紅曲次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物功能及應(yīng)用于發(fā)酵性飼料的研究進(jìn)展

孫秋婉， 郭 蕾， 洪厚勝

（1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院， 江蘇南京 211816；2.南京匯科生物工程設(shè)備有限公司，江蘇南京 210009）

紅曲起源于中國(guó)，又稱“赤曲”、“丹曲”，是將紅曲菌接種于淀粉質(zhì)原料如大米、 山藥后培養(yǎng)所得的混合物，混合物包括紅曲菌絲體、代謝產(chǎn)物及培養(yǎng)基質(zhì) （夏亦嗣等，2018）。 紅曲在亞洲已有1000 多年的應(yīng)用歷史，主要用做食品工業(yè)的天然色素、 醫(yī)藥工業(yè)的降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)的他汀類(lèi)藥物等。研究證明，紅曲培養(yǎng)液中含有多種活性次級(jí)代謝產(chǎn)物，添加于飼料中可促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)、增強(qiáng)畜禽免疫力、 提高蛋雞的生產(chǎn)性能并使雞蛋中的膽固醇含量降低，極具應(yīng)用價(jià)值。故紅曲已被證明在飼料行業(yè)中有巨大的應(yīng)用前景。

1 紅曲次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物學(xué)功能

1.1 MK 的生物學(xué)功能 Endo（1979）從紅曲霉的發(fā)酵液中，分離出一種活性物，這種活性物能抑制膽固醇生物合成途徑關(guān)鍵酶-羥甲基戊二酰輔酶A 還原酶（HMG-CoA 還原酶），稱為Monacolin K（MK）。 研究表明，紅曲中所含的MK 因其結(jié)構(gòu)與HMG-CoA 相似， 可競(jìng)爭(zhēng)性的與HMG-CoA 還原酶結(jié)合從而減少3-羥基-3 甲基戊酸內(nèi)酯的生成以達(dá)到降低膽固醇的目的（Lee 等，2006）。 除已證實(shí)的降血脂作用以外，MK 對(duì)人體健康還有其他積極作用。 經(jīng)研究表明，MK 類(lèi)藥物可通過(guò)阻斷各種癌癥信號(hào)通路而抑制癌細(xì)胞的生存和增殖，故可與化療藥物聯(lián)合使用以提高治療效率（Ahmadi 等，2018）。 可將MK 用于多種類(lèi)型的癌癥治療，包括急性髓系白血?。–hen 等，2015）、結(jié)腸癌（Hong 等，2008）、胃癌（Zhang 等，2019）、甲狀腺癌（Laezza 等，2008）、肺癌（Sanli 等，2011）等。

將紅曲添加于飼料時(shí)，次級(jí)代謝產(chǎn)物MK 可以降低畜禽體內(nèi)的膽固醇含量，起到降脂的作用。 正因如此，紅曲飼料制品能降低畜禽或者畜禽制品中膽固醇的含量。宋宇軒（2002）為探究中草藥添加劑對(duì)雞蛋膽固醇的影響，于是將紅曲、金銀花和山楂等中草藥制成復(fù)合制劑，添加于蛋雞飼料中。 結(jié)果表明，當(dāng)中草藥制劑添加量為250 mg/kg 時(shí)膽固醇含量降低17.4%（P<0.05），添加量為500 mg/kg 時(shí)膽固醇含量降低25.4%（P< 0.01）。 何冬萍等（2019）研究了葛根紅曲提取物（MRPE）對(duì)肥胖小鼠的改善作用， 這類(lèi)小鼠攝取高脂飼料以誘導(dǎo)其肥胖。結(jié)果表明MRPE 可明顯改善（P<0.05）小鼠體內(nèi)堆積的脂肪，從而達(dá)到控制體重的效果。

研究表明，MK 在一定條件下具有抗菌活性，特別是與其他抑菌藥物聯(lián)合使用時(shí)， 抗菌活性更為明顯。 比如， 將MK 與伊曲康唑 （Zhou 等，2018）、氟康唑（Song 等，2003）聯(lián)用時(shí)不僅能夠抑制白色念珠球菌， 還能影響麥角甾醇途徑中的基因表達(dá)。

對(duì)于畜牧業(yè)來(lái)講， 抗生素的發(fā)現(xiàn)為其發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 但由于抗生素的濫用使得細(xì)菌耐藥性不斷增強(qiáng)， 因此許多國(guó)家開(kāi)始禁止在飼料中添加抗生素。研究發(fā)現(xiàn)紅曲霉的培養(yǎng)液對(duì)細(xì)菌，如枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、大腸桿菌（Escherichia coli）、 金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有較強(qiáng)的抗菌作用（毛瑞豐等，2006）。王玉峰（2014）研究表明，當(dāng)將紅曲米及山楂按一定比例添加于飼料中時(shí)， 產(chǎn)生的促進(jìn)育肥豬生長(zhǎng)及消化率的效果與抗生素相當(dāng)， 而且沒(méi)有毒副作用，是較優(yōu)的飼料添加劑。

