紅曲色素行業(yè)發(fā)展的問題與分析

王 璐，許贛榮，*，王 武

（1.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇無錫214122；2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

紅曲色素行業(yè)發(fā)展的問題與分析

王 璐1，2，許贛榮1，2，*，王 武1，2

（1.江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇無錫214122；2.江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

紅曲色素是我國特有的一種傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品，它主要用于食品工業(yè)的著色劑，然而在紅曲色素產(chǎn)業(yè)中存在眾多問題，如桔霉素、微生物殘留、產(chǎn)品單一應(yīng)用范圍窄等問題，這些問題在一定程度上限制了紅曲色素產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對紅曲色素產(chǎn)業(yè)中存在的上述問題進行分析，并對紅曲色素產(chǎn)業(yè)進行展望，探討紅曲色素產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略。

紅曲色素，桔霉素，問題

紅曲色素是紅曲菌固態(tài)或液態(tài)發(fā)酵的天然色素，是中國特有的一種傳統(tǒng)發(fā)酵產(chǎn)品，主要用于食品工業(yè)的著色劑。這是利用微生物發(fā)酵法大規(guī)模生產(chǎn)的最成功的天然生物色素。目前我國紅曲行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)有眾多家，主要分布在福建、浙江、山東、河南、河北、江西等地。色素紅曲產(chǎn)品主要有兩種形式：紅曲米（粉）及紅曲紅。紅曲米是固態(tài)發(fā)酵（主要以厚層通風池發(fā)酵為主）產(chǎn)品，色價達800～4000U/g；紅曲紅是用液態(tài)發(fā)酵，再經(jīng)提取、精制、噴霧干燥得到的色素純度較高的產(chǎn)品，其色價可達100～150U/g（1%含量）；據(jù)不完全統(tǒng)計，我國色素紅曲產(chǎn)品年產(chǎn)量可達萬噸以上。文章綜述了紅曲色素產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在問題：桔霉素問題、微生物殘留問題和色素產(chǎn)品類型單一問題，并對如何解決這些問題進行分析和展望，為紅曲色素產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展提供參考。

1 紅曲桔霉素問題

1995年法國科學(xué)家Blanc[1-2]等報道紅曲產(chǎn)品中含有一種生物毒素，即桔霉素（citrinin），對紅曲的生產(chǎn)和應(yīng)用產(chǎn)成極大的負面作用。在紅曲色素產(chǎn)業(yè)中，今后制約其外向型發(fā)展的一個關(guān)鍵問題可能是桔霉素問題。桔霉素是紅曲菌在代謝過程中產(chǎn)生的一種真菌毒素，其毒性與黃曲霉毒素B處于同一毒性水平[3]。它作用的靶器官是腎臟，毒性比較明顯，能引起實驗動物的腎臟腫大、尿量增多、腎小管擴張和上皮細胞變性壞死等癥狀[4]。研究還發(fā)現(xiàn)桔霉素具有致畸性，甚至還對基因有毒性效應(yīng)[5]。2002～2005年，中國疾病預(yù)防控制中心和江南大學(xué)合作承擔了兩項國家“十五”重大科技專項課題，建立紅曲桔霉素檢測方法，普查了國內(nèi)外紅曲菌種產(chǎn)桔霉素性能以及紅曲產(chǎn)品中桔霉素含量[6]，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)紅曲菌種具有生產(chǎn)桔霉素的遺傳特性。紅曲米中桔霉素大致在10～1000mg/kg，最高的有2500mg/kg；紅曲紅產(chǎn)品桔霉素達15～1400mg/kg，這表明我國紅曲產(chǎn)品中桔霉素的含量普遍較高。日本作為紅曲產(chǎn)品的另一個主要生產(chǎn)和應(yīng)用大國，開展紅曲桔霉素的研究工作較早，現(xiàn)在已基本解決了紅曲桔霉素的問題。日本最新的《食品添加劑公定書》中，紅曲色素中桔霉素的限量指標是0.2mg/kg（色價基準為500U/g）。這一形勢對我國的紅曲產(chǎn)品出口產(chǎn)生了非常不利的影響。天然紅曲色素中桔霉素的含量較高，是事關(guān)公眾的食品安全問題，這種毒素的存在和超標不僅會危害消費者的健康，而且還限制了紅曲制品的出口和進一步的開發(fā)，是制約我國紅曲走出國門、走向世界的瓶頸。因此生產(chǎn)低桔霉素含量的紅曲色素產(chǎn)品勢在必行。然而國內(nèi)大多數(shù)紅曲生產(chǎn)企業(yè)對解決桔霉素這一問題力不從心。

