红曲霉在酿酒行业中的应用研究进展

2018-03-26代文婷吴宏郭安民代俊辉雷用东

食品与发酵工业 2018年1期

代文婷，吴宏*，郭安民，代俊辉，雷用东

1(新疆农垦科学院农产品加工研究所，新疆石河子，832000) 2(新疆农垦科学院农产品加工重点实验室，新疆石河子，832000) 3(新疆生产建设兵团第七师农业局，新疆奎屯，833200)

红曲霉(Monascus)是自然界中广泛存在的一类丝状腐生真菌，能产生红曲色素、莫纳可林K(Monacolin K)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)、酯化酶和糖化酶等，在酿酒、食醋、酱油、天然食用色素及医药等制造方面都有重要应用价值[1-5]。近年来，我国酿酒企业通过自主创新来提高酒的品质及功能性，既丰富了酒类产品文化内涵，又满足了随着生活水平的提高，消费者对传统酒类营养保健功能的旺盛需求。红曲霉是我国重要的传统酿酒微生物，其代谢产生的生理活性物质中红曲色素是一类聚酮类色素，也是优质天然食用色素，主要包括黄色色素、橙色色素和红色色素[6-7]。它还具有多种生物活性，如抗突变[2]、抗癌[8]、抗肥胖[9-10]、抗菌防腐及抗氧化等[11-12]；Monacolin K是红曲霉产生的次级代谢产物，有降血脂、降胆固醇等作用，可有效降低心肌梗塞和冠心病等发病率和死亡率，其质量浓度仅在0.001～0.005 μg/mL即可阻碍胆固醇合成[13-16]；GABA是一类重要的非蛋白质氨基酸，具有增强记忆、改善脑功能、抗高血压、提高肝肾机能等生理活性[17-18]。如何将传统与创新结合，最大程度发挥红曲霉在酿酒工业中的作用已成为当前行业研究热点。本文重点阐述了红曲霉在白酒、黄酒、保健酒中的功能与应用，探讨了研究中存在的问题，为红曲霉在酿酒行业中的深入开发利用及红曲霉资源的深度挖掘提供参考。

1 红曲霉在白酒中的应用

红曲霉可代谢产生对白酒酿造至关重要的糖化酶、酯化酶等酶活力，若在酿酒中加入适当比例红曲霉，不仅能提高对物料的利用率和糖化时间，还能根据特定的发酵条件，控制发酵过程中所需酯类的合成，进而获得具有独特口感、香味的酒[19-20]。

糖化酶是一种具有外切酶活性的胞外酶，能将淀粉转化为葡萄糖，在白酒酿造中起着重要作用，它为白酒中微生物的生长及其代谢产物的产生提供物质基础。魏明英等人[21]对红曲霉液态发酵培养基优化后的糖化力达139.13 U/g，比优化前提高了2.4倍；郑志勇等人[22]从25株红曲霉菌株中筛选确定出了1株具有高酯化力和高糖化力的菌株，糖化酶活力接近700 U/g，利于提高白酒产率；孙继民等[23]经过筛选、诱变得到1株紫红曲菌，该菌株糖化酶活力提高了20.8%，酶活力达35 000 U/g左右，使粮醅发酵升温快，发酵周期缩短，提高原料出酒率；也有研究报道，在清香型麸曲白酒酿造中，添加红曲霉制成的糖化发酵剂比不添加此发酵剂所得白酒的出酒量大、香气持久，且酒中总酸和总酯的含量也有所增加[24]。

