红曲霉利用农业残余生产次生代谢产物的研究进展

周 昀，倪 莉，柯 轶

(1.福建生物工程职业技术学院 食品与生物工程系，福建 福州 350007； 2.福州大学 食品科学技术研究所，福建 福州 350108)

红曲霉是我国传统的可食用真菌，主要被用于酿造、着色和调味等食品加工业。近年来，我国学者对红曲色素、Monacolin K、γ-氨基丁酸等红曲菌次生代谢产物的研究较多。这些次生代谢产物具有一定的生理活性，具有研究开发的价值。农产品原料及其副产品是廉价的碳源和氮源，很适合微生物产出高附加值的次生代谢产物，同时能减少农业废弃物给环境带来的危害。本文对红曲霉以农副产品及其废弃物作为基质生产各类代谢产物的情况进行综述，为研究红曲霉的培养与利用提供参考。

1 植物类基质

1.1 谷物类基质

1.1.1 主食类谷物及其废弃物

红曲菌固态发酵的传统基质是大米[1]，所产的色素自古以来被用作食用色素，添加到肉类制品和饮料中。红曲霉更易在碳水化合物含量高的基质上生长，且碳源对红曲霉生产色素影响很大。培养基质一般以淀粉类为主。近年来，液态发酵法凭借其易操控性逐渐发展起来。与固态发酵法相比，液态发酵基质更倾向于选用粮食粉末[2]，包括籼米粉、玉米粉或单纯糖类碳源[3]。

淀粉类基质中以谷物为主。除直接使用谷物作为基质外，粮食废弃物(如谷壳、麸皮、废水和废渣等)也可作为红曲霉发酵的底物。碎米、糙米等都可被用作基质生产红曲色素。童爱均[4]等比较了用9种谷物培养红曲霉、生产色素的情况，发现以红米为底物时三种色素的产量均很高，而额外添加辅助碳源(果糖、葡萄糖)会增加色素产量。杜甫军[5]等通过红曲霉发酵米醋废渣，得到的红曲色素产量较高。此外，无麸质小麦粉[6]、麦麸[7]等都曾被作为红曲霉发酵的基质，色素产量均很高。糙米加酵母浸膏被认为是用固态发酵法获得红曲色素的最佳基质[8]。Zhang[9]等比较了用5种谷物为底物培养红曲霉所生产的Monacolin K浓度，认为以小米为底物的产量最高，而大米、玉米、小麦和大麦因蒸煮后黏性过强导致Monacolin K低产。

1.1.2 杂粮类谷物及其废弃物

近年来，以玉米和玉米废弃物为基质的研究较多见。玉米的栽种面积较大、产量高，玉米废弃物所含营养成分也较多，因此这种基质经济实惠且易于获得。除了直接使用玉米，将玉米与其他谷物搭配也是研究过程中所用的一种方法。Rajeswari T R[10]等研究了多种高淀粉底物，认为玉米和甘蔗渣是红曲霉发酵的最佳底物，色素产量高。红曲霉发酵生产色素的过程中易产生副产物——橘霉素。Zhou[11]等利用玉米芯水解物液态培养红曲霉，不仅能提高色素的产量，而且能降低橘霉素的合成率。

Srianta I[12]等学者发现，去壳的高粱可使红曲霉高产醇溶性色素和Monacolin K。以豆类残渣豌豆皮[13]及青稞作为碳源，获得的色素产量高。

部分学者探索了将药食两用型的谷物甚至中药残渣作为基质的可能性。蒲立柠[14]以青稞麸皮和薏苡仁作为基质培养红曲霉，可获得Monacolin K、色素和可溶性多酚。马麟[15]等以红曲霉液态发酵苦荞芽，色素产量高，且发酵液的抗氧化活性也很高。任二芳[16]等制备了高色价、高Monacolin K和γ-氨基丁酸含量的红曲淮山。谭显东[17]等利用三七渣固态发酵生产红曲色素，发现其中黄色素比红色素的产量高。

1.1.3 豆制品及其废弃物

近年来对大豆基质的红曲霉固态发酵技术研究侧重于发酵产出的生物活性物质，包括Monacolin K和黄酮类物。使用豆粉、豆奶等作为基质，得到的Monacolin K产量很高。

