红曲霉代谢产物的研究进展与应用

颜丽，刘秀河，李钰涵

(齐鲁工业大学(山东省科学院)，济南 250353)

红曲霉是一种传统的微生物，是一种丝状真菌，在世界上已有1000多年的历史，因其种类丰富、代谢产物多，从20世纪开始，科学家们就将其作为研究重点。随着研究的深入，红曲霉的产物也不断地被发现，其中包含一些初级代谢产物，如蛋白酶、淀粉酶、酯化酶、糖化酶等，和一些次级代谢产物，如红曲色素、莫纳克林K、桔霉素等。目前为止，关于红曲霉产物的研究非常多，文章主要是将近年来对于红曲霉产物的研究做一个简单的综述。

1 红曲霉初级代谢酶的研究

对于红曲霉代谢的淀粉酶是红曲霉产生的酶中生产最早、研究最多的。淀粉酶分泌的旺盛期是在5～7 d,红曲淀粉酶在45～70 ℃有较好的热稳定性。陈景智等[1]优化了液态发酵产糖化酶的工艺，使糖化酶活力达到了1652.36 U/mL，是优化前的14.08倍。此外，红曲霉产蛋白酶的研究也时有报道，王秋辰等[2]采用固态发酵方法优化了红曲霉产蛋白酶的工艺，使酸性蛋白酶活力达151.09 U/g。早在1997年国内就有关于红曲霉产酯化酶的报道，但是近年来，国内对于酯化酶的应用达到了巅峰，尤其是在酿酒行业。王艳等[3]以贵州酒厂的中温大曲中分离出的产酯化酶的紫红色红曲为目标，对其温度、发酵时间、蔗糖浓度等进行了优化，得到了最佳条件，此时其酯化酶活性为355.62 U/mL，比优化前(133.12 U/mL)提高了2.67倍。除此之外，还有一些用红曲霉产木聚糖酶、脂肪酶等的研究。

2 红曲霉次级代谢产物研究

在红曲霉的代谢产物研究中必不可少的是对红曲色素和一些具有药用成分的物质的研究，如莫纳克林K、桔霉素、γ-氨基丁酸等的研究。

2.1 红曲霉产红曲色素

红曲色素是红曲霉发酵而成的天然食用色素，传统的红曲色素都是以大米为原料，采用固态发酵的形式生成的，近十几年来才开始采用液态发酵的方式，对红曲色素的研究主要集中在以下两个方面：一是提高红曲色素产量。目前主要通过3种方式：第一种方式是通过优化工艺来提高产量。Silbir等[4]用红曲霉在啤酒废液水解液中发酵生产红曲色素，得出当接种比为2%、氮源为谷氨酸钠、pH为6.5、转速为350 r/min、发酵液量为50 mL的条件下，红曲色素的产量达到最大。第二种方式是通过探究或者改变某一影响红曲霉的因素，从而改善红曲色素的产量。Camila等[5]以麦芽糖渣为底物，研究了pH值对红曲霉生长速率和色素产量的影响，得出当pH值为2～2.5时红曲霉产红曲黄色素最高，当pH值为3～3.5时橙色色素产量最高，当pH值大于4时红色素含量最高。Zhen等[6]研究了NaCl对红曲霉生长的影响，培养10 d之后，黄、橙、红色素的产量分别提高了1.7，1.4，1.4倍，证明NaCl可以促进红曲霉产色素。Maric等[7]以糙米和谷子为基质，培养了6株红曲霉，进行高产量红曲色素的筛选，特别是以谷子作为底物的潜力，得出在这6株菌株之间，以谷子为基质的菌株产色素含量最高。第三种方式是通过诱变、基因转录、基因克隆等方式提高红曲色素产量，例如对基因进行敲除，克隆出相关基因等。Liu等[8]利用室温和常压等离子体(ARTP)诱变系统，通过液态发酵产生红曲霉的突变株M183，最终确定当ZnSO4·7H2O为0.02 g/L，MgSO4·7H2O为0.58 g/L，FeSO4·7H2O为 0.02 g/L，NH4NO3为4.85 g/L时，红曲色素的产率为207.67 U/L。Long等[9]在红曲霉CICC 41233中对米曲霉的α-淀粉酶基因进行了异源表达，得到了一个名为红曲霉Amy9的正转化子，结果表明在以米粉为原料的红曲霉产色素培养基中，红曲霉Amy9在48 h完全降解淀粉，红曲色素的总量增加132%。

