红曲霉发酵不同底物产色素的研究进展

穆洪霞，丁雪梅，黄六斌，赵树欣

（天津科技大学生物工程学院，工业发酵微生物教育部重点实验室，天津 300457）

红曲（Monascus）色素是红曲霉发酵产生的次级代谢产物。红曲霉属的许多菌株被用于红曲色素的生产，其中使用最广泛的有[1]：紫色红曲霉（M.purpureus）、红色红曲霉（M.ruber）、安卡红曲霉（M.anka）和从毛红曲霉（M.pilosus）。红曲霉以大米、大豆、玉米等为底物经固态或液态发酵培养、提取、浓缩、精致得到天然红曲色素[2]。

天然色素主要是从植物中提取或微生物代谢产生。植物中色素含量低且原料有限，使色素的生产成本较高，而以微生物发酵法生产天然色素克服了从植物中提取色素的缺点，使其在天然色素中占有重要地位。作为微生物代谢产生的天然色素，红曲色素具有悠久的历史且一直以来被认为是安全性较高的食用色素。近些年，随着微生物学的发展，各国学者对红曲色素进行了大量广泛而深入的研究，在红曲色素分离、结构鉴定及改性、生成机制、菌种改良、液态发酵工艺优化、功能性及安全性等理论和应用方面取得了不错的成效，不断扩展着红曲色素的应用领域[3]。

对于红曲色素的生产，目前仍以传统的固态发酵法为主，然而由于固态发酵法劳动强度大、生产过程较难控制、难于大规模工业化生产，所以红曲色素的液体发酵培养近年来成为研究热点。液体发酵培养法具有工艺简单、生产周期短、节约粮食等优点，尤其是液体发酵法容易实现无菌操作，避免了杂菌污染，更能确保红曲色素的安全性。随着液体发酵技术的发展，玉米芯水解液、木薯粉、甘蔗渣等都已应用到液态发酵红曲霉生产色素的研究中。文章简要介绍了红曲色素的性质，并重点对不同底物发酵红曲霉产色素的研究进行了综述。

1 红曲色素的性质

1.1 红曲色素的组成

红曲色素是多种色素组成的复杂混合物，红曲色素的组成因发酵使用的红曲霉菌株、培养基成分、发酵条件等不同也会有较大的差别。红曲色素的合成途径为1分子乙酰辅酶A（coenzymeA，CoA）和3分子丙二酰辅酶A（CoA）在聚酮体合酶（polyketide synthases，PKSs）的作用下生成四酮化合物，四酮化合物再与1分子丙二酰辅酶A（CoA）生成五酮化合物，如此循环使酮基化合物碳链加长最后生成胞内色素，胞内色素与1 分子葡糖基或戊二酰基结合转化为胞外色素[4]。

红曲色素的成分及结构的研究可以追溯到1932年，随后几十年对红曲色素的研究逐渐兴起[5]。到1973年学者确定了红曲色素的6种基本结构，随着红曲色素受到越来越多的关注，到2012年已经有50多种红曲色素被鉴定和研究[6]。1976-2011年有20多种红曲红色素被国内外学者从不同红曲霉的发酵产物中分离鉴定；1992-2010年也有20多种红曲黄色素被分离鉴定；对于红曲橙色素的研究报告较少，除了已经熟知的2种外，只有2011年HSU Y W等[7]分离出的4种橙色素monapilol A～D。

1.2 红曲色素的理化性质

红曲色素呈深紫红色粉末，略带异臭，熔点165～192℃，最大吸收波峰为410nm和510nm。红曲色素分脂溶性、醇溶性和水溶性色素3类。红曲色素中的脂溶性色素均能溶于乙醚、氯仿、乙醇、醋酸、正己烷等溶剂中，其溶解度以醋酸最大，正己烷最低，常用溶剂为乙醇和醋酸[8]。红曲色素在水中的溶解度与水溶液的pH 值有关，在中性或碱性条件下极易溶解。红曲色素含量低时其溶液呈鲜红色，含量高时呈现黑褐色并伴有荧光产生。对蛋白质的着色性能极好，一旦染色，虽经水洗，亦不掉色[2]。

