黃穎穎，陳慎，楊成龍*，陸東和

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程技術研究所，福州 350003；2.福建省農(nóng)產(chǎn)品發(fā)酵加工工程技術研究中心，福州 350003)

菌種紅曲菌(Monascusspp.)是我國重要的釀造食用微生物資源[1]，早在《本草綱目》、《醫(yī)林纂要》中等就有記載其是天然佳品。紅曲產(chǎn)品有酒曲、色曲和功能曲三類[2]，除可發(fā)酵制成多種傳統(tǒng)食品，如紅曲米、紅曲酒、紅腐乳等，還具有多樣性和高產(chǎn)性的有益產(chǎn)物，可降膽固醇、降血壓、降血糖、抑制癌細胞、預防骨質(zhì)疏松等[3-6]。目前紅曲產(chǎn)品應用范圍最廣泛的是用于食品著色的紅曲色素，一種由紅曲霉在生長代謝過程中產(chǎn)生的天然食用色素[7]，與合成色素相比，具有安全性好的優(yōu)點；與其他天然色素相比，紅曲色素穩(wěn)定性強，多種色調(diào)，顏色鮮艷，著色性和耐熱性較好，生產(chǎn)周期短，多種優(yōu)勢奠定了紅曲色素的特殊地位，有望替代亞硝酸鹽用于肉制品加工和水產(chǎn)品加工領域的著色。

近年來，隨著紅曲色素在肉制品加工和水產(chǎn)品加工領域的使用量迅速增加，已躍升到紅曲米和紅曲色素最主要的應用領域，同時，歐亞各國進口中國紅曲用于生產(chǎn)火腿腸，其進口量已超過我國總產(chǎn)量的50%以上，已成為國際范圍內(nèi)生產(chǎn)量及使用量最大的天然食用色素之一[8]。福建省是紅曲的發(fā)源地和主產(chǎn)區(qū)，紅曲產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上，福建紅曲以品質(zhì)優(yōu)、色價高的特點，在國內(nèi)外享有極高聲譽，市場前景廣闊[9]。然而，紅曲霉在發(fā)酵代謝的同時還會生成一種對人畜有害的毒素桔霉素(citrinin)，從而污染紅曲產(chǎn)品，使紅曲色素在使用中存在安全隱患[10-12]，嚴重制約了紅曲的廣泛應用[13]，已成為紅曲產(chǎn)品走向國際的最大障礙。從1995年法國Blanc博士證實紅曲霉具有產(chǎn)生真菌毒素桔霉素的能力，從而造成紅曲產(chǎn)品的污染，導致紅曲產(chǎn)品的食用安全性一直受到挑戰(zhàn)[14]。桔霉素作為相關食品污染程度的重要指標，各國已制定了對食品添加劑紅曲色素中桔霉素的限量指標，如日本衛(wèi)生部門認定為紅曲產(chǎn)品不含桔霉素才允許生產(chǎn)和出口，德國也明確提出今后若從中國進口紅曲必須有安全生產(chǎn)菌種及產(chǎn)品不含桔霉素的證明[15]。Li等檢測109份國內(nèi)外紅曲色素相關產(chǎn)品中有28%的樣品含有桔霉素，桔霉素含量在16.6～5253 μg/kg[16]，研究表明我國紅曲產(chǎn)品中桔霉素含量偏高，制約了我國紅曲產(chǎn)品的出口和使用領域的拓展。

紅曲產(chǎn)品中的桔霉素問題已經(jīng)引起相關行業(yè)的普遍重視[17,18]，對食品安全提出了新的挑戰(zhàn)，通過研究發(fā)現(xiàn)并非所有紅曲霉都會分泌桔霉素，這與菌種有很大關系，而且紅曲霉分泌桔霉素的合成量同時與培養(yǎng)條件及生產(chǎn)方法有很大關系。針對目前紅曲產(chǎn)品中的桔霉素含量不同程度地超出各個國家的限量標準，為了控制紅曲產(chǎn)品中的桔霉素同時高產(chǎn)紅曲色素，國內(nèi)外學者在菌株的篩選、發(fā)酵工藝優(yōu)化、基因分子水平方面取得了較大進展，已從誘變、篩選、改造菌株、改良生產(chǎn)工藝、優(yōu)化發(fā)酵條件等方面進行了大量的工作[19]。

