红曲色素行业发展的问题与分析.pdf

专 题 综 述Vol.33,No.01,20122012年第1期王璐1，2，许赣荣1，2，*，王武1，2（1.江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江苏无锡214122；2.江南大学生物工程学院，江苏无锡214122）摘要：红曲色素是我国特有的一种传统发酵产品，它主要用于食品工业的着色剂，然而在红曲色素产业中存在众多问题，如桔霉素、微生物残留、产品单一应用范围窄等问题，这些问题在一定程度上限制了红曲色素产业的发展。对红曲色素产业中存在的上述问题进行分析，并对红曲色素产业进行展望，探讨红曲色素产业发展策略。关键词：红曲色素，桔霉素，问题Problems and analysis of the development of Monascus pigment industryWANG Lu1,2,XU Gan-rong1,2,*,WANG Wu1,2（1.The Key Laboratory of Industrial Biotechnology，Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China；2.School of Biotechnology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）Abstract：Monascus pigment is a traditional fermentation product in China，it is mainly used as colorants in foodindustry.However，therearemanyproblemsexistingin Monascuspigmentindustryincluding citrinin contamination，microbiological contamination and narrow range of application.These problems hinder the development of theMonascus pigment industry.The problems mentioned above and suggestion for solving these problems werediscussed and prospected.Key words：Monascus pigment；citrinin；problems中图分类号：TS201.2文献标识码：A文 章 编 号：1002-0306（2012）01-0401-04收稿日期：20101103*通讯联系人作者简介：王璐（1984-），女，博士研究生，研究方向：红曲菌活性产物研究。基金项目：国家十一五科技支撑计划项目（2008BAI63B06）。红曲色素是红曲菌固态或液态发酵的天然色素，是中国特有的一种传统发酵产品，主要用于食品工业的着色剂。这是利用微生物发酵法大规模生产的最成功的天然生物色素。目前我国红曲行业生产企业有众多家，主要分布在福建、浙江、山东、河南、河北、江西等地。色素红曲产品主要有两种形式：红曲米（粉）及红曲红。红曲米是固态发酵（主要以厚层通风池发酵为主）产品，色价达8004000U/g；红曲红是用液态发酵，再经提取、精制、喷雾干燥得到的色素纯度较高的产品，其色价可达100150U/g（1%含量）；据不完全统计，我国色素红曲产品年产量可达万吨以上。文章综述了红曲色素产业发展存在问题：桔霉素问题、微生物残留问题和色素产品类型单一问题，并对如何解决这些问题进行分析和展望，为红曲色素产业的进一步发展提供参考。1红曲桔霉素问题1995年法国科学家Blanc1-2等报道红曲产品中含有一种生物毒素，即桔霉素（citrinin），对红曲的生产和应用产成极大的负面作用。在红曲色素产业中，今后制约其外向型发展的一个关键问题可能是桔霉素问题。桔霉素是红曲菌在代谢过程中产生的一种真菌毒素，其毒性与黄曲霉毒素B处于同一毒性水平3。