2.2 红曲霉产莫纳克林K

莫纳克林K是一种胆固醇抑制剂，在降低血脂浓度、预防癌症、神经保护、抗炎、抗菌等方面有非常重要的作用[10]。对于莫纳克林K最早是日本人远藤章在1979年发现的，之后我国才开始对红曲霉产莫纳克林K的研究，我国对于其的研究主要集中在提高红曲产莫纳克林K含量方面。Huang等[11]采用超高压液相色谱-飞行时间质谱仪(UPLC-QTOF-MS/MS)、比较蛋白质组学和定量实时逆转录聚合酶链反应(RT-qPCR)研究了可溶性淀粉和甘油对红曲霉FAFU 618的影响及其调节机制，而这些研究为进一步探讨不同碳源对红曲霉FAFU 618中莫纳克林代谢的调控提供了理论依据。Zhang等[12]在红曲霉培养基中加入了谷氨酸来进行优化，实验结果表明在谷氨酸培养基中莫纳克林产量最高，是不加谷氨酸的4.80倍。Zhang等[13]的研究得出谷子是产莫纳克林K的最佳基质，在此基础上，又系统地研究了发酵时间、投加量、初始含水量和接种量对固态发酵的影响，结果表明在最佳条件下，莫纳克林K的产量最高可达到19.81 mg/g。

2.3 红曲霉产桔霉素

谈及红曲霉代谢产物，桔霉素必不可少。桔霉素于1995年由法国学者Blance 等发现，具有肝毒性和肾毒性，对心脏和胃肠道也具有毒性，还可诱发细胞突变、导致肿瘤，这使得红曲产品的安全性受到国际社会的广泛关注，并制约了该菌在食品和药品方面的应用，因此降低桔霉素的含量也成为红曲霉研究进程中的一个重难点[14]。张江宁等[15]通过研究发现以苦荞麦仁、小米为培养基基质，发酵得出的桔霉素含量最低，仅为1.2 mg/kg。陈慎等[16]通过研究也发现了碳氮源种类对于减少桔霉素的产生也有着重要的作用，其中以大米粉为碳源、谷氨酸钠为氮源进行液态发酵，发现桔霉素含量最低分别为1.74 mg/L和8.13 mg/L。Huang等[17]研究了芦丁、二糖芦丁或曲克芦丁对于桔霉素的影响，得出加入曲克芦丁可以大大地降低桔霉素的含量。Zhang等[18]发现低频磁场(LF-MFS)能降低红曲霉发酵过程中桔霉素的产量，结果与对照相比，桔霉素的产量降低了46.7%，因此LF-MFS在蛋白质水平上减少了桔霉素的产生。

2.4 红曲霉产γ-氨基丁酸

γ-氨基丁酸(GABA)是红曲霉中一种重要的代谢产物，具有降低血压、改善脑功能、增强记忆、抗焦虑以及高效减肥等生理作用[19]。对于GABA的研究，刘栋等[20]通过单因素和正交实验，使红曲霉发酵青稞产γ-氨基丁酸，得出当培养基基质青稞∶玉米粉∶黑豆粉∶米粉为48∶10∶17∶15时其产量为(24.62±0.18) mg/100 g。