酯化酶能够促进基酒中各种生香酯类物质的合成，直接影响到酒的风味口感及营养价值。浓香型白酒发酵过程中添加红曲霉，其代谢产生的酯化酶能较强促进己酸乙酯的合成，进而改善酒的风味、质量；清香型白酒发酵过程中添加红曲霉，对提高乙酸乙酯含量、增香提质效果明显。王晓丹等[25]将酯化酶粗酶制剂应用于浓香型大曲酒的酿造，使用曲量降低了5%，出酒率及优品率均提高约5%，己酸乙酯与乳酸乙酯的比例提高约1%；张聪芝等人[26]发现在红曲霉固态发酵产酯化酶过程中，添加乳酸与乙醇可明显提高红曲霉酯化力，这与红曲霉嗜乳酸、乙醇促菌体生长有关。目前白酒酿造中多用红曲霉制成的强化大曲或粗酶制剂来提高酯类的合成，但仍存在活性较低、不稳定、效果不明显等问题，可借助工程技术提纯酯化酶，制成稳定性高的酶制剂；还可通过基因工程、诱变育种等技术整合或筛选、诱变出高产酯化酶和糖化酶的红曲霉菌种，以提高白酒产率、品质及改善白酒风味。此外，通过添加外源物质，如葡萄糖、乳酸、乙醇及新鲜酵母培养物等，也能提高红曲霉产酶能力。

红曲霉是白酒酿造中的重要微生物，但其在白酒中的开发利用程度还远远不够。多数企业对红曲白酒的开发意识不强，产品创新理念薄弱[27]，但也有少数企业如贵州茅台则创造性地将传统酿造工艺与红曲完美结合，酿造出了高端酱香红曲白酒，不仅传承弘扬了国酒文化，还力将“红色传奇”推向国内外市场。但目前针对白酒中红曲霉的遗传背景及其重要基因的本质、功能、变化等相关报道很少，如何成熟运用分子生物学方法深入解析红曲霉的物质代谢及分子结构与功能，对其进行基因敲除、定向改造，以获得安全、高产的功能红曲菌株并成功应用于白酒酿造[28]，还需探索。

2 红曲霉在黄酒中的应用

黄酒源于我国，与葡萄酒、啤酒并为世界三大古酒。黄酒是在谷物和水中添加酒曲后经糖化发酵酿制成的风味独特、特色鲜明的发酵产物，它含有丰富的氨基酸、活性肽和蛋白质等活性物质，而红曲霉作为一种高效糖化发酵剂，其发酵过程中能产生红曲色素、GABA和Monacolin K等多种功能物质[29-30]，故被广泛用于黄酒酿造。

有研究表明，将红曲色素勾兑在酒中，可以赋予酒类独特的色泽，还可延长酒的保质期[31]；福建的老红酒、义乌丹溪红曲酒、金华寿生酒和台湾的红露酒，均在发酵过程中加入了红曲，酒体颜色鲜艳、香味浓郁、保健功能较强，且保质期长[2,32]；陈雪梅等人[33]利用红曲霉发酵产物的增香着色功能，于熟制糯米中接种20%红曲霉，在35 ℃发酵120 h，酿造出了酒体协调、色泽红亮、口感香醇的甜米酒；何东萍等人[34]以液态红曲替代固态红曲酿造红曲黄酒，发现前者所酿酒样色值中的a值明显高于后者，酒体颜色更红，且理化及感官指标基本符合清爽型干黄酒的国标要求，进一步表明液态红曲替代固态红曲酿制红曲黄酒是可行的。倪赞[35]给小白鼠灌喂黄酒，发现小鼠记忆能力明显提高，这与GABA密切相关；另有报道[29]，古越龙山绍兴黄酒中GABA含量高达348 mg/L，适当饮用能降低心肌梗死发病率；黄敏欣等[36]检测发现，经红曲发酵的黄酒，其GABA含量高达257.4 mg/L，是未添加红曲所酿黄酒的2.16倍，可见红曲霉能够提高黄酒的营养价值。Monacolin K能竞争性抑制HMG-CoA还原酶活性，阻碍胆固醇合成，起到预防多种心脑血管疾病的功效[37]，因而由红曲霉酿制的黄酒是降血脂的健康饮品，国内外目前在提高Monacolin K的产量[38-39]方面取得了一些进展，但针对其在黄酒等酒类中的研究应用相对较少。

