红曲霉色素及代谢物研究进展

林凤，李慧敏，王玉梅，毛瑞丰

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

红曲霉属于子囊菌，能产生耐热的子囊孢子，且红曲霉能在缺氧、高酸和高盐浓度下生存[1]。红曲霉可用于酿酒(黄酒、果酒和药酒)、制作发酵食品(腐乳、酱菜)、食品着色及保健品等。红曲产品在亚洲地区广为流传，常见的为由大米发酵制成的红曲米，简称红曲，其被当做功能性食品已有数千年历史[2]。红曲最初被记载于《饮膳正要》，别名为赤曲、丹曲、红米、福曲、红大米、红槽等。《本草纲目》中对其评价为“此乃人窥造化之巧者也”，“奇药也”。此外，在《本草衍义补遗》、《医林纂要》等中药典籍中也均对红曲有记载。

为研究红曲米中真菌多样性，采用以宏基因高通量测序技术为导向的真菌鉴定和检测方法对广西不同地区的红曲米进行检测，探究红曲米中真菌的群落种类、数量，获取其多样性信息。

1 材料和方法

1.1 样品来源

红曲米：采集于广西大瑶山不同地区。

1.2 试剂和仪器

E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit试剂盒：OMEGA公司；Qubit 3.0 DNA检测试剂盒：Life公司；2×Taq Master Mix：Vazyme公司；MagicPure Size Selection DNA Beads：TransGen公司。

台式离心机 Thermo Fisher公司；漩涡混合器 海门市其林贝尔仪器制造有限公司；混匀型干式恒温器 深圳拓能达科技有限公司；电泳仪电源、电泳槽 北京市六一仪器厂；凝胶成像系统 美国UVP公司；Qubit®3.0荧光计 Invitrogen公司；PCR仪 BIO-RAD公司；移液器 Eppendorf公司。

1.3 方法

高通量测序委托生工生物工程(上海)股份有限公司进行。

2 结果

根据研究发现3个样品中JJH和LZ的真菌种类具有较高的相似性，而LB红曲米中真菌种类与另外2种有差异，且在3个样品中，真菌存在的比例也不相同(见图1)，丰度最大的为红曲霉。

图1 广西不同地区红曲米样品真菌聚类树及真菌丰度柱状图Fig.1 Fungal dendrogram and abundance histogram of Monascus samples from different regions of Guangxi

对3个红曲样品中检测出的真菌进行分类，发现其中真菌主要是红曲属、酵母属、曲霉属、节担菌属、枝孢属等。在39种真菌中，紫红曲霉、Diutinamesorugosa、克鲁伊假丝酵母、产膜毕赤酵母、Sordariomycetessp.在3个样品中均存在，见表1和表2。

表1 3个样品中检出的真菌Table 1 Fungi detected from the three samples

表2 广西不同地区红曲米样品中所含的真菌种类Table 2 Fungi species contained in Monascus samples from different regions of Guangxi

续 表

3 红曲霉综述

红曲霉发酵的过程中，产生色素、莫纳可林、γ-氨基丁酸(GABA)等次生代谢物，这些次生代谢物可用于食品着色剂、制作降胆固醇和降压药物，可见红曲具有很高的经济价值。近几年，对红曲霉的研究主要集中在优良菌株的筛选及培养条件的优化。

3.1 红曲霉色素

食品加工通常会导致食品色泽的变化，因此往往需要色素来改善其不良色泽，但目前对合成色素的研究表明其具有潜在的致癌物和致突变性，且可能导致某些儿童疾病[3]。因此，天然色素的生产就显得尤为重要。

红曲霉色素(Monascuspigments，MP)是红曲霉发酵的次生代谢产物。红曲霉能合成31种颜色，其中最为主要的是红色素、橙色素和黄色素，它们是苯并呋喃类混合物。目前红色素中能明确结构式的为红斑胺素、红曲红胺素；橙色为红斑红曲素和红曲红素；黄色为红曲素和安卡红曲黄素[4]。

3.1.1 色素产量的影响因素

据报道[5]，红曲霉色素的产量及质量受环境pH值、碳源、氮源、温度等发酵条件的影响，此外，由于色素多存在于细胞内且色素多具有疏水性，因此色素总产量受细胞反馈抑制影响较大[6]。Chen Gong等[7]研究表明，细胞外色素的产量与菌丝形态及细胞内颗粒状包裹体累积有关，菌丝体较短，能产生较多的红曲霉色素[8]。

3.1.2 红曲霉色素的提取

非离子表面活性剂提取发酵是生产红曲霉色素的潜在方法[9]。该方法通过分阶段分批补料方式，增加红曲霉色素的产量。第一阶段收集发酵的全细胞，第二阶段将全细胞作为生物催化剂来提取发酵生产色素。该过程利用的是非离子表面活性剂与极性弱的离子溶质形成混合胶束的特点。虽然该方法深层机制仍需进一步研究，但其可实现细胞密度高和颜料滴度高的优点[10]。

