红曲次级代谢产物的生物功能及应用于发酵性饲料的研究进展

孙秋婉， 郭 蕾， 洪厚胜

（1.南京工业大学生物与制药工程学院， 江苏南京 211816；2.南京汇科生物工程设备有限公司，江苏南京 210009）

红曲起源于中国，又称“赤曲”、“丹曲”，是将红曲菌接种于淀粉质原料如大米、 山药后培养所得的混合物，混合物包括红曲菌丝体、代谢产物及培养基质 （夏亦嗣等，2018）。 红曲在亚洲已有1000 多年的应用历史，主要用做食品工业的天然色素、 医药工业的降低心血管疾病风险的他汀类药物等。研究证明，红曲培养液中含有多种活性次级代谢产物，添加于饲料中可促进畜禽生长、增强畜禽免疫力、 提高蛋鸡的生产性能并使鸡蛋中的胆固醇含量降低，极具应用价值。故红曲已被证明在饲料行业中有巨大的应用前景。

1 红曲次级代谢产物的生物学功能

1.1 MK 的生物学功能 Endo（1979）从红曲霉的发酵液中，分离出一种活性物，这种活性物能抑制胆固醇生物合成途径关键酶-羟甲基戊二酰辅酶A 还原酶（HMG-CoA 还原酶），称为Monacolin K（MK）。 研究表明，红曲中所含的MK 因其结构与HMG-CoA 相似， 可竞争性的与HMG-CoA 还原酶结合从而减少3-羟基-3 甲基戊酸内酯的生成以达到降低胆固醇的目的（Lee 等，2006）。 除已证实的降血脂作用以外，MK 对人体健康还有其他积极作用。 经研究表明，MK 类药物可通过阻断各种癌症信号通路而抑制癌细胞的生存和增殖，故可与化疗药物联合使用以提高治疗效率（Ahmadi 等，2018）。 可将MK 用于多种类型的癌症治疗，包括急性髓系白血病（Chen 等，2015）、结肠癌（Hong 等，2008）、胃癌（Zhang 等，2019）、甲状腺癌（Laezza 等，2008）、肺癌（Sanli 等，2011）等。

将红曲添加于饲料时，次级代谢产物MK 可以降低畜禽体内的胆固醇含量，起到降脂的作用。 正因如此，红曲饲料制品能降低畜禽或者畜禽制品中胆固醇的含量。宋宇轩（2002）为探究中草药添加剂对鸡蛋胆固醇的影响，于是将红曲、金银花和山楂等中草药制成复合制剂，添加于蛋鸡饲料中。 结果表明，当中草药制剂添加量为250 mg/kg 时胆固醇含量降低17.4%（P<0.05），添加量为500 mg/kg 时胆固醇含量降低25.4%（P< 0.01）。 何冬萍等（2019）研究了葛根红曲提取物（MRPE）对肥胖小鼠的改善作用， 这类小鼠摄取高脂饲料以诱导其肥胖。结果表明MRPE 可明显改善（P<0.05）小鼠体内堆积的脂肪，从而达到控制体重的效果。

研究表明，MK 在一定条件下具有抗菌活性，特别是与其他抑菌药物联合使用时， 抗菌活性更为明显。 比如， 将MK 与伊曲康唑 （Zhou 等，2018）、氟康唑（Song 等，2003）联用时不仅能够抑制白色念珠球菌， 还能影响麦角甾醇途径中的基因表达。

对于畜牧业来讲， 抗生素的发现为其发展提供了坚实的基础。 但由于抗生素的滥用使得细菌耐药性不断增强， 因此许多国家开始禁止在饲料中添加抗生素。研究发现红曲霉的培养液对细菌，如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、大肠杆菌（Escherichia coli）、 金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有较强的抗菌作用（毛瑞丰等，2006）。王玉峰（2014）研究表明，当将红曲米及山楂按一定比例添加于饲料中时， 产生的促进育肥猪生长及消化率的效果与抗生素相当， 而且没有毒副作用，是较优的饲料添加剂。

1.2 红曲色素着色功能 红曲色素在pH 4 ～10时相对稳定， 酸性条件比碱性条件红曲色素损失率更低（Li 等，2003）。 红曲色素是一种优秀的天然色素，具有极佳的着色能力，被广泛用于食品或饲料行业（倪斌等，2021）。李泳宁等（2015）将红曲色素作为发酵饲料用于蛋鸡饲养，结果发现，当在蛋鸡日粮中添加0.5% 的富含红曲色素的发酵饲料时，可显著（P< 0.05）提高产蛋率，同时降低蛋黄中胆固醇的含量，也使得蛋黄颜色得到改善。同时，红曲色素不仅着色能力强，还具有较强的抑菌能力， 故可取代亚硝酸盐， 将其应用于肉制品着色。 通过红曲色素着色的肉制品具有美观的肉红色和特殊的香味，且不会有亚硝酸盐的致畸、致癌风险。李杉杉（2015）研究发现，当香肠中添加红曲色素和异抗坏血酸钠的量分别为0.12、0.45 g/kg时，储存27 d 后的香肠的红度值为18.97；而当亚硝酸钠添加量为0.12 g/kg 时， 储存27 d 后的香肠的红度值只为12.23。说明红曲色素和异抗坏血酸钠结合应用于香肠制品中时可取代亚硝酸钠。