红曲色素的色调不像其他天然色素那样易随pH的改变而发生显著变化，但pH对其呈色也有影响[9]。在一定pH范围内，红曲色素的最大吸收波长和色调受影响较小。但在极酸和极碱条件下，红曲色素的色调会发生较大变化。红曲色素的热稳定性很好[10]。在体积分数为70%的乙醇溶液中100℃存放60min，仅20%分解；120℃存放60min，残存率仍高达50%。红曲色素受自然光影响较大。日光照射5h后变为橙色，在散射光下存放40h开始褪色，自然光下存放50d色素的残存率仅为20%[4]。而有利于保持红曲样品的色价的光照条件顺序为：避光条件＞红光＞蓝光＞日光直射，且色素浓度越高褪色越缓慢[11]。

红曲色素几乎不受氧化剂及还原剂如0.1%过氧化氢、维生素C、亚硫酸钠等的影响[10]。金属离子K+、Zn+、Na+、Fe2+、Ca2+对色素的影响较小，加入这些金属离子后，色素溶液的颜色没有发生明显变化，仍然呈现亮红色。重金属离子对红曲色素溶液的呈色有影响，加入Cu2+和Fe3+的红曲色素在避光放置1d后溶液由亮红色变为红棕色，并且都有红褐色的沉淀产生，因此在红曲色素的应用中应避免其与某些重金属离子的接触，贮藏时也不能用铁制和铜制容器[12]。

2 红曲霉发酵不同底物产色素的研究

利用红曲霉生产红曲色素多以大米为基质采用固态发酵法进行或以大米粉、葡萄糖、淀粉等作为基质进行液态发酵法生产。近些年，随着红曲色素应用范围的扩大，小米、黑米、玉米、菠萝蜜籽、甘蔗渣等谷物及农工业废弃物也被用作底物发酵红曲霉生产红曲色素及其他功能代谢产物，取得了显著地成果。

2.1 红曲霉发酵谷物生产红曲色素

李喜仙等[13]用红曲霉（M.anka）作为菌种，研究了以小米为原料液态发酵生产红曲色素的相关工艺参数的选择。结果表明，以小米粉为基质添加适量麦芽粉、谷氨酸钠及无机盐生产红曲色素，色价达127U。

ROSA M等[14]利用不同加拿大硬质小麦粉的混合物做底物分析了紫红曲霉（Monascus purpureus Went）液态发酵产红曲色素情况。结果显示，使用劣质硬小麦发酵红曲霉可以实现生产高经济效益红曲色素的目的。培养基中添加NH4Cl能促进橙色素的产生，添加ZnSO4则更有利于红色素的产生。

PATCHAREE P 等[15]利用几种不同红曲霉菌株固态发酵具有多种药用价值的薏米，研究了其代谢产物中洛伐他汀、桔霉素、红曲色素的产生状况。用于实验分析的菌株中紫红曲霉（M.purpureus）DMKU用来发酵薏米效果最好：桔霉素含量最低为0.26×10-6mg/kg，洛伐他汀产量最高为25.03×10-6mg/kg，黄色、橙色和红色色素分别为9.76U、3.03U和3.43U。桔霉素作为一种真菌毒素严重制约着红曲霉及红曲色素的应用，对该方法进行深入研究，从而减小或消除桔霉素的污染，对扩大红曲色素的应用范围具有现实意义。

范志诚等[16]用红曲霉M342作为发酵菌株，确定了以玉米粉做底物液态发酵生产色素的最优条件，并通过实验证明该液态发酵法制得的红曲色素可以在食品中起到调色和防腐的双重作用。