红曲黄酒属性温热，热敏性体质的人群夏季饮用易“上火”，梁璋成等人[40]对此在黄酒初酿酒中添加了凉性绿茶提取物，不仅延缓了红曲黄酒中红色素的降解，还改善了黄酒口感，降低了黄酒热度，这一研究为黄酒新产品的开发提供了依据。红曲霉在黄酒发酵过程中发挥着重要作用，而发酵期间伴有多种微生物共同发酵，这些微生物之间是否存在协同或拮抗作用；黄酒中红曲霉代谢产生的功能成分的形成和变化规律以及这些功能成分之间的关系和规律；黄酒加工工艺等方面都需要做更深入的研究，继而为黄酒的品质提高及功能开发提供理论参考。

3 红曲霉在保健酒中的开发应用

保健酒在酿制过程中添加了中药材或其他营养成分，它是药酒的分支，却不以治疗为目的，它含有的不同功效成分，使其具有抗疲劳、抗衰老、健脾胃和提神醒脑等保健功能[41-42]，红曲霉因具有较强的糖化力和药食同源性，不仅为酒液增色增香，其代谢活性成分也有调节机能，滋补养生等功效，被广泛用于生产红曲保健酒。

姜忠丽等[43]则利用红曲霉发酵糙米酵素和大米，成功研制出具有抗疲劳功能的糙米酵素红曲酒，通过测试得到氧自由基清除率达12.69%；蒲立柠等[44]利用紫色红曲霉经过固态发酵青稞麸皮和薏仁，酿制出Monacolin K含量为110.556 mg/kg的新型红曲保健酒，为高原青稞的副产物综合利用提供了新思路；另有研究者[45]利用自制红曲发酵糯米、枸杞，研制出口感醇厚，Monacolin K含量达120 mg/L，乙醇体积分数为12.6 %的红曲枸杞保健酒；李谣等[46]研制的苦荞红曲保健酒，酒体均匀、酒味醇和，总酚含量2 243.01μg /mL，总黄酮含量928.18 μg/mL，还含有17种氨基酸，总量达2 481.48 mg /L；黄丹丹等人[47]分析对比了苦荞红曲保健酒与普通黄酒抗氧化活性，表明前者对DPPH自由基、ABTS自由基的清除能力及对Fe3+还原能力均强于后者。上述关于红曲霉在保健酒中的应用研究，大多是从已知的生理活性产物入手，忽略了未知功能物质的挖掘，若采用传统的分离纯化手段研究纯菌，同时利用蛋白组学和代谢组学等方法研究纯种红曲霉的代谢特性，可能会发现红曲霉更多独特的功能性代谢成分；其次，酿造保健酒所用原料的产地、品种不同，造成酒的质量参差不齐，为提高保健酒的质量及品质稳定性，必须对原料的来源和质量进行严格地控制；此外，保健酒的酿造工艺也需要得到持续改进与提升，出酒率和有效成分含量提高的同时，生产成本也能降低，以此深入推进我国保健酒产业优质高效发展。

4 展望

红曲霉在酿酒行业中的应用研究，今后可重点集中在如下方面：(1)为强化酒中生物活性物质和功能因子，红曲霉可复合多菌种或多种食药同源的原料共同发酵，深层次探究发酵过程中各个阶段所产生的功能物质以及它们的作用机理、合成途径、变化过程及相互关系，以便更好地控制和利用它们；(2)桔霉素是红曲霉代谢过程中产生的一种极具肾毒性的真菌毒素，能诱发突变、致畸、致癌，关系着红曲产品安全，但其在酿酒行业中的相关报道较为鲜见，应加强此方面的研究与监测，通过同位素跟踪了解红曲霉代谢过程，而后加入相应抑制剂或优化发酵工艺等手段降低或阻断桔霉素生成；(3)采用基因诱变、基因重组等生物技术选育出安全、高产活性物质及有效成分的菌株，以提高红曲霉应用于酿酒中的科技含量和安全性，使之与生态酿酒[49]相契合。

[1] SRIANTA I,RISTIARiINI S,NUGERAHANI I, et al.Recent research and development ofMonascusfermentation products[J].International Food Research Journal,2014,21(1):1-12.

