培養(yǎng)基基質(zhì)，發(fā)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(fā)現(xiàn)了碳氮源種類對于減少桔霉素的產(chǎn)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(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)低頻磁場(LF-MFS)能降低紅曲霉發(fā)酵過程中桔霉素的產(chǎn)量，結(jié)果與對照相比，桔霉素的產(chǎn)量降低了46.7%，因此LF-MFS在蛋白質(zhì)水平上減少了桔霉素的產(chǎn)生。

2.4 紅曲霉產(chǎn)γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(GABA)是紅曲霉中一種重要的代謝產(chǎn)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(fā)酵青稞產(chǎn)γ-氨基丁酸，得出當培養(yǎng)基基質(zhì)青稞∶玉米粉∶黑豆粉∶米粉為48∶10∶17∶15時其產(chǎn)量為(24.62±0.18) mg/100 g。

3 紅曲霉代謝產(chǎn)物的應用

3.1 紅曲霉代謝產(chǎn)物在食品中的應用

紅曲霉產(chǎn)生的酶類物質(zhì)，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(zhì)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(diào)色以及一些調(diào)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(diào)色，得到的醬油沒有人工焦糖色素的副產(chǎn)物4-甲基咪唑，且色彩濃郁，完全能通過國內(nèi)外權(quán)威檢測機構(gòu)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(chǎn)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(jīng)過發(fā)酵或發(fā)芽加工處理后, 豆類產(chǎn)品中γ-氨基丁酸含量均顯著提高, 營養(yǎng)品質(zhì)顯著改善。因此，發(fā)酵豆制品和發(fā)芽豆產(chǎn)品是優(yōu)良的保健食品資源[23]。

3.2 紅曲霉代謝產(chǎn)物在醫(yī)藥中的應用

紅曲霉代謝產(chǎn)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(jié)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(chǎn)物在釀造中的應用

紅曲霉會產(chǎn)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(chǎn)生豐富的香味物質(zhì)中發(fā)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(huán)，減少了膽固醇的合成。蒸餾酒后產(chǎn)生的黃水和尾水中含有豐富的有機酸，加入紅曲霉菌培養(yǎng)物后可以將黃水、尾水中的酸和醇轉(zhuǎn)化為酯類物質(zhì)，用于增加酒的主體香。在傳統(tǒng)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(xié)調(diào)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(chǎn)物研究展望

相較于醫(yī)藥行業(yè)，食品行業(yè)與釀酒行業(yè)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(chǎn)物的研究主要集中在發(fā)酵工藝的優(yōu)化方面，尤其是初級代謝酶方面的研究，由于環(huán)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(shè)備與檢測手段的創(chuàng)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(chǎn)量一直不高，減少桔霉素的產(chǎn)生已成為當前紅曲霉生產(chǎn)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(chǎn)出，采用基因克隆以及當前流行的蛋白組學技術(shù)，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(chǎn)出規(guī)律和代謝關(guān)系，這樣可以極大地加深其開發(fā)潛能。