红曲霉代谢产物及其调控方法的研究进展

王 璐，高梦祥 (长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025)

周开相 (长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

刘仁芳 (长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025)

红曲霉代谢产物及其调控方法的研究进展

王 璐，高梦祥 (长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025)

周开相 (长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

刘仁芳 (长江大学生命科学学院，湖北 荆州 434025)

系统介绍了红曲霉(Monascusspp.)及其主要代谢产物的性质和调控红曲霉代谢产物的方法，提出了物理场辅助发酵法具有选择性好、周期短、应用潜力大的特点，将有望成为调控红曲霉代谢的一项重要的手段。

红曲霉(Monascusspp.)；代谢产物；调控方法

红曲霉(Monascusspp.)属于真菌界(Fungi)、真菌门(Eumycota)、子囊菌亚门(Ascomycotina)、不整子囊菌纲(Plectomyhcetes)、散囊菌目(Eurtotiales)、红曲科(Monascaceae)、红曲霉属(MonascusYan Tiegh)[1]。

中国科学院微生物研究所和轻工部食品研究所正式收集编目的重要红曲霉有8种48个菌株。分别为：紫红红曲霉22株，安卡红曲霉11株，红色红曲霉2株，巴克红曲霉1株，烟红红曲霉7株，发白红曲霉1株，锈色红曲霉1株，变红红曲霉3株[2]。

红曲霉为雌雄同体真菌，菌丝具隔多分枝，有性生殖期形成子束和闭束壳，子束呈球形或棒状不规则地散生在闭束壳中。子束中有8个呈卵球形、光滑、无色或淡红色的子束孢子，成熟后子束壁解体，子束孢子剩留在薄壁的闭束壳中。无性繁殖形成分生孢子，分生孢子单生或向基式生出在菌丝或分枝菌丝的顶端，2～6个成链，初为白色，后呈红色。红曲霉可利用多种碳源和氮源合成红曲色素、洛伐他汀、γ氨基丁酸、桔霉素等代谢产物[3]。

1 红曲霉代谢产物

1.1 红曲色素

红曲色素是多种色素的混合物，主要有红色系和黄色系2大类，这些色素都是聚酮类化合物。经元素定性、紫外线、红外线和可见光吸收光谱分析以及核磁共振谱分析，结果认为红曲色素是由化学结构不同、性质相近的红、橙、黄3类色素组成，已知结构的10种。应用价值主要集中在6种醇溶性的色素：红色的红斑红曲胺、红曲玉红胺，橙色的红斑红曲素、红曲玉红素，黄色的安卡红曲黄素、红曲素[4]。红曲色素作为一种天然色素，安全性高，已广泛应用于各种食品和化妆品中[5]。药理研究表明，红曲色素具有广泛的生物活性。如抑制细胞癌变、抗菌活性、清除活性氧和抗突变等功效[6]。

1.2 洛伐他汀及其盐

洛伐他汀及其类似物作为胆固醇合成抑制剂，能减少或降低体内胆固醇的合成，其浓度只要达到0.001～0.005μg/ml胆固醇的合成就会受阻。另外，洛伐他汀可通过抑制肾小球系膜细胞增生，并能抑制肾小球系膜细胞的增生和细胞外基分泌，从而起到保护肾脏的作用[7]。同时，洛伐他汀的碱金属、土金属盐分别可预防和治疗胆结石、前列腺肥大和肿瘤；能使胆结石形成指数下降，改善前列腺肥大程度；使肿瘤增殖率降低，达到抗肿瘤的效果[8]。

1.3 γ-氨基丁酸和氯化乙酰胆碱

γ-氨基丁酸是大脑的化学传递物质，可调节大脑的兴奋与抑制。Kohama等[9]通过生物活性跟踪分离法，从丛毛红曲霉发酵米中分离得到了2个具有降压作用的化合物γ-氨基丁酸和氯化乙酰胆碱。继而利用自发性高血压大鼠进行了降压活性检测，结果表明二者均表现出降压活性。

