红曲发酵工艺及相关生物活性物质研究.pdf

32摘要：对红曲不同发酵工艺及相关生物活性物质的差异进行阐述。基于不同发酵工艺尚存的不足，对红曲发酵工艺及发展前景进行展望，以期为红曲制品的提质增效及产业化发展提供参考。关键词：红曲；发酵工艺；活性物质；发展前景Study on fermentation technology of red kojicand related bioactive substancesYIN Qian-qian,ZUO Yong(College of Life Science,Sichuan Normal University,Chengdu 610101,Sichuan,China)Abstract:The differences of different fermentation processes and related biological active substances ofred kojic were expounded.Based on the shortcomings of different fermentation processes,the fermenta-tion processes and development prospects of red kojic were prospeced,in order to provide reference forimproving the quality and efficiency of red kojic products and industrial development.Key words:red kojic;fermentation process;active substance;development prospect中图分类号：TS201.3传统红曲是红曲霉菌以大米为基质发酵而来，属于药食两用产品，主要生物活性物质为红曲色素、莫纳可林K(MK)。红曲色素具有抗菌、抗肿瘤、抗氧化等多种生物活性,应用前景广泛。MK能有效抑制胆固醇合成过程中的关键酶3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A（H M G-Co A)还原酶,帮助降低胆固醇水平2 ,可作为膳食补充剂。根据红曲霉菌代谢产物特性，红曲产品主要分为3大类：色素类红曲制品，如红曲红、红曲黄3;功能性红曲制品，如中药饮片类红曲、红曲保健食品等4；酿造类红曲制品，如酿酒、酿醋红曲5-6 桔青霉素是红曲霉菌发酵过程中产生的1种真菌毒素,属于多酮化合物,其对哺乳动物的肝肾毒性限制了红曲的广泛使用。目前国内外相关研究集中于提高红曲霉功能代谢物产量，减少有害代谢物产量7 。本文对红曲霉菌不同发酵工艺及相关生物活性物质研究进行概述，以期为高品质红曲制品的工业化、规模化、可控化生产提供理论基础。收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 7基金项目：中央引导地方区域创新体系建设项目（2 0 2 1ZYD0159）；四川省科技计划重点研发项目（2 0 2 2 YFN0056）；四川省科技厅应用基础研究项目（2 0 2 1YJ0273）作者简介：般倩倩（19 9 9 一），女，硕士研究生，研究方向为微生物发酵食品。通信作者：左勇（19 7 2 一）男，硕士，教授，研究方向为微生物发酵食品。粮食与油脂红曲发酵工艺及相关生物活性物质研究殷倩倩，左勇（四川师范大学生命科学学院，四川成都6 10 10 1）文献标志码：A2023年第36 卷第9 期文章编号：10 0 8-9 57 8(2 0 2 3)0 9-0 0 32-0 41红曲发酵工艺研究现状目前,红曲发酵主要有固态发酵工艺和液态发酵工艺。固态发酵基质具有多样性、功能代谢产物产量高等特点，但存在发酵周期较长、工艺繁琐复杂、产品质量不稳定等问题8 ；液态发酵周期短、质量稳定、可大规模生产，但菌体的生长和代谢受到多种因素的影响,如发酵培养基的组成和配比、发酵液的稀黏度等9 。2 种发酵工艺,在次生代谢产物方面也有差异，固态发酵的有益次生代谢产物产率通常高于液态发酵，如红曲色素产量以及MK产量通常是液态发酵的10 倍，相应有害产物桔青霉素含量也较液态发酵高，而液态发酵常用于红曲次生代谢产物黄色素的相关机理以及低产桔青霉素的研究。1.1固态发酵1.1.1工艺流程以常见原料基质大米为例，红曲固态发酵工艺流程图如图1所示10 ,其在发酵培养过程中，需定时翻曲，以获得均匀发酵产物。2023年第36 卷第9 期大米（发酵营养液）筛选配制浸泡煮沸降温1.1.2固态发酵工艺研究目前固态发酵法常以大米作为发酵原料进行发酵,大米品质不同，红曲发酵产物也有差异。研究1 显示,不同种类稻米的直链淀粉与支链淀粉含量有所不同，因此蒸煮后的品质也有所差异，其中直链淀粉含量高的稻米，淀粉颗粒排列较疏松，有利于氧气和菌丝进人，较适合红曲霉菌生长。在工业上以大米为固态发酵基质生产色素等功能性成分的成本较高，很难实现大规模生产。