1.2 水果及其残渣

水果含糖量很高，制作果汁、果酱、果脯等产品的废弃物相当多，故水果也是培养红曲霉的一种选择。

Hamdi M[18]等学者研究了红曲霉利用刺梨汁生产色素的过程中溶氧对中间产物的影响。Silveira S T[19]等以生产红酒的废弃物——葡萄渣作为红曲霉的碳源底物，发现其色素产量比使用豆粕、高纤黄豆废弃物、谷壳和奶酪乳清等底物时的高。Sharma S[20]以果汁厂废弃的苹果渣混合少量大米和葡萄糖作为底物，使色素高产。Terán R H[21]等研究了不同光源下以甘蔗渣水解物作为碳源时红曲霉生产色素的情况，认为暗环境能促进热稳定性，使红曲红色素高产。 Panesar R[22]认为，印度金诺橘皮粉末是作为液态深层培养红曲霉的极好底物，添加豌豆荚粉末和0.1%硫酸镁，可以得到高浓度的色素。一些热带水果的种子因富含淀粉非常适合作为红曲霉发酵的基质。Babitha S[23]对比了以米糠、麦糠、椰子油饼、芝麻油饼、棕榈籽饼、花生油饼、木薯粉、酿造谷物废渣、菠萝蜜籽粉末和罗望子粉末作为底物时红曲霉生产色素的情况，其中菠萝蜜籽粉末的色素产量最高，其他组的色素产量较低，有的甚至无产出(芝麻油饼、椰子油饼)。Srinta I[24]等将榴莲籽与山梨醇、果糖、葡萄糖及麦芽糖复配，用于培养红曲霉，发现榴莲籽与麦芽糖组合的色素产量最高。

1.3 其他植物和藻类

Wang[25]等学者发现，利用红曲霉和芽孢杆菌或酿酒酵母复合发酵番石榴叶，可以获得五倍子酸、绿原酸、芦丁、槲皮素等生物活性物质。Choi H S[26]等利用红曲霉发酵仙人掌，获得清除自由基活性很高的生物活性物质，包括多酚类、黄酮类物质。Suraiya S[27]等用红曲霉发酵两种褐色海草，产出了较多的多酚类和黄酮类物质，提高了发酵海草的抗氧化性、抗糖尿病和抗酯酶活性。

2 单纯糖类基质

单纯糖类比谷物的品质更稳定，处理更便捷，也更易被霉菌利用。Dufossé[28]等学者认为，葡萄糖是最常见且被研究最多的碳源底物，能有效地促进色素生产；红曲霉在淀粉、糊精、葡萄糖、麦芽糖和果糖上都生长良好。 Costa J P V D[29]等学者比较了以葡萄糖、乳糖和水解乳糖为碳源时红曲霉生产色素的能力，发现水解乳糖底物的色素产量最高，其中黄色、橙色色素的产量均较高。

3 其他食品工业废料基质

3.1 奶及其副产品

奶类乳清富含蛋白质、微量元素和乳糖等，是极佳的食品废料底物。Kujumdzieva A V[30]等学者以乳品工业废弃物作为底物，使红曲霉产出具有抗氧化性的天然红曲色素，并申请了专利。

3.2 烘焙行业废弃物

Haque M A[31]等从面包店收集了烘焙产品的下脚料，并以液态和固态方式发酵红曲霉得到色素。他们还研究了发酵过程中葡萄糖淀粉酶和蛋白酶的活性变化，说明烘焙产品的下脚料可以作为红曲霉生产色素及酶制剂的来源。

3.3 动物制品的下脚料

鸡毛是禽类工业的副产物，蛋白质含量很高且极其廉价。Orak T[32]等对比了鸡毛蛋白胨、鱼蛋白胨与蛋白酶蛋白胨发酵生产色素的情况，发现三种底物都倾向生产黄色素，而鸡毛、鱼蛋白胨生产的红色素比蛋白酶蛋白胨的多。Lopes[33]等调查了24种菌株利用各种农业废弃物产色素的情况，以羽毛粉、鱼粉、乳清、葡萄渣、大豆蛋白、大豆粉、稻壳、鸡毛和猪毛都被作为菌株的唯一基质进行培养，最终发现红曲霉可以适应大部分基质并产出色素。

4 工业副产品基质

5 总结

从表1可以看出，在固态、液态发酵模式下，红曲菌利用不同基质作为底物可产生不同的次生代谢产物。虽然红曲菌液态发酵的可控性强于固态发酵，但固态发酵在近年来仍处于主流地位，是因为固态发酵所使用的培养基选择范围更广且处理相对简单、方便。在基质选择方面，除了常规选用的大米，淀粉含量高、来源广泛且价廉的玉米及其废弃物受到很多研究者的青睐。也有不少学者选择简单、易操作的单纯糖类作为培养基的碳源。大豆因蛋白质含量丰富，多被作为氮源，主要作用是提高Monacolin K的产量。从红曲菌利用各种基质产生的次生代谢产物来看，液态发酵法产物相对单一，固态发酵利用杂粮类基质生产的产物品种较多，部分特殊植物基质(番石榴叶)的表现不俗。由此可见，红曲霉可利用的底物种类繁多，不限于淀粉含量高的谷物类，也可考虑食品工业中的大量废弃物。这是筛选高产量、高品质菌株的发展方向。

表1 红曲霉发酵不同基质得到的产物

续表1：

基质菌种产物文献鱼废料M. purpureus红、黄色素[32][33]葡萄渣M. purpureus红色素[33]液 态 发 酵小麦粉M. purpureus红色素[6]玉米废弃物M. ruber, M. sp.三种色素[11]刺梨汁M. purpureus红色素[18]葡萄渣M. purpureus红色素[19]大豆及豆粕M. purpureus, M. pilosus红色素、Monacolin K[19]甘蔗渣M. ruber红色素[21]橘皮M. purpureus红色素[22]烘焙废料M. purpureus红色素[31]甘油M. ruber红色素[34]乙醇M. purpureus三种色素[35]