1.4 麦角固醇

麦角固(甾)醇是维生素D2的前体。维生素D2可防治婴幼儿佝偻病，促进人体对钙、磷的吸收。麦角固醇还是生产考的松和黄体酮的原料，是一种很重要的药品。毛宁等[10]从红曲及土壤中分离得到8株红曲霉，均能产生麦角固醇，并且其中某些菌株已接近目前工业生产用酵母的发酵水平，同时又能产生红曲色素，而红曲色素存在于发酵液中，可以与存在菌体中的麦角固醇分别提取，具有工业开发和应用的价值。

1.5 桔霉素

桔霉素是红曲霉产生的真菌毒素，为酸性柠檬黄晶体，在甲醇溶液中的紫外最大吸收波长为250nm和333nm。桔霉素难溶于水，而易溶于甲醇、乙腈、乙醇及其他大部分极性有机溶剂[11]。桔霉素具有肾毒性，可引起实验动物的肾脏肿大、尿量增多、肾小管扩张和上皮细胞变性坏死等；还可以诱发肿瘤，致畸、突变[12]。桔霉素严重制约了红曲的广泛应用，已成为红曲产品走向国际的最大障碍，在国外，桔霉素已作为相关食品污染程度的重要指标。红曲产品中的桔霉素问题已经引起相关行业的普遍重视。

2 调控红曲霉代谢产物的方法

2.1 菌株选育法

2.1.1 紫外线及其复合诱变

紫外线诱变是红曲霉育种常见的方法，同时也采用紫外线与其他物理诱变和化学诱变结合的复合诱变方法。红曲霉经紫外线诱变处理后，再经过复筛获得突变株，突变株经连续数次传代，最后得到具有稳定遗传性的高产不同代谢产物的菌株，王玮萍等[13]以此方法获得了1株高产红色素菌株，张建峰等[14]用此方法得到高产多糖的菌株。为了选育到对红曲霉多种代谢产物同时有效的菌株，有研究者采用紫外线和氯化锂以及紫外线与超声波、微波等结合的复合诱变法[15-16]，选育出了色素代谢是比较稳定，桔霉素含量有明显降低的菌株[15]；选育出了高酯化力和低产桔霉素菌株[16]。

2.1.2 辐射、激光和离子束育种

辐射也是一种传统育种方法，产竹华等[17]利用60Co辐射对原本具有桔霉素生产能力的红曲霉进行诱变，筛选得到1株不产桔霉素的菌株。随着物理技术在生物育种的应用，激光和离子束诱变也应用到红曲霉的育种中。戴德慧等[18]采用He-Ne激光诱变红曲霉原生质体，获得1株洛伐他汀产量约是出发菌株的4.1倍的突变株。秦红霞等[19]运用N+离子束注入对紫色红曲菌，获得1株红色素和黄色素相比于原菌株提高了121%，发酵传代稳定性良好突菌株。

2.1.3 分子育种

利用基因工程技术，构建红曲霉的T-DNA随机插入突变菌株库，通过筛选代谢产物产量发生变化的突变菌株。李浩然等[20]通过生物工程手段选育出1株高产洛伐他汀的红曲霉突变菌株，且该突变菌株具有典型的红曲霉生长和发酵特征。同时，红曲霉产生的桔霉素、洛伐他汀和色素都属于聚酮类次生代谢产物，该类物质生物合成途径中的关键酶为聚酮合酶。聚酮合酶具有一定的保守结构域，因此，有学者通过保守序列克隆红曲霉次生代谢产物合成相关酶类基因，探寻红曲霉次生代谢的分子调控。目前只有Chen等[21]报道了洛伐他汀和 Shimizu等[22]报道了桔霉素这2种产物合成相关的聚酮合酶基因，以及相应的基因簇。

2.2 培养基和发酵参数优化法

培养基和发酵参数优化法是目前工业中常用提高红曲霉代谢产物量的方法。

2.2.1 培养基优化法

(1) 洛伐他汀 在以大米作为主要发酵培养基，不同营养成分经优化后，红曲发酵过程中洛伐他汀的代谢量可以得到较高值[23]。高嘉安等[24]证明，红曲霉发酵代谢洛伐他汀时，碳源以甘油为最好，葡萄糖次之。有机氮源能促进菌体的次级代谢，其中牛肉膏、蛋白胨作用优于酵母膏；无机氮源中NaNO3效果好于(NH4)2SO4。C/N比为5.33时，洛伐他汀产量最高。向培养基中加入0.5%的酒精浓度或加入0.5%的NH4Cl均能提高洛伐他汀的产量[25]。