此外还有学者[17]利用添加玉米浆的复合培养基发酵红色红曲霉（M.ruber）生产红曲色素。该发酵方法的红曲色素产量达20.7U，比用半合成培养基生产得到的色素产量高约一倍，而且该培养基能很大程度上减少胞内色素的积累，有利于色素释放到胞外。

陈勉华等[18]以大米、黑米、豆粕、麦麸、米糠作为底物液态发酵红曲霉，考察了不同基质对红曲霉发酵产物影响。结果显示，红曲霉在这些基质上均生长良好。黑米或黑米复配大米对色素的产量贡献最大，大米复配麦麸得到的洛伐他汀产量最高，黑米单独作为底物产氨基丁酸（gammaaminobutyric acid，GABA）最多，而大米和豆粕复配培养基消除了桔霉素的污染。因此，可以根据所需产物不同选择合理基质进行发酵。

以上研究表明，除大米可用于发酵红曲霉生产色素外，小麦、小米、玉米等谷物都可以用于红曲色素生产。另有研究也采用黑米、荞麦等谷物生产莫奈克林等生物活性物质。利用红曲霉发酵不同谷物生产多元化的有益红曲代谢产物，不仅可以扩大谷物的用途，提高其经济价值，而且大米作为主要的粮食之一，这些方法的开发在一定程度上也缓解了粮食大量消耗的现象。

2.2 红曲霉发酵薯类淀粉生产红曲色素

YONGSMITH B等[19]分析了木薯粉作为基质对红曲霉发酵产黄色素的影响。研究显示，当初始pH较高时能获得橙红色素成分，而初始pH较低时则获得黄色素成分。通过对发酵条件进行优化并设定初始pH值为2.5时分离出了一种在波长330nm处有最大吸光度值的新型黄色素。

黄前美等[20]以价格低廉的马铃薯、造纸工业废弃物甘蔗渣和生产特级面粉的副产物普副粉为原料，添加适量无机氮源来代替大米进行固态发酵紫红曲霉（M.purpureus 3532）生产红曲色素。结果显示，以这些材料为基质，可以代替大米用于红曲霉发酵生产色素。在最优条件下，马铃薯复配普副粉生产的红曲色素量比大米为原料高10%；甘蔗渣复配普副粉发酵色素产量比大米原料高8.8%。

汪志君等[21]用提取天然色素的副产物紫甘薯淀粉做底物，研究了液态发酵红曲霉（Monascus sp.）产色素情况。以紫甘薯淀粉为碳源，在最优条件下红曲色素的产量可达到177.009U。

SHARMILA G等[22]采用廉价的马铃薯粉作为唯一碳源，对紫红曲霉（M.purpureus MTCC 369）发酵产色素的条件进行了优化。在最优条件下，红曲色素的最大产量为7.18U。

马铃薯、木薯、紫甘薯、山药等资源相当丰富且价格低廉，其中含有丰富的淀粉和适量可用于红曲霉生长代谢。用薯类作为底物发酵红曲霉生产色素，不仅降低了生产成本，而且对于提高薯类的综合利用率，延长薯类的产业链，增加生产者的经济效益，具有现实意义。

2.3 红曲霉发酵农业废弃物生产红曲色素

SUMATHY B等[23]考察了废弃的菠萝蜜种子粉固态发酵紫红曲霉（M.purpureus LPB 97）生产色素的可行性。研究结果显示，菠萝蜜种子粉可以作为生产红曲色素的一种非常实用的基质。用于发酵红曲霉的菠萝蜜种子粉粒度为0.4～0.6nm时，不用外加碳源就非常适于红曲色素生产，而适量添加氮源更有利于水溶性色素积累，红色素和黄色素的最高产量分别达30.8U、25.5U。

SILVANA T 等[24]以紫红曲霉（M.purpureus）作为发酵菌株，确定了生产葡萄酒的废弃物葡萄渣液态发酵法生产红曲色素的可行性，以葡萄渣为培养基，外加蛋白胨和谷氨酸钠进行发酵，色素的最高产量可到20.0～22.5g/L。