3 红曲霉代谢产物的应用

3.1 红曲霉代谢产物在食品中的应用

红曲霉产生的酶类物质，比如淀粉酶和糖化酶，可以将淀粉水解为小分子糊精、低聚糖与葡萄糖，蛋白酶能将大分子蛋白质分解为多肽、氨基酸等，这些都可以使食品制品的组织细腻，口感顺滑，且红曲霉特有的颜色可使制品色泽红润。相较于初级代谢酶的应用，次级代谢红曲色素的应用更多，红曲色素主要应用于腊肉的腌制与香肠的调色以及一些调味品的着色，盛眀健等[21]用红曲色素代替人工焦糖色素用于老抽的调色，得到的酱油没有人工焦糖色素的副产物4-甲基咪唑，且色彩浓郁，完全能通过国内外权威检测机构的检测。张媛渊等[22]以食品级卡拉胶(CG)与食品级海藻酸钠(SA)复合凝胶为固定化载体,采用包埋法固定化红曲酯化酶，将其应用于新醋的生产并得出了最佳的工艺条件，制作出的新醋不仅含量有所提高且口感与3个月自然陈酿的食醋相当。豆类经过发酵或发芽加工处理后, 豆类产品中γ-氨基丁酸含量均显著提高, 营养品质显著改善。因此，发酵豆制品和发芽豆产品是优良的保健食品资源[23]。

3.2 红曲霉代谢产物在医药中的应用

红曲霉代谢产物之一的莫纳克林K作为一种药品已被用于血脂异常等临床治疗。Wang等[24]运用红曲米中富含的莫纳克林K和GABA，将红曲米用于高脂血症的替代疗法，结果表明富含莫纳克林K的红曲米能像预期的那样降低胆固醇，而GABA丰富的红曲米对血清甘油三酯没有显著降低。因此，不同浓度、不同比例的莫纳克林K和GABA对抗高脂血症有一定的促进作用。

3.3 红曲霉代谢产物在酿造中的应用

红曲霉会产生丰富的糖化酶、酯化酶、淀粉酶和蛋白酶等酶类，在中国白酒酿造中产生丰富的香味物质中发挥着不可缺少的作用，而且红曲中的莫纳克林K以及GABA等又使酒拥有了丰富的功能性成分，提高了人体的血液循环，减少了胆固醇的合成。蒸馏酒后产生的黄水和尾水中含有丰富的有机酸，加入红曲霉菌培养物后可以将黄水、尾水中的酸和醇转化为酯类物质，用于增加酒的主体香。在传统白酒中加入红曲霉，由于酯化酶可以促进乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯等的合成，因此酿造出的酒出酒率为1.5%，酒中总酸总酯的含量为13.2%，清香突出，酒体协调丰满，口感爽净。红曲霉不仅应用于白酒，还大量应用于黄酒、米酒的酿制，中国的黄酒堪称“国之瑰宝”，福建的红曲黄酒是中国黄酒红曲酿酒典型的品种。

4 红曲霉代谢产物研究展望

相较于医药行业，食品行业与酿酒行业对于红曲霉代谢方面的研究很少，一些高校对于红曲霉代谢产物的研究主要集中在发酵工艺的优化方面，尤其是初级代谢酶方面的研究，由于环境差异与地域差异，对于全国性推广使用还有较大的难度。目前已有科研工作者开始研究从分子生物学层面充分了解其原理机制，这对于充分了解红曲霉，以及红曲霉的推广使用大有助益。此外，对于莫纳克林K、GABA以及麦角固醇等功能性成分的测定缺少完整的定量分析体系，加强分析设备与检测手段的创新，将会为功能性成分的应用提供强有力的支撑。在我国，对于红曲色素、莫纳克林K的需求比较高，但是由于桔霉素的存在，其产量一直不高，减少桔霉素的产生已成为当前红曲霉生产莫纳克林K面临的主要问题。当前有少量的研究从微观的角度减少桔霉素的产出，采用基因克隆以及当前流行的蛋白组学技术，研究出红曲霉菌株的各种代谢路径和小分子代谢物以及红曲色素、洛伐他汀和桔霉素的产出规律和代谢关系，这样可以极大地加深其开发潜能。