它作用的靶器官是肾脏，毒性比较明显，能引起实验动物的肾脏肿大、尿量增多、肾小管扩张和上皮细胞变性坏死等症状4。研究还发现桔霉素具有致畸性，甚至还对基因有毒性效应5。20022005年，中国疾病预防控制中心和江南大学合作承担了两项国家“十五”重大科技专项课题，建立红曲桔霉素检测方法，普查了国内外红曲菌种产桔霉素性能以及红曲产品中桔霉素含量6，发现大多数红曲菌种具有生产桔霉素的遗传特性。红曲米中桔霉素大致在101000mg/kg，最高的有2500mg/kg；红曲红产品桔霉素达151400mg/kg，这表明我国红曲产品中桔霉素的含量普遍较高。日本作为红曲产品的另一个主要生产和应用大国，开展红曲桔霉素的研究工作较早，现在已基本解决了红曲桔霉素的问题。日本最新的 食品添加剂公定书 中，红曲色素中桔霉素的限量指标是0.2mg/kg（色价基准为500U/g）。这一形势对我国的红曲产品出口产生了非常不利的影响。天然红曲色素中桔霉素的含量较高是事关公众的食品安全问题，这种毒素的存在和超标不仅会危害消费者的健康，而且还红曲色素行业发展的问题与分析401Science and Technology of Food Industry专 题 综 述2012年第1期限制了红曲制品的出口和进一步的开发，是制约我国红曲走出国门、走向世界的瓶颈。因此生产低桔霉素含量的红曲色素产品势在必行。然而国内大多数红曲生产企业对解决桔霉素这一问题力不从心。当前国内红曲产品的国家标准有：GB 4926-2008食品添加剂红曲米（粉）和GB 15961-2005食品添加剂红曲红。两个标准对色素产品的色价指标提出了最低要求，如红曲米色价1000U/g以上，红曲红色价9000U/g以上。由于制定标准之时，国内红曲桔霉素问题尚未解决，故这两个标准均未对桔霉素含量设限。检测红曲产品桔霉素的国家标准方法有：GB/T5009.222-2008。此法为HPLC检测法，对液态样品的定量限为50g/L，对固态样品的定量限为1mg/kg。为了控制红曲产品中的桔霉素，国内外学者做了大量的研究工作，主要从微生物诱变育种、微生物基因工程育种、改良生产工艺、优化培养条件以及物理化学法等去除红曲产品中的桔霉素。1.1不产桔霉素红曲菌的诱变育种许赣荣7等从众多的红曲菌中筛选出一株不产桔霉素、但可生产Monacolin K的红曲霉9901。用该菌株固态发酵小米得到的红曲米中Monacolin K的含量最高可达11000mg/kg，在酵母提取物-蔗糖培养基及谷氨酸钠-葡萄糖培养基的培养液中均未检出桔霉素，固态发酵红曲产品中也未检出桔霉素。产竹华等8利用60Co对产桔霉素的红曲霉9908进行诱变，筛选出一株不产桔霉素的菌株9908A。分别采用YES、MSG液态培养和固态培养发现，3种培养方式均使该菌株不产桔霉素。通过对该菌株产色素固态发酵条件进行了优化后色价达2000U/g左右。黄志兵9等对一株橙色红曲菌进行诱变，得到了固态发酵后色价提高而桔霉素含量降低的红曲菌株。目前，诱变过的红曲菌发酵后能够完全不产桔霉素的较少，且这种方法比较费时，筛选效率低，因此需要新的育种方法。国内有些企业则是通过持续不断的菌种诱变和菌种筛选，最终得到高产色素及低产桔霉素的红曲菌种，从而生产低桔霉素含量的红曲色素。1.2不产桔霉素红曲菌基因工程育种目前的许多基因工程技术基础研究工作，如桔霉素代谢途径的研究、聚酮体的研究、红曲霉原生质体的制备、红曲霉基因转化系统等，使得从根本上消除桔霉素成为可能。Hajjaj10通过核磁共振技术发现了红曲霉中桔霉素的部分代谢途径如下：首先由1个乙酰辅酶A分子和4个丙二酰辅酶A分子缩合成戊酮，再经甲基化、缩合、还原、烷基化、还原、氧化、脱水等步骤，最后生成桔霉素。Gene bank中公布了紫色红曲菌中桔霉素合成基因的序列。许多转化方法也已经成功应用在红曲菌中如电击转化11、限制性酶介导转化12、原生质体介导转化13以及根癌农杆菌介导转化。周礼红14利用限制性酶介导红曲转化技术构建得到无桔霉素红曲霉基因工程菌。近几年来，有一些研究者采用根癌农杆菌转化方法，得到了一些T-DNA随机插入突变子，其中一些突变子的桔霉素合成能力大大降低或不产桔霉素。