1 菌株

在菌種方面，日本學者曾報道紅色紅曲霉和單色紅曲霉都不產(chǎn)桔霉素，根據(jù)不同的菌株產(chǎn)桔霉素的能力差距較大，通過菌株篩選、環(huán)境誘變育種(紫外、化學、高能混合粒子場、超聲波、氯化鋁等誘變方法)、基因工程技術(關鍵基因敲除法、構建T-DNA插入轉(zhuǎn)化子庫)等改良紅曲菌株，選育不產(chǎn)或者低產(chǎn)桔霉素的優(yōu)良菌種用于生產(chǎn)紅曲色素。王軒等先從紅曲米中分離得到一株低產(chǎn)桔霉素同時高產(chǎn)色素的菌種，然后通過紫外誘變出一株產(chǎn)色素能力不變，但桔霉素產(chǎn)量降低87.7%的突變株；再結(jié)合化學方法使用硫酸二乙酯進一步誘變，得到一株產(chǎn)色素能力依舊穩(wěn)定在5000 U，但桔霉素產(chǎn)量降低93.3%的紅曲霉菌株[20]。通過高能混合粒子場處理紅曲霉，可以高效誘變和廣幅度誘變選育出低產(chǎn)桔霉素的優(yōu)良突變株[21]。產(chǎn)竹華等利用60Co輻照處理誘變紅曲霉，篩選得到一株分別在酵母蔗糖(YES)培養(yǎng)基、谷氨酸單鈉(MSG)固液培養(yǎng)下均不產(chǎn)桔霉素的菌株9908A[22]。

近年來的相關研究報道主要從分子生物學水平分析紅曲霉代謝產(chǎn)物的合成途徑，代謝合成色素和桔霉素的基因已經(jīng)被證明[23-25]，通過基因工程技術敲除紅曲霉菌株中合成桔霉素的相關基因，或控制紅曲霉基因簇的表達能降低桔霉素的合成量[26]。通過研究發(fā)現(xiàn)，聚酮化合物PKS是紅曲霉次級代謝產(chǎn)物合成途徑中重要的限速酶，Shimizu等和Jia等研究發(fā)現(xiàn)PKS基因pksCT參與桔霉素合成但與色素合成無關，通過同源重組技術將其敲除后菌株不產(chǎn)桔霉素，但不影響色素產(chǎn)量[27,28]；但是張淑云等通過對比橙色紅曲菌和其pksCT基因缺失株在不同的培養(yǎng)條件下發(fā)酵合成代謝桔霉素和紅曲色素，發(fā)現(xiàn)敲除pksCT基因不能完全抑制桔霉素的合成，由此推測控制紅曲霉代謝產(chǎn)生桔霉素的條件不單只是pksCT基因，還有其他影響因素，同時還需要結(jié)合發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化[29]。謝娜娜等通過分析關鍵基因pksPT的生物信息學，發(fā)現(xiàn)敲除pksPT會降低紅曲霉合成紅曲色素的代謝量，同時也提高了桔霉素的代謝合成量[30]。Xu等通過替換ctnA基因發(fā)現(xiàn)紅曲霉代謝桔霉素合成量減少了42%，同時紅曲色素增加了33%，證明ctnA基因為桔霉素合成途徑中主要的激活因子，研究表明敲除基因ctnA會導致紅曲霉高產(chǎn)紅曲色素低產(chǎn)桔霉素。同樣地，破壞聚酮合酶基因pksCT能使紅曲霉不合成代謝桔霉素；ctnB和ctPKS基因也被發(fā)現(xiàn)是參與紅曲霉合成桔霉素代謝途徑中的關鍵基因[31,32]。相反地，紅曲霉通過敲除色素調(diào)節(jié)基因pigR后不代謝合成紅曲色素，但如果再插入啟動子trpC反而能使紅曲霉合成代謝大量的紅曲色素同時降低桔霉素的生物合成[33]。Chen等研究了紅曲菌聚酮合酶基因pksCT和Zn指轉(zhuǎn)錄因子基因ctnA以及加氧酶基因orf3在不同紅曲菌中的分布情況，并且HPLC檢測發(fā)現(xiàn)只有M.purpureus和M.kaoliang能夠產(chǎn)生桔霉素，其他紅曲菌中未檢測到相關基因，也未檢測到桔霉素的產(chǎn)生[34]。Ning等采用同源重組方法獲得一株ctnE缺失菌，能顯著抑制96%桔霉素合成量，同時提高紅曲色素40%產(chǎn)量，研究表明ctnE基因在桔霉素合成代謝中具有重要的作用[35]。另外，還能利用T-DNA農(nóng)桿菌介導插入轉(zhuǎn)化技術對紅曲霉進行育種，通過構建紅曲霉轉(zhuǎn)化子的T-DNA插入轉(zhuǎn)化子庫，篩選出能產(chǎn)生穩(wěn)定的遺傳變化的轉(zhuǎn)化子，許楚旋等通過構建紅曲霉T-DNA插入轉(zhuǎn)化子庫，篩選出比原始菌株高產(chǎn)1.5倍的紅曲色素、桔霉素產(chǎn)量是原始菌株35%的紅曲霉轉(zhuǎn)化子[36]。相關的基因工程技術研究報道為安全的紅曲菌菌種篩選提供了理論依據(jù)。