1.2 紅曲色素著色功能 紅曲色素在pH 4 ～10時(shí)相對(duì)穩(wěn)定， 酸性條件比堿性條件紅曲色素?fù)p失率更低（Li 等，2003）。 紅曲色素是一種優(yōu)秀的天然色素，具有極佳的著色能力，被廣泛用于食品或飼料行業(yè)（倪斌等，2021）。李泳寧等（2015）將紅曲色素作為發(fā)酵飼料用于蛋雞飼養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在蛋雞日糧中添加0.5% 的富含紅曲色素的發(fā)酵飼料時(shí)，可顯著（P< 0.05）提高產(chǎn)蛋率，同時(shí)降低蛋黃中膽固醇的含量，也使得蛋黃顏色得到改善。同時(shí)，紅曲色素不僅著色能力強(qiáng)，還具有較強(qiáng)的抑菌能力， 故可取代亞硝酸鹽， 將其應(yīng)用于肉制品著色。 通過(guò)紅曲色素著色的肉制品具有美觀的肉紅色和特殊的香味，且不會(huì)有亞硝酸鹽的致畸、致癌風(fēng)險(xiǎn)。李杉杉（2015）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)香腸中添加紅曲色素和異抗壞血酸鈉的量分別為0.12、0.45 g/kg時(shí)，儲(chǔ)存27 d 后的香腸的紅度值為18.97；而當(dāng)亞硝酸鈉添加量為0.12 g/kg 時(shí)， 儲(chǔ)存27 d 后的香腸的紅度值只為12.23。說(shuō)明紅曲色素和異抗壞血酸鈉結(jié)合應(yīng)用于香腸制品中時(shí)可取代亞硝酸鈉。

1.3 其他次級(jí)代謝產(chǎn)物 張敏等（ 2010）研究了紅曲霉合生素對(duì)延邊黃牛瘤胃揮發(fā)性脂肪酸（VFA）濃度變化的影響，同時(shí)也探究在飼料中添加了紅曲霉合生素后的表觀消化率。 結(jié)果表明紅曲霉合生素可提高 （P< 0.05） 延邊黃牛瘤胃VFA，同時(shí)發(fā)現(xiàn)表觀消化率均顯著（P< 0.05）高于對(duì)照組。簡(jiǎn)仕燕等（ 2020）通過(guò)評(píng)判山羊瘤胃產(chǎn)氣量（GP）與發(fā)酵參數(shù)，從而探究了紅曲米酒糟作為飼料原料的可行性。研究結(jié)果證明，紅曲米酒糟可增加GP（P< 0.05），同時(shí)瘤胃液中的木聚糖酶和纖維二糖酶活性均顯著（P< 0.05）高于對(duì)照組，以此說(shuō)明，紅曲米酒糟可用作山羊飼料原料。

總的來(lái)說(shuō)， 紅曲制品的次級(jí)代謝產(chǎn)物在飼料行業(yè)有不同的應(yīng)用， 比如紅曲中含有的各種酶可使畜禽的消化速率提高，促進(jìn)畜禽健康生長(zhǎng)，達(dá)到預(yù)防疾病的目的；紅曲色素添加在飼料中喂母雞，不僅可以提高母雞的產(chǎn)蛋率、增強(qiáng)母雞免疫力，還能使雞蛋黃的顏色更誘人； 紅曲MK 添加在飼料中，可降低畜禽的膽固醇含量；紅曲GABA 添加在飼料中可以提高畜禽的免疫力， 促進(jìn)畜禽健康生長(zhǎng)， 同時(shí)提高畜禽的生產(chǎn)性能以獲取更優(yōu)質(zhì)的畜禽肉制品。

2 紅曲飼料制品的安全性考慮

桔霉素是紅曲發(fā)酵晚期生成的次級(jí)代謝產(chǎn)物，具有腎毒性，可引起腎臟腫大、腎小管擴(kuò)張和腎小球萎縮等（Qusti 等，2015）。 桔霉素毒性的發(fā)現(xiàn)使得歐洲和美國(guó)開(kāi)始停止使用紅曲色素作為食品著色劑（Blanc 等，1995）。 過(guò)高的桔霉素含量會(huì)使畜禽畸變、癌變的可能性加大。故對(duì)紅曲飼料制品而言，桔霉素是一個(gè)安全性考驗(yàn)。作為真菌毒素的桔霉素具有極強(qiáng)的毒性， 科研人員便考慮選用低產(chǎn)或不產(chǎn)桔霉素的菌株來(lái)生產(chǎn)紅曲制品。 陳豪鋒等（ 2010）利用不同劑量射線進(jìn)行誘變育種，以篩選高淀粉酶活力，高產(chǎn)MK、低產(chǎn)桔霉素的優(yōu)良紅曲菌株。 最終獲得了一株變異株丹溪1-1 號(hào)，其具有高淀粉酶活力（提高6.87 倍），高產(chǎn)MK（提高2.4 倍），低產(chǎn)桔霉素（2.10 ppm）的特點(diǎn)。 產(chǎn)竹華等（ 2006） 使用Co 對(duì)實(shí)驗(yàn)室保藏菌株紅曲菌9908 進(jìn)行誘變，再經(jīng)過(guò)初篩-復(fù)篩-連續(xù)傳代穩(wěn)定性試驗(yàn)， 獲得了一株不產(chǎn)桔霉素高產(chǎn)色素的菌株9908A。 許贛榮等（2004）篩選出一株高產(chǎn)開(kāi)環(huán)式MK（高可達(dá)11000 mg/kg）且不產(chǎn)桔霉素的紅曲菌株9901。