由于社会上对转基因食品或食品添加剂产品的安全性存在担忧，采用基因工程手段获得菌种用于生产还存在诸多非技术性的障碍，故采用传统方法进行菌种的选育，其可行性更高。1.3无桔霉素红曲色素发酵条件的优化赖卫华15认为在红曲菌桔霉素合成过程中，必定有多种酶参与。EDTA是一种螯合剂，能结合金属离子，而很多酶在催化反应时需要金属离子，因此培养基中加入EDTA必定会抑制桔霉素的生成，当红曲菌在加了EDTA的YES中培养时，生成桔霉素的能力明显受到抑制，实验的结果与此相符。Hajjaj等16研究表明，脂肪酸和甲基酮会影响红曲菌中桔霉素的生成，尤其是2-三十碳酮能强烈抑制桔霉素的生成，而并不影响色素的形成。在红曲菌发酵培养基中添加缬氨酸、组氨酸、色氨酸、亮氨酸也可消除桔霉素的生成。但是，影响桔霉素合成的各种化学物质，大多数也会影响红曲色素的合成，故在发酵培养基中添加这些物质的实用性不强。在红曲菌发酵工艺优化中发现，通气量和搅拌速度是影响红曲菌液体深层发酵合成桔霉素的两个条件，少通气量和低搅拌速度可以减少红曲菌桔霉素的合成17。发酵培养基的pH对红曲菌桔霉素的合成也有影响，pH越高，桔霉素合成越少，同时也有利于色素的分泌18。在固态发酵过程中可以通过高湿度发酵工艺技术来控制桔霉素的生产，从而生产无桔霉素的红曲产品。1.4红曲色素中桔霉素物理化学法去除从红曲产品中去除桔霉素物理法主要采用高温加热的方式，但效果不好；采用H2O2和碱处理法19虽然也有报道，但都会不同程度地破坏红曲色素。也有实验证明利用某种食用溶剂，采用浸泡法使红曲中的桔霉素完全溶解在该溶剂中进行过滤烘干，可以使红曲中桔霉素残留量降低；但此法会加大生产成本，工业化生产也不可行。2红曲米的微生物残留问题2.1红曲米微生物残留的原因在红曲产品的生产过程中，采用的是粗放型的固态发酵生产工艺，因此在微生物发酵过程、加工过程以及产品储存运输过程都有可能造成产品中微生物总数较高的现象。特别是对于一些致病微生物的检测，显得尤为重要。2.2目前控制残留微生物的方法及优缺点目前出口红曲可采用多种方法来达到灭菌的目的。表1中比较了这些方法的优缺点。2.3红曲产品微生物残留问题的解决红曲产品的生产工艺有两种，一种是液态深层发酵；一种是固态发酵。其中液态深层发酵染菌问题容易控制，但固态发酵多采用的是发酵池发酵，操作比较粗放，容易染菌。为了降低成本避免染菌，主要从以下几个方面来控制：在种子液的培养过程中避402专 题 综 述Vol.33,No.01,20122012年第1期免染菌，在每次接种后应留取少量的种子液进行平板培养，借以说明是否是种子中带杂菌；杜绝无菌空气带菌，必须从空气净化流程和设备的设计、过滤介质的选用和装填、过滤介质的灭菌和管理等方面完善空气净化系统，减少染菌几率；完善管理，规范操作，提高机械化程度；研发新型集成固态反应器，使固态发酵的大多数操作单元能在单一设备中，以密闭可控的形式完成，从而减少从外部染菌的可能性。3色素红曲品种多样化从色素红曲产品的形态来看，主要是红曲米和红曲红，品种相对较少。从红曲色素的生产方法来看，由于红曲红色素纯度高，液态发酵法红曲红的年产量逐年扩大，而固态发酵法红曲米有逐年萎缩的倾向；从红曲色素的使用角度来看，使用传统红曲米逐渐向使用红曲红的方向转变。从红曲色素的色调来看，红曲色素分为橙色、黄色、红色三种类型。但实际生产和应用中红曲红色素占有主导地位。红曲橙色素、黄色素的研究生产较少，几乎没有形成生产能力。但在食品工业中，应用更广的可能是黄色调的色素。从红曲色素的应用领域来看，红曲色素主要用于食品行业，在其他领域的应用没有实质性的突破。而从红曲色素的天然性和安全性来分析，在化妆品行业的应用是有发展前途的，且作为化工染料等也有应用的潜力。总之，需要研究开发多种红曲色素产品来满足消费市场的需求。应当从红曲菌种的选育，发酵、分离方法和结构改性等方面加强研究和探讨，制备一系列的红曲色素衍生物，从而扩展红曲色素的应用前景。3.1油溶性红曲色素辣椒红色素为油溶性能好的天然色素，而红曲色素则不易溶于油，因此限制了红曲色素产品在许多富含油脂的食品中的应用，因此需要研发油溶性的红曲色素产品，来满足市场的需求。目前国内已有红曲生产企业研发出油溶性红曲色素产品。