[2] FENG Yan-li,SHAO Yan-chun,CHEN Fu-sheng.Monascus pigment[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2012,96(6):1 421-1 440.

[3] LV XC,HUANG ZQ,ZHANG W,et al. Identification and characterization of filamentous fungi isolated from fermentation starters for HongQuglutinous rice wine brewing[J].The Journal of General and Applied Microbiology,2012,58(1):33-42.

[4] WANG Bo,ZHANG Xuehong,WU Zhenqiang,et al. Biosynthesis of Monascus pigments by resting cell submerged culture in nonionic surfact-ant micelle aqueous solution[J].Appl Microbiol Biotechnol,2016,100(16):7 083.

[5] 吉达维.功能红曲影响胆固醇代谢相关基因的初步研究[D].天津:天津科技大学,2014.

[6] CHEN G,BEI Q,SHI K,et al.Saturation effect and transmembrane conversion of Monascus pigment in nonionic surfactant aqueous solution [J].Amb Express, 2017,7(1):24-35.

[7] 周文斌,贾瑞博,李燕,等.红曲色素组分、功效活性及其应用研究进展[J].中国酿造, 2016, 35(7):6-10.

[8] ZHENG Y Q,XIN Y W,SHI X N,et at.Anti-cancer effect of rubropunctatin against human gastric carcinoma cells BGC-S23[J].Appl Microbiol Biotechn,2010,88(5):1 169-1 177.

[9] CHOE D,LEE J,WOO S,et al.Evaluation of the amine derivatives of Monascus pigment with anti-obesity activities[J].Food Chemistry, 2012,134(1):315-323.

[10] KIM JH,KIM YO,JEUN J.L-Trp and L-Leu-OEt derivatives of the Monascus pigment exert high anti-obesity effects on mice[J].Biosci Biotechn Biochem, 2010,74(2):304-308.

[11] VENDRUSCOLO F,BüHLER RMM,CARVALHO JCD,et al.Monascus: a reality on the production and application of microbial pigments[J].Applied Biochemistry and Biotechnology,2016,178(2):211-223.

[12] YULIANA A, SINGGIH M,JULIANTI E,et al.Derivates of azaphilone Monascus pigments[J].Biocatalysis and Agricultural Biotechnology,2017,9:1 -15.

[13] 王玲,吴军林,吴清平.红曲降血脂功能的研究及应用概况[J].食品工业科技,2014,35(8): 387-389;393.

[14] FUJIMOTO M,TSUNEYAMA K, CHEN SY,et al. Study of the effects of monacolin K and other constituents of red yeast rice on obesity, insulin-resistance, hyperlipidemia, and nonalcoholic steatohepatitis using a mouse model of metabolic syndrome[J].Evidence-Based Compl-ementary and Alternative Medicine,2012,2012(4):1-11.

[15] KWON HJ,BALAKRISHNAN B,KIM YK.Some Monascus purpureus genomes lack the monacolin K biosynthesis locus[J]. Journal of Applied Biological Chemistry,2016,59 (1):45-47.

[16] ZHANG Z,ALI Z,KHAN SI,et al.Cytotoxic monacolins from red yeast rice,a Chinese medicine and food[J].Food Chemistry,2016,202:262- 268.

[17] NISHIMURA M,YOSHIDA S,HARAMOTO M,et al.Effects of white rice containing enriched gamma-aminobutyric acid on blood pressure [J].Journal of Traditional and Complementary Medicine, 2016,6(1):66-71.

[18] ALI BH,ALSALAM S,ZA'ABI MA,et al.Renoprotective effects of gamma-aminobutyric acid (GABA) on cisplatin-induced acute renal injury in rats[J].Basic and Clinical Pharmacology and Toxicology,2015,116(1) :62-68.

[19] 袁国兴.红曲米中蛋白酶、酯化酶的活性研究[D].济南:山东轻工业学院,2012.