因此，从绿色、高效利用角度出发,许多研究学者将一些廉价的农产品及其加工废弃物用作固态发酵基质，取得了不错的成果。刘晓宁12 以柚子囊为固态发酵基质,红曲菌9 9 0 1为发酵菌株，MK的产量可达到6984.9mg/kg，为促进农副产品的高附加值利用提供了新思路。红曲可药食两用，有学者对天然药食两用材料固态共发酵进行研究，为相关新型食品和药品的研究与开发提供了参考。傅思瑞等13 以食用真菌木耳为发酵基质，对红曲代谢产物产量以及红曲色素抗氧化活性进行研究,结果表明，红曲菌株M.h2019产生的红曲色素抗氧化活性强、MK产量较高，适宜于固态共发酵木耳红曲产品。覃学领等14 采用丛毛红曲菌MS-1固态发酵山药，MK产量达到8.10 mg/g，为新型红曲产品的开发提供了思路。1.2液态发酵1.2.1工艺流程原料以大米为例,红曲液态发酵工艺流程图如图2 所示15。加工工艺操作简单，液态发酵基质混合均匀。粮食与油脂大米（磨粉）菌液营养液）配制分装煮沸、灭菌灭菌接种一紫色红曲霉菌接种培养培养干燥图1红曲固态发酵工艺流程33配料菌接种培养）菌液种子液）菌液）菌丝体图2 红曲液态发酵工艺流程1.2.2液态发酵工艺研究红曲液态发酵技术具有发酵周期短、不易染菌等优点，其产品在纯度、风味性、应用范围等方面优于固态发酵16 。红曲酒、红曲醋、红曲发酵饮料等是由红曲霉菌与其他有益菌种进行液态共发酵后再经过调配制得的，产品在获得独特香味和口感的同时，还保留了红曲中的功能性成分,具有一定的降血脂、降血糖作用。况嘉铀17 以紫薯粉为发酵原料,红曲菌Z505为发酵菌株,以2 0 发酵6 d,制得的红曲发酵液颜色艳丽透亮，散发出浓郁的花果香味。红曲黄色素因其广泛的应用范围和较高的经济价值已逐渐成为红曲色素研究的新热点18 。在液态发酵方式中，常通过菌株选育以及优化发酵条件研究高产黄色素和低产桔青霉素。赵会19 采用重离子诱变和常温常压等离子体诱变复合育种，成功筛选出1株高产黄色素菌株H14,并进行液态发酵，黄色素产量达10 4.6 7 U/mL。周珂等2 0 通过优化红曲霉菌液态发酵培养基成分、发酵条件,对红曲色素和桔青霉素在红曲霉菌中的积累规律进行研究,结果表明,在最佳工艺条件下,橙、黄色素分别比之前提高了6 倍和4倍,桔青霉素含量降低了30%。2红曲发酵相关生物活性物质研究在固态发酵中,微生物是在接近于自然条件的状况下生长的,产生一些通常在液体培养基中不产生的酶或其他代谢产物2 1,因而固态发酵的有益次生代谢产物产率通常高于液态发酵。在液态发酵中基质混合均匀，有利于营养成分快速扩散，从而在代谢产物的纯度以及有益活性物质的功效方面优于固态发酵。2.1红曲色素红曲色素是由多种物质组成的聚酮类混合物2 2 ,红、橙、黄3种色素,因具有良好的着色能力及一定的抑菌能力,而在食品领域有着广泛的应用。在医药领域中,红曲色素被证实具有一定降血糖、降血脂的效果。ZHOU等2 3 研究表明,高血脂症大鼠口服3种红曲色素均可明显降低血脂水平、抑制肝脏脂肪堆积和变性、减轻脂代谢紊乱,可为高血脂症提供34更多的治疗选择。因此,天然无害物质红曲色素,其产量和功效性方面也备受关注。在不同的发酵工艺中,红曲色素的产量和功效也具有差异。ZENG 等2 4以红曲霉 HBSD 08菌株为发酵菌株,进行液态发酵和固态发酵条件优化，以获得最大产量的红曲色素，结果显示：在液态发酵和固态发酵条件下，红曲色素产量最高分别为7 9.6 U/mL和110 2 U/g;通过薄层层析法对色素成分进行分析，色素组成成分没有差别,而液态发酵中色素的抗氧化活性显著高于固态发酵色素,因而液态发酵色素更有利于保存,功效更强。固态发酵、液态发酵红曲色素的稳定性也不相同，液态发酵红曲色素在高温下易分解，在9 0 下色素保存率仅为2 6.9 7%2 5,而固态发酵红曲色素在10 0 下色素保存率仍为7 9.0 2%2 6 ,因而固态发酵色素热稳定性较好，可应用于各类食品工业加工领域。2.2MKMK及其衍生物可用于治疗高胆固醇血症,改善糖尿病相关疾病,对肺癌、胃癌、宫颈癌等多种常见恶性肿瘤都有明显的抑制作用2 7 。MK有2 种存在形式,酸型和内酯型,酸型MK发挥降胆固醇能力大约是内酯型MK的2 倍,且内酯型MK需要羟基酸酯酶的作用转化为酸型，才能够发挥降胆固醇的作用,而肝脏分泌羟基酸酯酶时,对自身也会产生伤害。MK在不同的发酵工艺中,其产量和功效也具有差异。DAI等2 8 对四株红曲霉MS-1、Y D J-1、YDJ-2和K104061在固态和液态发酵中产生MK的能力进行比较，发现固态发酵MK产量约为液态发酵产量的10 倍。FENG等2 9 以1株产MK而不产桔青霉素的红曲霉 MS-1菌株为发酵菌株,经过固态和液态发酵发现，固态发酵产物中MK以2 种形式混合存在，液态发酵产物中MK主要以酸型存在。由此可知,液态发酵酸型MK的纯度更高,功效更强,适用于医药领域进行深人研究，而固态发酵MK可用作膳食补剂。2.3桔青霉素桔青霉素是1种真菌毒素,是由青霉属、曲霉属和红曲霉属3个属的物种产生的,具有肝肾毒性、生殖毒性和胚胎毒性30 。