(2)色素 以玉米粉作为碳源的产红色价最高，色调也最红，其次是大米粉[26]。有机氮源明显比无机氮源更利于菌体生长与色素的分泌，蛋白胨作氮源时色价最高，其次为大豆和味精[27]。Mg2+、Zn2+、Fe2对红曲色素合成酶系的形成有较大影响，其添加量影响红曲产色素的能力[28]，在pH较低的环境下易生成黄色素[29]。在培养基中适量添加醋酸可以在色价小幅下降的情况下改善产品的色调[28]。酵母滤液可以促进红曲红色素增产，其水溶性红色素产量最高[30]。在红曲霉培养液中加入6g/100ml的植物油，红色色价比对照组高出73%[31]。

(3) 桔霉素 向培养基中加入0.5%的酒精浓度或加入蛋氨酸和0.5%的尿素均可以降低桔霉素的产量。辛酸和月桂酸及无机铵盐抑制了桔霉素的产量，而玉米油能提高桔霉素的产量[27, 32]。含氮源的培养基会强化桔霉素的生产[33]。

2.2.2 发酵参数优化法

通过单因素试验和正交试验或响应面分析方法优化红曲霉发酵工艺条件，可提高洛伐他汀产量[34]、红曲色素总色价及产量[35]和γ-氨基丁酸的产量[36]。也可以得到在色价较高时桔霉素相对含量最低的发酵工艺[37]。

2.3 物理场辅助发酵法

超声波处理可以使红曲霉菌丝体分散，发酵液粘度降低，物质混合均匀，有利于氧气及营养物质的传递，进而有利于菌体的代谢和产物量的提高[39]。

红色单色光对平板培养的红曲霉菌落形态有明显的影响；在液态发酵时，红光在发酵初期可促进红曲霉的生长并促进其提前进入色素合成期；红光培养与黑暗培养对照相比，其发酵液、菌丝及单位菌丝中产生的色素都有明显提高，并在一定程度上降低了桔霉素的产量[40]。另外，红光稳定且持续地刺激红曲霉生产红色素，而蓝光抑制其生产[41]。

较强的磁场通常会抑制微生物的生长，而弱磁场对微生物生长有促进作用，不同种类微生物其磁效应的结果亦不同[42]。Alvarez等[43]报道极低频磁场对乳酸菌利用奶酪乳清蛋白发酵生产乳酸链球菌肽的影响，得出，在最佳的磁场处理条件下，磁场处理组的底物消耗量和乳酸链球菌肽产量分别比对照组高出3倍和5倍。磁场处理可以改变乳酸菌的代谢途径，增强或抑制乳酸链球菌肽的生产。从宏观上证实了低频磁场辅助发酵能提高代谢产物的生产量。Gao等[44]研究证实低频交变磁场对黑曲霉有生长和代谢产物量有促进作用，并成功把低频交变磁场引入到红曲霉发酵过程中，发现，低频交变磁场可以改变红曲霉的生长发育和代谢产物生成量。

3 结束语

红曲霉是我国重要的微生物资源，能产生广泛的具有生物活性的天然产物，应用到诸多领域。目前，调控红曲代谢产物主要是通过选育菌种、优化培养基和发酵条件及物理场辅助发酵的方法来实现，前两种方法目前研究较多。菌种选育主要通过紫外诱变、离子束诱变、60Co 辐照、等离子辐照等物理化学诱变手段，这些育种方法都具有的方向性差、周期长等缺点。优化发酵条件方法则主要研究碳源、氮源、脂肪酸、温度、通气状况、pH等培养条件的影响，通过这一方法提高红曲霉代谢产物产量的效果很有限。物理场辅助发酵法研究刚刚起步，这种方法可以通过人为控制辅助条件找到对微生物作用最优的条件，具有选择性好、周期短、应用潜力大的特点。因此，有望成为调控红曲霉代谢的一项重要的手段。

[1]中国科学院微生物研究所．常见与常用真菌[M]．北京：科学出版社，1973.