2 培養(yǎng)工藝

紅曲菌次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，除了與菌株有關外，很大程度也受到培養(yǎng)環(huán)境條件和培養(yǎng)基組分的影響，通過研究改變紅曲霉的發(fā)酵培養(yǎng)工藝如pH值、通氧量、水分、溫度和光照、碳氮源的種類及其配比、外加添加物等方法，優(yōu)化發(fā)酵工藝以期提高紅曲霉色素產(chǎn)量的同時，抑制紅曲霉發(fā)酵代謝產(chǎn)生桔霉素的合成量。

2.1 培養(yǎng)條件

絲狀真菌紅曲霉的生長發(fā)育和生理代謝過程受光照條件、發(fā)酵溫度、供氧量、發(fā)酵環(huán)境pH等影響很大。相關研究表明調(diào)節(jié)發(fā)酵工藝參數(shù)能顯著影響紅曲霉合成桔霉素的產(chǎn)量。Wang等通過研究不同的光照條件，發(fā)現(xiàn)紅曲霉發(fā)酵過程中采用藍光短時間與低強度照射下能促進色素生成量[37]。劉宏等研究發(fā)現(xiàn)紅曲霉在持續(xù)的紅光照射下生長能產(chǎn)生更多的紅曲色素，同時抑制桔霉素的代謝量；在光照強度300 lux，光照時間30 min/天，光照節(jié)律12 h的最佳光照條件下，桔霉素的產(chǎn)量降低了42.5%[38]。李培睿等研究發(fā)現(xiàn)紅曲霉發(fā)酵代謝產(chǎn)生桔霉素的合成量隨著發(fā)酵溫度先升后降，最佳的發(fā)酵溫度是34 ℃[39]。桔霉素的合成與發(fā)酵培養(yǎng)環(huán)境中的供氧量有很大關系，Yang等通過研究紅曲霉在液態(tài)發(fā)酵中通氣量對紅曲色素和桔霉素合成量的影響，發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵過程中采用3個階段通氣量，分別在第0～2天300 L/h通氣量，第2～4.5天500 L/h通氣量，第4.5～5天200 L/h通氣量，對比持續(xù)用500 L/h通氣量，紅曲色素的產(chǎn)量提高了29.6%，而桔霉素的合成量降低了79.5%[40]。紅曲色素的代謝合成受發(fā)酵環(huán)境pH的影響顯著[41]，Kang等發(fā)現(xiàn)添加谷氨酸鈉、燕麥片、硫酸銨、硝酸鈉等不同的氮源能直接改變發(fā)酵液最后的pH值，通過添加氮源硫酸銨或者谷氨酸鈉，紅曲霉在偏酸性的低pH值的發(fā)酵環(huán)境下能代謝生成黃色素且不生產(chǎn)桔霉素[42]。在紅曲霉發(fā)酵過程中采用低頻磁場(LF-MF)處理研究發(fā)現(xiàn)也能有效抑制紅曲霉發(fā)酵合成代謝桔霉素的能力，同時在不影響紅曲霉細胞生長的情況下紅曲色素產(chǎn)量提高了30%左右，桔霉素降低了46.7%[43]。

