紅曲霉利用農(nóng)業(yè)殘余生產(chǎn)次生代謝產(chǎn)物的研究進(jìn)展

周 昀，倪 莉，柯 軼

(1.福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物工程系，福建 福州 350007； 2.福州大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)研究所，福建 福州 350108)

紅曲霉是我國傳統(tǒng)的可食用真菌，主要被用于釀造、著色和調(diào)味等食品加工業(yè)。近年來，我國學(xué)者對紅曲色素、Monacolin K、γ-氨基丁酸等紅曲菌次生代謝產(chǎn)物的研究較多。這些次生代謝產(chǎn)物具有一定的生理活性，具有研究開發(fā)的價值。農(nóng)產(chǎn)品原料及其副產(chǎn)品是廉價的碳源和氮源，很適合微生物產(chǎn)出高附加值的次生代謝產(chǎn)物，同時能減少農(nóng)業(yè)廢棄物給環(huán)境帶來的危害。本文對紅曲霉以農(nóng)副產(chǎn)品及其廢棄物作為基質(zhì)生產(chǎn)各類代謝產(chǎn)物的情況進(jìn)行綜述，為研究紅曲霉的培養(yǎng)與利用提供參考。

1 植物類基質(zhì)

1.1 谷物類基質(zhì)

1.1.1 主食類谷物及其廢棄物

紅曲菌固態(tài)發(fā)酵的傳統(tǒng)基質(zhì)是大米[1]，所產(chǎn)的色素自古以來被用作食用色素，添加到肉類制品和飲料中。紅曲霉更易在碳水化合物含量高的基質(zhì)上生長，且碳源對紅曲霉生產(chǎn)色素影響很大。培養(yǎng)基質(zhì)一般以淀粉類為主。近年來，液態(tài)發(fā)酵法憑借其易操控性逐漸發(fā)展起來。與固態(tài)發(fā)酵法相比，液態(tài)發(fā)酵基質(zhì)更傾向于選用糧食粉末[2]，包括秈米粉、玉米粉或單純糖類碳源[3]。

淀粉類基質(zhì)中以谷物為主。除直接使用谷物作為基質(zhì)外，糧食廢棄物(如谷殼、麩皮、廢水和廢渣等)也可作為紅曲霉發(fā)酵的底物。碎米、糙米等都可被用作基質(zhì)生產(chǎn)紅曲色素。童愛均[4]等比較了用9種谷物培養(yǎng)紅曲霉、生產(chǎn)色素的情況，發(fā)現(xiàn)以紅米為底物時三種色素的產(chǎn)量均很高，而額外添加輔助碳源(果糖、葡萄糖)會增加色素產(chǎn)量。杜甫軍[5]等通過紅曲霉發(fā)酵米醋廢渣，得到的紅曲色素產(chǎn)量較高。此外，無麩質(zhì)小麥粉[6]、麥麩[7]等都曾被作為紅曲霉發(fā)酵的基質(zhì)，色素產(chǎn)量均很高。糙米加酵母浸膏被認(rèn)為是用固態(tài)發(fā)酵法獲得紅曲色素的最佳基質(zhì)[8]。Zhang[9]等比較了用5種谷物為底物培養(yǎng)紅曲霉所生產(chǎn)的Monacolin K濃度，認(rèn)為以小米為底物的產(chǎn)量最高，而大米、玉米、小麥和大麥因蒸煮后黏性過強(qiáng)導(dǎo)致Monacolin K低產(chǎn)。

1.1.2 雜糧類谷物及其廢棄物

近年來，以玉米和玉米廢棄物為基質(zhì)的研究較多見。玉米的栽種面積較大、產(chǎn)量高，玉米廢棄物所含營養(yǎng)成分也較多，因此這種基質(zhì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于獲得。除了直接使用玉米，將玉米與其他谷物搭配也是研究過程中所用的一種方法。Rajeswari T R[10]等研究了多種高淀粉底物，認(rèn)為玉米和甘蔗渣是紅曲霉發(fā)酵的最佳底物，色素產(chǎn)量高。紅曲霉發(fā)酵生產(chǎn)色素的過程中易產(chǎn)生副產(chǎn)物——橘霉素。Zhou[11]等利用玉米芯水解物液態(tài)培養(yǎng)紅曲霉，不僅能提高色素的產(chǎn)量，而且能降低橘霉素的合成率。

Srianta I[12]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，去殼的高粱可使紅曲霉高產(chǎn)醇溶性色素和Monacolin K。以豆類殘渣豌豆皮[13]及青稞作為碳源，獲得的色素產(chǎn)量高。