3.1.3 色素合成的基因

Balakrishnan B等[11]的研究发现，红曲霉色素合成的关键基因是mppR1和MpPKS5基因簇。且有研究表明[12]，还原酶基因mppE能控制聚酮化合物途径中橙色素向黄色素的转变。即还原酶基因mppE控制黄色素的产生，当其表达过度时，促进黄色素的产生，当使其定向失活时，橙色素和红色素产量增加。此外，另一项研究[13]发现在mppE基因失活的菌株中，橙色素产量明显下降，而黄色素产量没有明显改变，这表明黄色素的产生可能存在其他途径。

3.2 红曲霉代谢物的生物活性

红曲制品对控制血胆固醇，降血压，控制肥胖和预防癌症的作用目前研究颇多。此外，有研究表明[14]，红曲对骨密度和骨强度有增强作用。

莫纳可林是降血脂的经济、有效的药物，可由红曲霉、土曲霉经由固态发酵(SSF)和深层发酵(SMF)等方式产生[15]。3-羟基-3-甲基-戊二酰辅酶是胆固醇合成的关键限速酶，莫纳可林因其与底物结构类似而对其产生竞争性抑制，因此作为治疗高胆固醇血症的常用药物，且能够降低低密度脂蛋白胆固醇含量[16]。

γ-氨基丁酸(GABA)是一种四碳的非蛋白质的氨基酸，它是哺乳动物神经系统主要的抑制性的神经递质，参与脑循环生理活动。其具有降血压、镇静安神等功能[17]。

3.3 红曲霉发酵产生的桔霉素

桔霉素[(3R，4S)-4,6-二氢-8-羟基-3,4,5-三甲基-6-氧代-3H-2-苯并吡喃-7-羧酸]，其分子结构见图2，是一种聚酮化合物霉菌毒素。在红曲霉发酵产生色素的过程中，会伴随产生桔霉素[18]。桔霉素熔点为175～178.5 ℃，难溶于冷水，微溶于热水，可溶于氢氧化钠、碳酸钠、乙酸钠及极性有机溶剂。pH 4.6时为柠檬黄针状的固体，pH 9.9时为樱桃红色[19]。其产量主要受红曲霉菌丝形态和呼吸速率的影响[20]。

图2 桔霉素分子结构Fig.2 The molecular structure of citrinin

现有研究表明，桔霉素对人等哺乳动物的肾脏和肝脏有毒害作用，此外，其还具有生殖毒性、免疫毒性、致癌性且能够导致细胞凋亡[21]。但目前，对其毒性作用机理仍不明确。除其毒害作用外，也有证据表明[22]不同浓度的桔霉素对一些菌，如金黄色葡萄球菌、志贺氏痢疾杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、霍乱弧菌等有抑制作用。

3.4 桔霉素的风险控制

在工艺生产过程中，通过发酵工艺优化使食品中桔霉素的含量降低到一定范围内，从而提高食品的安全。李玲等[23]研究表明利用微生物混合发酵法能够从根本上防治桔霉素的产生。此外，在发酵过程中，添加少量脂肪酸和甲基酮不仅对色素的产量不产生影响而且可阻抑桔霉素的产生。陈慎等[24]则发现，高产桔霉素菌株用大米粉作碳源，能达到色素含量高且能控制桔霉素产量的目的，对于低产桔霉素的菌株，选择麦芽糖作为碳源且用硫酸铵作为氮源，可达到高色素低桔霉素的目的。此外，还可通过基因工程技术敲除合成桔霉素关键基因pksCT[25]来构建不产桔霉素且高产红曲色素的菌株。

4 讨论

我国主要生产和出口经济价值低的红曲色素，而日本等国家却主要开发经济价值高的红曲保健食品，因此，我国红曲制品仍具有极大潜力。通过对红曲米样品中微生物多样性分析得出不同微生物的丰度，来探索不同菌株在红曲制品中的存在情况，为后续研究红曲制品发酵机理提供了参考依据。目前，虽然对于红曲霉色素生产代谢已在分子生物学水平上进行了研究[26]，但利用分子生物学技术对红曲霉代谢机理的研究仍有空白。此外，探寻红曲米中桔霉素的快速检测也是重要的研究方向。而对于红曲霉产桔霉素的研究多局限于限制或阻止其产生，且主要研究其毒理作用。虽然桔霉素分子结构中具有活性OH基团[27]，但目前有关桔霉素生物活性及作用机制的研究仍处于模糊阶段。因此，需要更多的研究来阐明红曲霉代谢产物的生产和作用机制及其潜在的有益或有害作用。