乔明武等[25]研究了以麦麸为基质，逐步培养红曲霉完全在麦麸中生长，来发酵培养红曲并产生次级代谢产物红曲色素。该实验证明红曲霉可以以麦麸为基质生产色素，但仍需深入研究筛选出在麦麸中生长良好、色素产量高的菌株。

邢淑婕等[26]选用廉价且分布广泛的农业废弃物玉米芯水解液为碳源，考察了其对红曲霉液态发酵时生物量、桔霉素、色素水平的影响，并对发酵条件进行优化。结果显示，玉米芯水解液是红曲霉发酵的良好碳源，在最优条件下，桔霉素产率仅为27μg/L，色素产量高达268U。

PALANIVEL V等[27]对玉米芯粉作为底物固态发酵紫红曲霉（M.purpureus KACC 42430）生产红曲色素的可行性进行了研究。优化发酵条件后，色素的最高产量达到25.42U，比发酵其他农业废弃物的产量要高，因此玉米芯发酵红曲霉用于色素生产具有很大的工业化开发潜能。

SILVANA T等[28]以紫红曲霉（M.purpureus NRRL 1992）为发酵菌株，采用甘蔗渣为基质外加适量蛋白胨、大豆分离蛋白进行色素的产生，对生成的红曲色素热稳定性、酸碱稳定性进行了分析，结果都较好。说明红曲霉能利用廉价的农业废弃物甘蔗渣为碳源生产食品着色剂。

HAMDI M等[29]通过研究证明仙人掌汁也可以用来发酵红曲霉生产色素，并通过两级发酵，证明溶氧浓度及培养基中酒精含量会影响红曲色素积累。

菠萝蜜种子粉、甘蔗渣、葡萄渣、玉米芯等农业废弃物中富含碳水化合物、蛋白质、纤维素，可以提供给红曲霉生长代谢所需营养。此外，这些农业废弃物价格低廉，开发以这些废弃物为基质用于工业化生产红曲色素，不仅可以提高这些农副产品的附加值，还可以减少这些废弃物被排放到环境中造成的污染，降低红曲色素的生产成本，节约粮食，提高经济效益。

2.4 红曲霉发酵工业废弃物生产红曲色素

ROSE M M等[30]以工业上生产生物柴油产生的副产物甘油作为红色红曲霉（M.ruber CCT 3802）的发酵基质，研究了其用于生产红曲色素的可行性。通过对实验条件优化，以甘油为碳源，谷氨酸钠为氮源发酵红曲霉，红曲色素在波长480nm条件处产量最高达到7.38U，最大生产能力0.058U/h，初步证明了用甘油发酵红曲霉生产红曲色素的可行性。随着市场上对生物燃料的需求伴随产生大量甘油，而市场对甘油的需求已经达到饱和，因此以甘油作为微生物发酵基质来生产高附加价值产品的研究很有必要。以甘油作为基质发酵红曲霉生产有用代谢产物，可以缓解市场上甘油过饱和的状态，提高其利用率，生产高经济效益产品。

3 展望

本实验室长期以来对红曲霉发酵的研究也显示，当以黑米粉、荞麦粉、木薯粉作为底物生产红曲色素时，得到的色素产量也较高。此外，红曲霉发酵黑米等底物还可以用来生产功能性成分莫奈克林。开发红曲霉发酵小米、玉米、小麦等不同底物进行色素生产，在不断扩大红曲色素应用范围的同时，还能促进谷物粮食的多元化发展、减少农业废弃物排放到空气中造成的污染。虽然目前国内外对红曲色素的研究已取得较大发展，但是其相关产品存在成分不明确、桔霉素含量超标等问题，在一定程度制约着红曲色素及相关产品的应用。所以进一步鉴定红曲色素的化学成分，调控红曲霉代谢途径，从而开发成分明确、高色价低桔霉素含量的色素产品将是红曲色素研究的方向。

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