部分學(xué)者探索了將藥食兩用型的谷物甚至中藥殘渣作為基質(zhì)的可能性。蒲立檸[14]以青稞麩皮和薏苡仁作為基質(zhì)培養(yǎng)紅曲霉，可獲得Monacolin K、色素和可溶性多酚。馬麟[15]等以紅曲霉液態(tài)發(fā)酵苦蕎芽，色素產(chǎn)量高，且發(fā)酵液的抗氧化活性也很高。任二芳[16]等制備了高色價、高M(jìn)onacolin K和γ-氨基丁酸含量的紅曲淮山。譚顯東[17]等利用三七渣固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)紅曲色素，發(fā)現(xiàn)其中黃色素比紅色素的產(chǎn)量高。

1.1.3 豆制品及其廢棄物

近年來對大豆基質(zhì)的紅曲霉固態(tài)發(fā)酵技術(shù)研究側(cè)重于發(fā)酵產(chǎn)出的生物活性物質(zhì)，包括Monacolin K和黃酮類物。使用豆粉、豆奶等作為基質(zhì)，得到的Monacolin K產(chǎn)量很高。

1.2 水果及其殘渣

水果含糖量很高，制作果汁、果醬、果脯等產(chǎn)品的廢棄物相當(dāng)多，故水果也是培養(yǎng)紅曲霉的一種選擇。

Hamdi M[18]等學(xué)者研究了紅曲霉利用刺梨汁生產(chǎn)色素的過程中溶氧對中間產(chǎn)物的影響。Silveira S T[19]等以生產(chǎn)紅酒的廢棄物——葡萄渣作為紅曲霉的碳源底物，發(fā)現(xiàn)其色素產(chǎn)量比使用豆粕、高纖黃豆廢棄物、谷殼和奶酪乳清等底物時的高。Sharma S[20]以果汁廠廢棄的蘋果渣混合少量大米和葡萄糖作為底物，使色素高產(chǎn)。Terán R H[21]等研究了不同光源下以甘蔗渣水解物作為碳源時紅曲霉生產(chǎn)色素的情況，認(rèn)為暗環(huán)境能促進(jìn)熱穩(wěn)定性，使紅曲紅色素高產(chǎn)。 Panesar R[22]認(rèn)為，印度金諾橘皮粉末是作為液態(tài)深層培養(yǎng)紅曲霉的極好底物，添加豌豆莢粉末和0.1%硫酸鎂，可以得到高濃度的色素。一些熱帶水果的種子因富含淀粉非常適合作為紅曲霉發(fā)酵的基質(zhì)。Babitha S[23]對比了以米糠、麥糠、椰子油餅、芝麻油餅、棕櫚籽餅、花生油餅、木薯粉、釀造谷物廢渣、菠蘿蜜籽粉末和羅望子粉末作為底物時紅曲霉生產(chǎn)色素的情況，其中菠蘿蜜籽粉末的色素產(chǎn)量最高，其他組的色素產(chǎn)量較低，有的甚至無產(chǎn)出(芝麻油餅、椰子油餅)。Srinta I[24]等將榴蓮籽與山梨醇、果糖、葡萄糖及麥芽糖復(fù)配，用于培養(yǎng)紅曲霉，發(fā)現(xiàn)榴蓮籽與麥芽糖組合的色素產(chǎn)量最高。

1.3 其他植物和藻類

Wang[25]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，利用紅曲霉和芽孢桿菌或釀酒酵母復(fù)合發(fā)酵番石榴葉，可以獲得五倍子酸、綠原酸、蘆丁、槲皮素等生物活性物質(zhì)。Choi H S[26]等利用紅曲霉發(fā)酵仙人掌，獲得清除自由基活性很高的生物活性物質(zhì)，包括多酚類、黃酮類物質(zhì)。Suraiya S[27]等用紅曲霉發(fā)酵兩種褐色海草，產(chǎn)出了較多的多酚類和黃酮類物質(zhì)，提高了發(fā)酵海草的抗氧化性、抗糖尿病和抗酯酶活性。

2 單純糖類基質(zhì)

單純糖類比谷物的品質(zhì)更穩(wěn)定，處理更便捷，也更易被霉菌利用。Dufossé[28]等學(xué)者認(rèn)為，葡萄糖是最常見且被研究最多的碳源底物，能有效地促進(jìn)色素生產(chǎn)；紅曲霉在淀粉、糊精、葡萄糖、麥芽糖和果糖上都生長良好。 Costa J P V D[29]等學(xué)者比較了以葡萄糖、乳糖和水解乳糖為碳源時紅曲霉生產(chǎn)色素的能力，發(fā)現(xiàn)水解乳糖底物的色素產(chǎn)量最高，其中黃色、橙色色素的產(chǎn)量均較高。