[20] LUO HB,WEI CH,YUAN XL.Study on the metabolites of a bacteria strain producing esterifying synthetase[J].Advanced Materials Research,2012,550-553:1 080-1 084.

[21] 魏明英,邬应龙,杨性民.紫红曲霉发酵大米淀粉糖化酶的制备[J].粮油食品科技, 2005, 13(5):7-9.

[22] 郑志勇,潘佩平.高糖化酶和高酯化能力的红曲霉菌株筛选[J].山西科技,2016,31(6):44-46.

[23] 孙继民,魏宝阳,陈曜芸,等.高产糖化酶菌株的筛选与诱变育种[J].激光生物学报,2008, 17(6):802-806.

[24] 赵东,胡晓龙,彭志云,等.浅谈红曲霉在白酒中的应用[J].酿酒,2010,37(2):11-13.

[25] 王晓丹,胥思霞,班世栋,等.红曲酯化酶粗酶制剂在浓香型青酒大曲酒生产中的应用研究[J].酿酒科技,2014(7):57-60.

[26] 张聪芝,葛向阳,张伟国.添加外源物质对红曲霉固态发酵产酯化酶的影响[J].食品与生物技术学报,2012,31(11):1 221-1 225.

[27] YAO Jie,LIU Tongqiang.Evaluation of the competitiveness of China’s liquor enterprise based on factor analysis method[J].Atlantis Press, 2015,4:618-621.

[28] 郭季冬.红曲霉桔霉素合成相关基因的筛选与功能验证[D].天津:天津科技大学,2014.

[29] 倪莉,吕旭聪,黄志清,等.黄酒的生理功效及其生理活性物质研究进展[J].中国食品学报,2012,12(3):1-7.

[30] WU Z,XU E,LONG J,et al.Rapid measurement of antioxidant activity and γ-aminobutyric acid content of chinese rice wine by fourier-transform near infrared spectroscopy[J].Food Analytical Methods,2015,8(10):2 541-2 553.

[31] MOSTAFA ME,ABBADY MS.Secondary metabolites and bioactivity of the monascus pigments review article[J].Global Journal of Biotechnology and Biochemistry,2014,9 (1):1-13.

[32] 孙晓莎,任顺成.天然食用色素的研究进展[J].食品研究与开发,2016,37(18):198-201.

[33] 陈雪梅,陈巧珊,黎英.红曲霉在甜米酒酿造中的应用研究[J].食品工业科技,2011, 32(1):181-183.

[34] 何冬萍,梁爽, 刘志彬,等.液态红曲酿造红曲黄酒的研究[J].中国食品学报,2016,16(12):133-140.

[35] 倪赞.中国黄酒保健功能的研究[D].杭州:浙江大学,2006.

[36] 黄敏欣,洪泽淳,赵文红,等.红曲对广东客家黄酒发酵及产γ-氨基丁酸的影响[J].中国酿造,2016,35(10):46-50.

[37] 郭婉.清爽型银耳黄酒酿造关键工艺及其体外抗氧化研究[D].福州:福建农林大学,2014.

[38] 郭晓旭,袁朝琪,李国莹,等.高产Monacolin K纯种红曲培养条件的研究[J].工业微生物, 2016,46(1):27-30.

[39] BEDELKHAN A,任浩,章婷,等.紫色红曲霉Mp-24高产Monacolin K发酵工艺响应面优化[J].工业微生物,2016,46(5):23-30.

[40] 梁璋成,何志刚,刘淑梅,等.绿茶提取物对红曲黄酒陈酿品质及寒热性的影响[J].食品与发酵工业,2016,42(4):120-125.

[41] 冯丹.荷叶营养保健酒的研发及其质量标准的制定[D].重庆:重庆大学,2014.

[42] 徐媛.抗疲劳太子参保健酒的研制与开发[D].福州:福建中医药大学,2014.

[43] 姜忠丽,杨平,庞文录,等.糙米酵素红曲酒的抗疲劳作用[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2013,31(4):488-493.