因此,红曲制品中桔青霉素的含量已经受到了广泛的关注。许多国家目前已建立了红曲制品中桔青霉素污染的限量指标，我国根据CB1886.1812016食品安全国家标准食品添加剂红曲红的规定，红曲红单位色价的桔青霉素含量应0.0 4 mg/kg。降低桔青霉素含量,确保粮食与油脂红曲产品品质稳定，一方面，研究者们通过筛选高产功能代谢物质、低产桔青霉素的菌株以及优化红曲发酵培养条件来达到目的31 另一方面,通过在发酵过程中外源添加安全无毒害物质，从而扰乱桔青霉素代谢途径的方法也在不断研究中，例如NaCl,因其具有便宜易得、降低桔青霉素效果明显、无有害物质残留等特点，适合用于红曲这类天然药食两用产品。ZHEN等32】研究表明，添加0.02 mol/LNaCl的试验组桔青霉素含量比对照降低了48.0%，MK产量增加了40%，黄、橙、红色素最大产量分别为16 55.9、543.2、555.3U/g，逆转录荧光定量聚合链式反应（RT-qPCR）结果显示，添加NaCl后,桔青霉素合成相关基因表达水平显著下调,红曲色素合成相关基因表达水平显著上调。固态、液态发酵工艺，在加工工艺、发酵基质、发酵时间、主要生物活性物质、桔青霉素含量方面都各具优劣，具体见表1。表1红曲固态发酵工艺与液态发酵工艺的比较分析比较项目固态发酵加工工艺操作繁琐，适合小试或实操作简单，可大规模验室发酵基质种类多样发酵时间/d12 25产品质量稳定性不稳定，易染菌红曲色素与MK产量产量较高红曲色素功效性较耐高温，抗氧化活性较低MK功效性内酯型与酸型MK混合，功效性较低桔青霉素含量较高3展望目前红曲的发酵工艺各有优缺点，因此设想1种液-固法红曲发酵工艺把2 种发酵工艺的优势结合起来。红曲发酵产功能性代谢产物分为前期发酵和后期发酵。前期发酵的目的是增加红曲霉菌的生物量、分泌相关酶，为后期次生代谢产物的形成创造条件，在这一过程中，红曲霉菌几乎不产生代谢产物。因此,设想的生产方式是先进行菌丝体能够均匀繁殖的液态发酵，使红曲霉菌丝体均匀长满发酵基质的表面，在代谢产物产生之际转换成固态发酵，以期获得产率高、纯度高、功效性强的次生代谢产物。目前液-固法红曲发酵工艺具有很高的研究价值，随着对上述过程的深人研究，对红曲发酵代谢产物和生产工艺的进一步探索，定能促进红曲产品的蓬勃发展。2023年第36 卷第9 期液态发酵生产种类单一59较稳定产量较低高温易分解，抗氧化活性较高力以酸型MK存在，功效性较高较低2023年第36 卷第9 期参考文献【1】贾氏臣，孟金明，穆红霞，等.红曲菌发酵产物中的新功能性成分及功效的研究进展J中国食品添加剂,2015(4):179 184.2 FENG Y L,YU X.Perspectives on functional red mold rice:Functional ingredients,production,and application J.Frontiers in Microbiology,2020,11:606959.【3】张群红曲发酵产天然黄色素的关键技术研究J食品与生物技术学报，2 0 2 1，40(9)：112.4 KLIMEK M,WANGS,OGUNKANMI A.Safety and effi-cacy of red yeast rice(Monascus purpureus)as an alterna-tive therapy for hyperlipidemia J.Pharmacy and Thera-peutics,2009,34(6):313 327.【5】张超功能性红曲酒酿造工艺的研究J酿酒，2 0 2 1,48(3):124 126.【6 邹昆，程强，鲁兰，等.红曲醋的研究现状和发展趋势J中国调味品，2 0 2 2，47(2)：2 11-2 15，2 2 0.7 SHI J,QIN X L,ZHAO Y R,et al.Strategies to enhancethe production efficiency of Monascus pigments and controlcitrinin contamination J.Process Biochemistry,2022,117:19 29.【8 李沅达，邓秀娟，吴婷，等红曲霉发酵食品研究现状与分析J食品安全质量检测学报，2 0 2 2，13(3)：688-696.【9】胡文林，谢凤娇，谭兰英，等红曲菌深层发酵产业化现状与展望J：肉类工业，2 0 2 1(2)：4549.【10】胡琨，马倩，殷倩倩，等.红曲发酵加工工艺及桔霉素控制研究进展J中国食品添加剂，2 0 2 2，33(6)：208-214.11】牛亚蒙稻米基质影响红曲霉次生代谢产物机理的研究D天津：天津科技大学，2 0 17.12刘晓宁红曲菌9 9 0 1利用柚子囊固态发酵产Monaco-linK的研究D无锡：江南大学，2 0 2 1.【13傅思瑞，刘鬼，张彩梅，等四株红曲霉菌固态发酵木耳红曲的性能比较J食品工业科技，2 0 2 0，41(18)：4550.