3.2红曲黄色素黄色素作为一类主要的食用色素品种，约占市场需求量的60%，并且目前市售的食用黄色素产品主要是以植物提取为主，如姜黄素、栀子黄等，但其应用因植物材料生长繁殖而受季节、气候、产地等因素的影响，故利用微生物生产红曲黄色素的开发研究具有广阔的前景。黄色调的红曲色素最早由泰国科学家将其产业化，在我国仍然未形成生产规模。目前国内有研究者选育得到了产黄色素的红曲菌株，并对其发酵产黄色素的培养基及培养条件进行优化20，还有一些企业在红曲黄色素的生产工艺中主要采用还原剂还原红曲色素，或是以含硫化物与红曲色素反应得到红曲黄色素。但就产品生产成本及安全性考虑，还需深入研究。3.3红曲色素稳定性研究红曲色素的稳定性也是限制其应用的瓶颈，虽然红曲色素耐热耐酸碱，对多种离子的稳定性都比较好，但是其光稳定性较差，在太阳光直接照射下易褪色，因此需要研究红曲色素光不稳定性机理。国内对红曲色素光褪色机理的研究较少，连喜军等21人提出了红曲红色素的褪色机理，即在紫外光作用下，红曲红色素分子中的脂肪族侧链首先在-碳原子处发生Norrish型断裂成为自由基，随后在碳7位甲基上发生相同反应，接着色素发生电子转移和双键转换，水溶液中产生羟自由基，与色素结构中双键发生加成反应，共轭双键消失，色素失去颜色。当然这一理论还需进一步验证。4展望采用微生物发酵的方法进行天然食用色素的生产，应当是当前世界食品色素添加剂的发展趋势。我国今后应当着力研究、开发、生产、使用对人体具有生理功能，安全、稳定性好的多样化天然色素，由此可以预见红曲色素产品的开发与应用大有潜力。参考文献1 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of Food Industry专 题 综 述2012年第1期（上接第403页）!8产竹华，许赣荣.不产桔霉素红曲诱变菌株的选育及色素发酵条件的优化J.食品与发酵工业，2006，32（11）：28-31.9黄志兵，李燕萍，王延华，等.橙色红曲菌As3.4384及其诱变体发酵产物中的桔霉素和色素的高效液相色谱研究J.分析化学，2007，35（4）：474-478.10 Haj H，Klaebe A，Loret M，et a1.Biosynthetic pathway ofcitrinin in the filamentous fungus Monascus ruber as revealed by13C nuclear magnetic resonance J.Applied and EnvironmentalMicrobiology，1999，65（1）：311-314.11 Zhou LH，Wang ZX，Zhu GJ.Comparison of differenttransformation methods for Monascus spJ.Yi Chuan，2006，28：479-485.12 Chen YP，Tseng CP，Lian LL.Cloning and characterization ofMonacolin K biosynthetic gene cluster from Monascus pilosusJ.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2008，56：5639-5646.13 ShimizuT，KinoshitaH，NihiraT.Developmentoftransformationsystem in Monascus purpureus using an autonomous replicationvectorwithaureobasidinaresistancegeneJ.BiotechnologyLetters，2006，28：115-120.14周礼红.红曲霉遗传转化系统及桔霉素、Monacotia K生物合成相关PKS基因的克隆与功能鉴定D.无锡：江南大学，2005.15赖卫华，许杨，李燕萍，等.关于红曲霉产桔霉素规律的初步探讨J.中国酿造，2004（2）：12-14.16 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