3 其他食品工業(yè)廢料基質(zhì)

3.1 奶及其副產(chǎn)品

奶類乳清富含蛋白質(zhì)、微量元素和乳糖等，是極佳的食品廢料底物。Kujumdzieva A V[30]等學(xué)者以乳品工業(yè)廢棄物作為底物，使紅曲霉產(chǎn)出具有抗氧化性的天然紅曲色素，并申請了專利。

3.2 烘焙行業(yè)廢棄物

Haque M A[31]等從面包店收集了烘焙產(chǎn)品的下腳料，并以液態(tài)和固態(tài)方式發(fā)酵紅曲霉得到色素。他們還研究了發(fā)酵過程中葡萄糖淀粉酶和蛋白酶的活性變化，說明烘焙產(chǎn)品的下腳料可以作為紅曲霉生產(chǎn)色素及酶制劑的來源。

3.3 動物制品的下腳料

雞毛是禽類工業(yè)的副產(chǎn)物，蛋白質(zhì)含量很高且極其廉價。Orak T[32]等對比了雞毛蛋白胨、魚蛋白胨與蛋白酶蛋白胨發(fā)酵生產(chǎn)色素的情況，發(fā)現(xiàn)三種底物都傾向生產(chǎn)黃色素，而雞毛、魚蛋白胨生產(chǎn)的紅色素比蛋白酶蛋白胨的多。Lopes[33]等調(diào)查了24種菌株利用各種農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)色素的情況，以羽毛粉、魚粉、乳清、葡萄渣、大豆蛋白、大豆粉、稻殼、雞毛和豬毛都被作為菌株的唯一基質(zhì)進(jìn)行培養(yǎng)，最終發(fā)現(xiàn)紅曲霉可以適應(yīng)大部分基質(zhì)并產(chǎn)出色素。

4 工業(yè)副產(chǎn)品基質(zhì)

5 總結(jié)

從表1可以看出，在固態(tài)、液態(tài)發(fā)酵模式下，紅曲菌利用不同基質(zhì)作為底物可產(chǎn)生不同的次生代謝產(chǎn)物。雖然紅曲菌液態(tài)發(fā)酵的可控性強(qiáng)于固態(tài)發(fā)酵，但固態(tài)發(fā)酵在近年來仍處于主流地位，是因?yàn)楣虘B(tài)發(fā)酵所使用的培養(yǎng)基選擇范圍更廣且處理相對簡單、方便。在基質(zhì)選擇方面，除了常規(guī)選用的大米，淀粉含量高、來源廣泛且價廉的玉米及其廢棄物受到很多研究者的青睞。也有不少學(xué)者選擇簡單、易操作的單純糖類作為培養(yǎng)基的碳源。大豆因蛋白質(zhì)含量豐富，多被作為氮源，主要作用是提高M(jìn)onacolin K的產(chǎn)量。從紅曲菌利用各種基質(zhì)產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物來看，液態(tài)發(fā)酵法產(chǎn)物相對單一，固態(tài)發(fā)酵利用雜糧類基質(zhì)生產(chǎn)的產(chǎn)物品種較多，部分特殊植物基質(zhì)(番石榴葉)的表現(xiàn)不俗。由此可見，紅曲霉可利用的底物種類繁多，不限于淀粉含量高的谷物類，也可考慮食品工業(yè)中的大量廢棄物。這是篩選高產(chǎn)量、高品質(zhì)菌株的發(fā)展方向。

表1 紅曲霉發(fā)酵不同基質(zhì)得到的產(chǎn)物

續(xù)表1：

基質(zhì)菌種產(chǎn)物文獻(xiàn)魚廢料M. purpureus紅、黃色素[32][33]葡萄渣M. purpureus紅色素[33]液 態(tài) 發(fā) 酵小麥粉M. purpureus紅色素[6]玉米廢棄物M. ruber, M. sp.三種色素[11]刺梨汁M. purpureus紅色素[18]葡萄渣M. purpureus紅色素[19]大豆及豆粕M. purpureus, M. pilosus紅色素、Monacolin K[19]甘蔗渣M. ruber紅色素[21]橘皮M. purpureus紅色素[22]烘焙廢料M. purpureus紅色素[31]甘油M. ruber紅色素[34]乙醇M. purpureus三種色素[35]