【14】覃学领，吴佩芝，余伊鑫，等丛毛红曲菌固态发酵山药产莫纳可林K的影响因素研究J中国酿造,2021,40(12):98-102.15胡文林，谢凤娇，谭兰英，等.红曲菌深层发酵工艺技术J肉类工业，2 0 19(2)：34-39.【16 CLEM ENT A.一株紫色红曲霉液态发酵产红曲色素的特性研究D兰州：西北师范大学，2 0 19.17况嘉铀红曲菌液态发酵产风味物质及成分分析D.武汉：湖北工业大学，2 0 2 1.18 TAN HL,XING Z Y,CHEN G,et al.Evaluating antitu-mor and antioxidant activities of yellow Monascus pigmentsfrom Monascus ruber fermentation J.Molecules,2018,粮食与油脂23(12):3242.19赵会液态发酵生产红曲黄色素过程优化研究D.长沙：中南林业科技大学，2 0 2 1.20】周珂，严鹏程，胡永丹高产橙黄色素低产桔霉素红曲菌的液态发酵条件优化J食品与发酵工业,2020,46(7):116-122.21张拓Bacillus subtilisNH的分离及玉米皮发酵参数的优化研究D咸阳：西北农林科技大学，2 0 17.22 FENG S S,LI W,HU Y J,et al.The biological activityand application of Monascus pigments:A mini review J.International Journal of Food Engineering,2022,18(4):253-266.23 ZHOU W B,GUO R,GUO W L,et al.Monascus yellow,red and orange pigments from red yeast rice ameliorate lipidmetabolic disorders and gut microbiota dysbiosis in Wistarrats fed on a high-fat diet J.Food&Function,2019,10(2):1073 1084.24 ZENG H W,JIE Q,XIN Z,et al.Optimization of sub-merged and solid state culture conditions for Monascus pig-ment production and characterization of its composition andantioxidant activity J.Pigment and Resin Technology,2018,48(7):10.25】陈景智红曲色素的液态发酵生产工艺研究D福州：福州大学，2 0 18.26赵鲁玉高产红曲色素固态发酵工艺及其应用特性研究D泰安：山东农业大学，2 0 2 0.27】蒋沅岐，董玉洁，周福军，等。红曲的化学成分、药理作用及临床应用研究进展J中草药，2 0 2 1，52(2 3)：73797388.28 DAI W H,SHAO Y C,CHEN F S.Production of monaco-lin K in Monascus pilosus:Comparison between industrialstrains and analysis of its gene clusters J.Microorgan-isms,2021,9(4):747.29 FENGY L,CHENW P,CHENF S.A Monascus pilosusMS-1 strain with high-yield monacolin K but no citrinin J.Food Science&Biotechnology,2016,25(4):1115-1122.30 TWARUZEK M,ALTYN I,KOSICKI R.Dietary supple-ments based on red yeast riceA source of citrinin?J.Toxins,2021,13(7):497.31 SAITHONG P,CHITISANKUL W T,NITIPAN S.Com-parative study of red yeast rice with high monacolin K,lowcitrinin concentration and pigments in white rice andbrown rice J.Czech Journal of Food Sciences,2019,37(1):75 80.32 ZHEN Z X,XIONG X Q,LIU Y B,et al.NaCl inhibitscitrinin and stimulates Monascus pigments and monacolinK production J.Toxins,2019,11(2):118.35