[2]张纪忠．微生物分类学[M]．上海：复旦大学出版社，1990.

[3]中国科学院微生物研究所，中国微生物菌种保藏管理委员会．中国菌种目录[M]． 北京：科学出版社，1983.

[4]Patcharee Pattanagul，Renu Pinthong，Aphirak Phianmongkhol，et al．Mevinolin， citrinin and pigments of adlayangkak fermented byMonascussp[J]．International Journal of Food Microbiology，2008，126：20-23.

[5]雷 萍．红曲中生物活性物质研究进展[J]．食品工业科技，2003，(9)：90-93.

[6]Akihisa T，Tokuda H，Ukiya M，et al．Antitumorinitiating effects of monascin an azaphilonoid pigment from the extract ofMonascuspilosusfermented rice(red-mold rice)[J]．Chem Biodivers，2005，2：1305-1309.

[7]张晓敏，杨 明．红曲及其生物活性物质的介绍[J]．肉类工业，2009，(12)：32-36.

[8]Gower T，Graham B S．Antivirval activity of lovastatin against respiratory syncytial virusinvivoandinvito[J]．Antimicro Agents Chemother，2001，45：1231-1237.

[9]Kohama Y，Matsumoto S， Mimura T， et al． Isolation and identification of hypotensive principles in red-mold rice[J]．Chem Pharm Bull，1987，35：2484-2489.

[10]毛 宁，陈松生．红曲霉有效成分的生理活性及应用研究[J]．中国酿造，1997，(1) ：9-12.

[11]Xu B，Jia X，Gu L，et al．Review on the qualitative and quantitative analysis of the mycotoxin citrinin[J]．Food Control，2006，17：271-285.

[12]王玮萍，吴思方，曾 莹，等．红曲霉红色素高产菌株的诱变选育[J]．中国酿造，2003，(3)：26-28.

[13]张建峰，陈 光，黄梅花，等．红曲霉紫外诱变选育多糖高产菌株[J]．吉林农业大学学报，2006，28(1)：22-24.

[14]盖栋梁，邹 晓，刘爱英，等．紫红曲菌的诱变育种研究[J]．莱阳农学院学报(自然科学版)， 2006，23(4)：293-296.

[15]方春玉，周 健， 邓 静，等．高产红曲色素的紫红红曲霉诱变育种技术研究[J]．中国酿造， 2008，23(12)：19-22.

[16]方春玉，周 健，吴华昌，等．高酯化力低产桔霉素的红曲霉诱变育种的研究[J]．食品工业科技，2011，32(5)：203-205.

[17]产竹华，许赣荣．不产桔霉素红曲诱变菌株的选育及色素发酵条件的优化[J]．食品与发酵工业，2006，32(11)：28-31.

[18]戴德慧，郭爱莲，蒋家新．He-Ne激光对红曲霉M9x的原生质体诱变育种[J]．食品科学，2005，26(11)：75-78.

[19]秦红霞，周立平，嘉晓勤． N+离子注入筛选高产色素的红曲菌株及其发酵条件的研究[J]．中国酿造，2011，(4)：68-71.

[20]李浩然，欧阳藩．红曲酶固态发酵生产洛伐他汀的研究[C]．生化工程进展—生化工程国家重点实验室论文集，1998.

[21]Chen Y P, Tseng C P, Liaw L L, et al. Cloning and characterization of monacolin K biosynthetic gene cluster fromMonascuspilosus[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008，56：5639-5646.

[22]Shimizu T， Kinoshita H，Nihira T. Identification andinvivofunctional analysis by gene disruption of ctnA， an activator gene involved in citrinin biosynthesis inMonascuspurpureus[J]．Applied and Environmental Microbiology，2007，73：5097-5103.

[23]熊晓辉，张李阳，韦 策，等．红曲霉菌产MonacolinK固体发酵条件的优化[J]．无锡轻工大学学报，2004，23(1)：9-12.