目前， 篩選低產(chǎn)或不產(chǎn)桔霉素的誘變方法都采用的是物理或化學(xué)法，雖然這些是可行的方法，但耗時(shí)長(zhǎng)，成功率低。郝常明等（2002）提出了一種新型降低培養(yǎng)基質(zhì)中桔霉素含量的方法， 即多種微生物混合發(fā)酵法。 選用生長(zhǎng)條件與紅曲菌相近的真菌， 這種真菌在生長(zhǎng)過(guò)程中能代謝桔霉素或能抑制桔霉素的中間產(chǎn)物， 利用其與紅曲菌混合發(fā)酵從根本上解決了桔霉素生成這一問(wèn)題。

3 高產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物的紅曲菌株優(yōu)化手段

將紅曲制品應(yīng)用于飼料行業(yè)時(shí)， 次級(jí)代謝產(chǎn)物越多應(yīng)用價(jià)值越大。 研究人員不斷研究以獲取高產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物的培養(yǎng)參數(shù)，總的來(lái)說(shuō)，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

3.1 菌種選育 對(duì)于紅曲菌發(fā)酵生產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物來(lái)講，菌種選育有非常重要的影響。對(duì)于同樣的培養(yǎng)基質(zhì)和培養(yǎng)條件而言， 不同的菌種之間生產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物的能力有極大的不同。通常來(lái)講，紅曲菌的誘變育種是通過(guò)分離篩選以及通過(guò)物理或化學(xué)的手段來(lái)誘變得到高產(chǎn)次級(jí)代謝產(chǎn)物，同時(shí)低產(chǎn)桔霉素的菌株。比如可選用紫外光（UV）作為物理誘變劑，選用甲基磺酸乙酯（EMS）作為化學(xué)誘變劑對(duì)紅曲菌株進(jìn)行誘變， 以提高紅曲菌次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量（Dikshit 等，2018）。

3.2 發(fā)酵基質(zhì)的優(yōu)化 對(duì)培養(yǎng)基質(zhì)的不斷優(yōu)化以找到高產(chǎn)MK、紅曲色素，低產(chǎn)桔霉素的固體培養(yǎng)基質(zhì)是研究人員不斷努力的方向。 紅曲菌在淀粉質(zhì)原料上生長(zhǎng)均良好， 不同種類(lèi)的淀粉質(zhì)原料因其含有其他有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物而使得MK 或色素含量更高。比如用大米和薯蕷做發(fā)酵基質(zhì)時(shí)，所得產(chǎn)物紅色素濃度較高；而用廢豆腐做培養(yǎng)基質(zhì)時(shí)，產(chǎn)物中的橙色素多于紅色素（Priatni 等，2014）。

3.3 碳氮源的優(yōu)化 培養(yǎng)基質(zhì)中的碳氮源對(duì)紅曲菌的生長(zhǎng)和次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成有巨大的影響， 找到合適的碳氮源添加濃度可利于MK、色素、GABA 及其他次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成，可為紅曲飼料制品的應(yīng)用產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。 有研究表明，當(dāng)向培養(yǎng)基質(zhì)中加入硝酸鈉和磷酸氫二鉀時(shí)，GABA 產(chǎn)量可得到提高（Su 等，2003）；向500 g 大米固態(tài)基質(zhì)中添加0.3%的乙醇，可使桔霉素產(chǎn)量降低，MK 和GABA 的產(chǎn)量分別上升3.9 倍和4.7倍（Wang 等，2003）。

4 小結(jié)

近年來(lái)，關(guān)于紅曲菌的研究不斷深入，針對(duì)紅曲制品在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用的研究也得到了進(jìn)展。 對(duì)于紅曲飼料而言，這是一種天然、安全、無(wú)毒副作用且營(yíng)養(yǎng)豐富的飼料， 在發(fā)酵飼料中的應(yīng)用有著巨大的潛力。在今后，對(duì)紅曲的固態(tài)發(fā)酵工藝研究將直接決定紅曲制品的市場(chǎng)應(yīng)用前景。同時(shí)，不斷從菌種篩選、培養(yǎng)基質(zhì)優(yōu)化、工業(yè)發(fā)酵參數(shù)等方面優(yōu)化發(fā)酵工藝， 為紅曲飼料制品的大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)和紅曲在發(fā)酵飼料行業(yè)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。