2.2 培養(yǎng)基組分

通過改變紅曲霉發(fā)酵培養(yǎng)基組分，在保證紅曲色素產(chǎn)量不受影響的情況下，盡量降低桔霉素的合成量，如改良紅曲霉發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳氮源組分及其配比、添加適宜的銨鹽、氨基酸、脂肪酸等能有效地讓紅曲霉發(fā)酵代謝高產(chǎn)紅曲色素低產(chǎn)桔霉素。梁斐等人研究發(fā)現(xiàn)添加外源物環(huán)磷酸腺苷可以明顯地抑制桔霉素合成量，添加0.36 g/kg環(huán)磷酸腺苷在紅曲霉固態(tài)發(fā)酵過程中可以抑制96%的桔霉素合成量[44,45]；同時，發(fā)現(xiàn)添加30 μg/kg的生物素也能降低75%的桔霉素合成量，研究表明生物素能將紅曲霉代謝合成桔霉素途徑中的主要成分乙酰-CoA催化生成丙二酸-CoA，從而降低桔霉素的合成量；而生成的丙二酸-CoA參與脂肪代謝提高脂肪酸的合成，進一步促進代謝合成紅曲色素[46]。Hajjaj等研究發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基中添加六碳至十八碳的中鏈脂肪酸或甲基酮類物質(zhì)，能在不影響色素合成量的前提下，誘導產(chǎn)生H2O2降低桔霉素的合成量；研究報道發(fā)現(xiàn)氨基酸能參與到紅曲霉代謝中生成色素衍生物，甘氨酸、酪氨酸、精氨酸和組氨酸有利于合成代謝紅色素同時抑制合成代謝桔霉素，可能通過誘導產(chǎn)生過氧化氫酶體增殖形成H2O2抑制桔霉素的合成代謝[47-49]；在紅曲霉發(fā)酵培養(yǎng)基中添加谷氨酸、丙氨酸和脯氨酸會促進紅曲霉合成代謝桔霉素，田園等研究氨基酸對紅曲黃色素和桔霉素合成代謝的影響，發(fā)現(xiàn)半胱氨酸鹽酸鹽、苯丙氨酸、組氨酸、纈氨酸和脯氨酸能顯著抑制紅曲霉合成代謝桔霉素，通過添加4 g/L酪氨酸在提高紅曲霉黃色素代謝合成量的同時還能降低合成代謝桔霉素的生成量[50]。丘建明等在紅曲霉發(fā)酵液中添加適量的硫酸銨、氯化銨和硝酸銨能有效降低桔霉素的合成量達80%以上，有效促進紅曲霉代謝生成紅曲黃色素達30%以上[51]。

3 代謝調(diào)控網(wǎng)絡

對紅曲菌產(chǎn)桔霉素的代謝途徑及途徑中的代謝機制進行研究，將是降低桔霉素產(chǎn)量的又一個研究方向。鑒于紅曲霉代謝是動態(tài)的，隨著培養(yǎng)工藝的改變，紅曲色素和桔霉素生成量不同，采用差異蛋白質(zhì)組學研究發(fā)酵工藝對紅曲霉分泌蛋白表達的影響，鑒定及分析紅曲色素和桔霉素關鍵酶系及其活性變化規(guī)律，闡明代謝過程中紅曲色素和桔霉素合成的影響規(guī)律及其相關性，有望進一步探索紅曲霉基因與蛋白質(zhì)表達、蛋白質(zhì)功能與結(jié)構及建立紅曲霉蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫。近年來逐漸開始利用差異蛋白質(zhì)組學來研究真菌生長過程中或在外界環(huán)境刺激下的反應途徑及調(diào)控機制，迄今為止，國內(nèi)外在蛋白質(zhì)組水平上比較多用于青霉菌、土曲霉的研究[52,53]，紅曲霉的相關研究報道較少。Lin等[54,55]采用2-DE和基質(zhì)輔助激光解吸離子化飛行時間質(zhì)譜技術(MALDI-TOF/TOF-MS)分別對碳源和氮源的改變對紅曲菌蛋白質(zhì)表達的影響進行了研究；碳源試驗鑒定出12個表達有變化的蛋白質(zhì),分別與糖酵解、三羧酸循環(huán)、能量代謝以及蛋白質(zhì)折疊等生理過程相關；氮源實驗鑒定出與氨基酸合成、蛋白質(zhì)翻譯、抗氧化酶和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等生理過程相關；這一結(jié)果表明培養(yǎng)條件,特別是培養(yǎng)基的變化會對紅曲菌的蛋白質(zhì)表達產(chǎn)生影響；但是MALDI-TOF-MS需要基于相對分子質(zhì)量的精確度，對于多種可能性的蛋白質(zhì)翻譯易導致錯誤鑒定，雖然靈敏度高，但檢測蛋白質(zhì)量范圍小，常用于分析高分子量的蛋白質(zhì)；萬成等[56,57]建立了紅色紅曲菌蛋白質(zhì)組2-DE體系，用于紅曲霉及其pksCT基因缺失株，獲30余個差異蛋白點，但未進行質(zhì)譜鑒定分析功能。Tan等[58]采用2-DE和LC-MS/MS方法，分析乙醇脅迫對桔霉素合成及蛋白質(zhì)表達的影響，發(fā)現(xiàn)聚酮合成相關的蛋白質(zhì)、氨基酸合酶和氧化水解酶相關蛋白質(zhì)等受到乙醇抑制。