1.3 其他次级代谢产物 张敏等（ 2010）研究了红曲霉合生素对延边黄牛瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）浓度变化的影响，同时也探究在饲料中添加了红曲霉合生素后的表观消化率。 结果表明红曲霉合生素可提高 （P< 0.05） 延边黄牛瘤胃VFA，同时发现表观消化率均显著（P< 0.05）高于对照组。简仕燕等（ 2020）通过评判山羊瘤胃产气量（GP）与发酵参数，从而探究了红曲米酒糟作为饲料原料的可行性。研究结果证明，红曲米酒糟可增加GP（P< 0.05），同时瘤胃液中的木聚糖酶和纤维二糖酶活性均显著（P< 0.05）高于对照组，以此说明，红曲米酒糟可用作山羊饲料原料。

总的来说， 红曲制品的次级代谢产物在饲料行业有不同的应用， 比如红曲中含有的各种酶可使畜禽的消化速率提高，促进畜禽健康生长，达到预防疾病的目的；红曲色素添加在饲料中喂母鸡，不仅可以提高母鸡的产蛋率、增强母鸡免疫力，还能使鸡蛋黄的颜色更诱人； 红曲MK 添加在饲料中，可降低畜禽的胆固醇含量；红曲GABA 添加在饲料中可以提高畜禽的免疫力， 促进畜禽健康生长， 同时提高畜禽的生产性能以获取更优质的畜禽肉制品。

2 红曲饲料制品的安全性考虑

桔霉素是红曲发酵晚期生成的次级代谢产物，具有肾毒性，可引起肾脏肿大、肾小管扩张和肾小球萎缩等（Qusti 等，2015）。 桔霉素毒性的发现使得欧洲和美国开始停止使用红曲色素作为食品着色剂（Blanc 等，1995）。 过高的桔霉素含量会使畜禽畸变、癌变的可能性加大。故对红曲饲料制品而言，桔霉素是一个安全性考验。作为真菌毒素的桔霉素具有极强的毒性， 科研人员便考虑选用低产或不产桔霉素的菌株来生产红曲制品。 陈豪锋等（ 2010）利用不同剂量射线进行诱变育种，以筛选高淀粉酶活力，高产MK、低产桔霉素的优良红曲菌株。 最终获得了一株变异株丹溪1-1 号，其具有高淀粉酶活力（提高6.87 倍），高产MK（提高2.4 倍），低产桔霉素（2.10 ppm）的特点。 产竹华等（ 2006） 使用Co 对实验室保藏菌株红曲菌9908 进行诱变，再经过初筛-复筛-连续传代稳定性试验， 获得了一株不产桔霉素高产色素的菌株9908A。 许赣荣等（2004）筛选出一株高产开环式MK（高可达11000 mg/kg）且不产桔霉素的红曲菌株9901。

目前， 筛选低产或不产桔霉素的诱变方法都采用的是物理或化学法，虽然这些是可行的方法，但耗时长，成功率低。郝常明等（2002）提出了一种新型降低培养基质中桔霉素含量的方法， 即多种微生物混合发酵法。 选用生长条件与红曲菌相近的真菌， 这种真菌在生长过程中能代谢桔霉素或能抑制桔霉素的中间产物， 利用其与红曲菌混合发酵从根本上解决了桔霉素生成这一问题。

3 高产次级代谢产物的红曲菌株优化手段

将红曲制品应用于饲料行业时， 次级代谢产物越多应用价值越大。 研究人员不断研究以获取高产次级代谢产物的培养参数，总的来说，可以总结为以下几点。

3.1 菌种选育 对于红曲菌发酵生产次级代谢产物来讲，菌种选育有非常重要的影响。对于同样的培养基质和培养条件而言， 不同的菌种之间生产次级代谢产物的能力有极大的不同。通常来讲，红曲菌的诱变育种是通过分离筛选以及通过物理或化学的手段来诱变得到高产次级代谢产物，同时低产桔霉素的菌株。比如可选用紫外光（UV）作为物理诱变剂，选用甲基磺酸乙酯（EMS）作为化学诱变剂对红曲菌株进行诱变， 以提高红曲菌次级代谢产物的产量（Dikshit 等，2018）。

3.2 发酵基质的优化 对培养基质的不断优化以找到高产MK、红曲色素，低产桔霉素的固体培养基质是研究人员不断努力的方向。 红曲菌在淀粉质原料上生长均良好， 不同种类的淀粉质原料因其含有其他有机营养物而使得MK 或色素含量更高。比如用大米和薯蓣做发酵基质时，所得产物红色素浓度较高；而用废豆腐做培养基质时，产物中的橙色素多于红色素（Priatni 等，2014）。

3.3 碳氮源的优化 培养基质中的碳氮源对红曲菌的生长和次级代谢产物的合成有巨大的影响， 找到合适的碳氮源添加浓度可利于MK、色素、GABA 及其他次级代谢产物的合成，可为红曲饲料制品的应用产生极大的推动作用。 有研究表明，当向培养基质中加入硝酸钠和磷酸氢二钾时，GABA 产量可得到提高（Su 等，2003）；向500 g 大米固态基质中添加0.3%的乙醇，可使桔霉素产量降低，MK 和GABA 的产量分别上升3.9 倍和4.7倍（Wang 等，2003）。

4 小结

近年来，关于红曲菌的研究不断深入，针对红曲制品在各个行业应用的研究也得到了进展。 对于红曲饲料而言，这是一种天然、安全、无毒副作用且营养丰富的饲料， 在发酵饲料中的应用有着巨大的潜力。在今后，对红曲的固态发酵工艺研究将直接决定红曲制品的市场应用前景。同时，不断从菌种筛选、培养基质优化、工业发酵参数等方面优化发酵工艺， 为红曲饲料制品的大规模自动化生产和红曲在发酵饲料行业的应用打下基础。