[24]高嘉安．产MonacolinK红曲霉菌的筛选及发酵条件的研究[J]．吉林农业大学学报，1997，19(3)：85.

[25]Jyh-Jye Wang， Chung Lin Lee， Tze Ming Pan． Improvement of monacolin K，γ-aminobutyric acid and citrinin production ratio as a function of environmental conditions ofMonascuspurpureusNTU 601[J]． J Ind Microbiol Biotechnol， 2003，30：669-676.

[26]郭红珍，王秋芬，马立芝．不同培养条件对红曲霉产红曲色素的研究[J]．食品科学，2008，29(1)：215-218.

[27]虞慧玲，聂小华， 许赣荣． 低桔霉素红曲色素液态发酵工艺的研究[J]．中国酿造，2005，(9)：21-24.

[28]杨成龙．高色价红曲米色调定向培养条件的研究[J]．中国食品添加剂，2010，(2)：82-87.

[29]Chen M H ，Johns M R. Effect of pH and Gitrofen Source in Pigment Production byMonascusPurpurerus[J]．Appl Microbiol Biotechnol，1993，40： 132.

[30]周帼萍，潘志辉，梅叶娟，等．酵母发酵滤液促进红曲红色素增产的初探[J]．武汉工业学院学报，2005，24(3)：5-7.

[31]连喜军，王昌禄，颇晓波，等．植物油、青霉素对红曲霉深层发酵红曲红色素色价的影响[J]．氨基酸和生物资源，2003，25(2)：41-44.

[32]周 波，朱明军，王菊芳，等．铵盐对红曲黄色素．红色素及桔霉末代谢形成的影响[J]．重庆工学院学报，自然科学．2009,23(1)：46-53.

[33]邢淑婕，刘开华．培养条件对红曲霉产红曲色素及桔霉素影响的研究[J]．中国食品添加剂，2010，(1)：112-116.

[34]甘 锋，唐建忠，王 轩，等．响应面法优化红曲霉固态发酵产Monacolin K工艺条件的研究[J]．中国食品添加剂，2011，(1)：131-136.

[36]丁海洋，孟惠惠，盛承承，等．红曲霉JR摇瓶分批补料发酵产红曲色素的研究[J]．中国酿造，2009，(12)：91-93.

[37]叶 砚，蒋冬花，嵇 豪．响应面法优化红曲霉X27液态发酵产γ-氨基丁酸工艺条件[J]．中国粮油学报，2010，25(9)：106-110.

[38]季宏飞，许 杨，李燕萍．采用响应面法优化红曲霉固态发酵产红曲色素培养条件的研究[J]．食品科技，2008，(8)：9-12, 27.

[39]杨胜利，王金宇 邹彦平，等．超声波照射对红曲Monacolin K产量的影响[J]．食品与发酵工业，2002，29(2)：66-68.

[40]王昌禄，张晓伟，陈勉华，等．红光对红曲霉生长及次级代谢产物的影响[J]．天然产物研究与开发，2009，(1)：91-95.

[41]Tsuyoshi Miyake，Akira Mori，Toshie Kii，et al.Light effects on cell development and secondary metabolisminMonascus[J]．Microbiol Biotechnol，2005，32：103-108.

[42]Lipiec J，Janas P，Barabasz W．Effect of oscillating magnetic field pulses on the survival of selected microorganisms[J]．International Agrophysics， 2004， 18：325-328.

[43]Alvarez D A，Perez V H，Justo O R，et al． Effect of the extremely low frequency magnetic field on nisin production byLactococcuslactissubsp． lactis using cheese whey permeate[J]．Process Biochemistry， 2006，41：1967-1973.

[44]Gao M X.，Zhang J L， Feng H． Low-frequency magnetic field effects on metabolite ofAspergillusniger[J] Bioelectromagnetics，2011，32：73-78.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2012.01.011

Q935

A

1673-1409(2012)01-S038-04

2011-11-28

王 璐(1986-)，女，河南郑州人，硕士生，研究方向为红曲霉代谢的物理调控方法。

高梦祥，E-mailmxgao0398@yahoo.com.cn。