4 存在的問題和展望

提高紅曲產(chǎn)品中色素的含量,同時控制桔霉素含量是當前研究的熱點之一。在工業(yè)發(fā)酵領域，微生物菌種的差異性能明顯，因此，通過菌株篩選仍是降低桔霉素產(chǎn)量的一個重要的研究方法。紅曲色素和桔霉素合成呈伴生現(xiàn)象，常出現(xiàn)提高紅曲色素產(chǎn)量的同時，桔霉素含量也相應提高的現(xiàn)狀，因此調(diào)控紅曲霉代謝過程中促進紅曲色素的產(chǎn)生同時抑制桔霉素的產(chǎn)生成為解決這一矛盾的關鍵。研究表明：不同紅曲霉菌種在相同培養(yǎng)條件下分泌桔霉素的能力是不同的，可能是因為不同菌種代謝中分泌的酶系及其活性不同；同一菌種在不同環(huán)境下的生長情況和代謝產(chǎn)物也存在較大差異，可能是培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基成分的改變影響了紅曲色素和桔霉素代謝生成關鍵酶的酶活。Peng等通過測定中心代謝途徑大多數(shù)酶的活性，結(jié)合雙向電泳的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)大腸桿菌通過改變酶活或酶蛋白的表達量調(diào)節(jié)代謝,以響應碳源和培養(yǎng)條件的改變[59]。然而，相關酶種類及其活力變化在紅曲霉代謝途徑方面作用的直接試驗證據(jù)缺乏。紅曲色素和桔霉素同屬于聚酮化合物(PK)[60]，其生物合成途徑的前三步類似脂肪酸生物合成的步驟完全相同，即均由乙酰輔酶A(乙酰-CoA)和丙二酰輔酶A(丙二酰-CoA)在聚酮合酶(PKSs)的催化作用下生產(chǎn)四酮體,之后的合成路徑開始分歧，是同一代謝途徑中的兩個不同分支。因此，影響它們合成代謝的關鍵酶都是由數(shù)個蛋白質(zhì)組成的酶復合體PKSs，兩者合成代謝具有一定的關聯(lián)性。為了提高紅曲色素含量，降低桔霉素的含量，對紅曲霉代謝途徑中的代謝機制和關鍵合成酶活性進行研究，以分析二者代謝特性差異的原因，將是降低桔霉素產(chǎn)量的又一個研究方向。

福建省作為紅曲的主產(chǎn)區(qū)，紅曲的產(chǎn)量和出口量長期處于國內(nèi)領先地位，已出口到美國、法國、德國、日本和韓國等國家。紅曲紅是目前國際上產(chǎn)量和使用量最大的天然食用色素之一，但目前紅曲產(chǎn)品中桔霉素含量依舊偏高，影響我省紅曲產(chǎn)品的出口和紅曲產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。故繼續(xù)提高紅曲菌色素生產(chǎn)水平和降低桔霉素含量仍是現(xiàn)階段的重要任務[61]。因此，篩選出優(yōu)良的生產(chǎn)菌株，對紅曲霉代謝途徑中的代謝機制和關鍵合成酶活性進行系統(tǒng)研究，結(jié)合配套的菌種液體培養(yǎng)、培養(yǎng)基調(diào)配、培養(yǎng)條件控制等綜合技術，為開發(fā)出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)色素且低產(chǎn)桔霉素的紅曲米新產(chǎn)品提供了重要的理論依據(jù)和技術支持，對于福建省在全國甚至全世界的紅曲地位有重大的意義和廣闊的應用前景。

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