當前國內(nèi)紅曲產(chǎn)品的國家標準有：GB 4926-2008食品添加劑紅曲米（粉）和GB 15961-2005食品添加劑紅曲紅。兩個標準對色素產(chǎn)品的色價指標提出了最低要求，如紅曲米色價1000U/g以上，紅曲紅色價9000U/g以上。由于制定標準之時，國內(nèi)紅曲桔霉素問題尚未解決，故這兩個標準均未對桔霉素含量設(shè)限。

檢測紅曲產(chǎn)品桔霉素的國家標準方法有：GB/ T5009.222-2008。此法為HPLC檢測法，對液態(tài)樣品的定量限為50μg/L，對固態(tài)樣品的定量限為1mg/kg。

為了控制紅曲產(chǎn)品中的桔霉素，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，主要從微生物誘變育種、微生物基因工程育種、改良生產(chǎn)工藝、優(yōu)化培養(yǎng)條件以及物理化學(xué)法等去除紅曲產(chǎn)品中的桔霉素。

1.1 不產(chǎn)桔霉素紅曲菌的誘變育種

許贛榮[7]等從眾多的紅曲菌中篩選出一株不產(chǎn)桔霉素、但可生產(chǎn)Monacolin K的紅曲霉9901。用該菌株固態(tài)發(fā)酵小米得到的紅曲米中Monacolin K的含量最高可達11000mg/kg，在酵母提取物-蔗糖培養(yǎng)基及谷氨酸鈉-葡萄糖培養(yǎng)基的培養(yǎng)液中均未檢出桔霉素，固態(tài)發(fā)酵紅曲產(chǎn)品中也未檢出桔霉素。產(chǎn)竹華等[8]利用60Co對產(chǎn)桔霉素的紅曲霉9908進行誘變，篩選出一株不產(chǎn)桔霉素的菌株9908A。分別采用YES、MSG液態(tài)培養(yǎng)和固態(tài)培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，3種培養(yǎng)方式均使該菌株不產(chǎn)桔霉素。通過對該菌株產(chǎn)色素固態(tài)發(fā)酵條件進行了優(yōu)化后色價達2000U/g左右。黃志兵[9]等對一株橙色紅曲菌進行誘變，得到了固態(tài)發(fā)酵后色價提高而桔霉素含量降低的紅曲菌株。目前，誘變過的紅曲菌發(fā)酵后能夠完全不產(chǎn)桔霉素的較少，且這種方法比較費時，篩選效率低，因此需要新的育種方法。國內(nèi)有些企業(yè)則是通過持續(xù)不斷的菌種誘變和菌種篩選，最終得到高產(chǎn)色素及低產(chǎn)桔霉素的紅曲菌種，從而生產(chǎn)低桔霉素含量的紅曲色素。

1.2 不產(chǎn)桔霉素紅曲菌基因工程育種

目前的許多基因工程技術(shù)基礎(chǔ)研究工作，如桔霉素代謝途徑的研究、聚酮體的研究、紅曲霉原生質(zhì)體的制備、紅曲霉基因轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等，使得從根本上消除桔霉素成為可能。

Hajjaj[10]通過核磁共振技術(shù)發(fā)現(xiàn)了紅曲霉中桔霉素的部分代謝途徑如下：首先由1個乙酰輔酶A分子和4個丙二酰輔酶A分子縮合成戊酮，再經(jīng)甲基化、縮合、還原、烷基化、還原、氧化、脫水等步驟，最后生成桔霉素。Gene bank中公布了紫色紅曲菌中桔霉素合成基因的序列。

許多轉(zhuǎn)化方法也已經(jīng)成功應(yīng)用在紅曲菌中，如電擊轉(zhuǎn)化[11]、限制性酶介導(dǎo)轉(zhuǎn)化[12]、原生質(zhì)體介導(dǎo)轉(zhuǎn)化[13]以及根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化。周禮紅[14]利用限制性酶介導(dǎo)紅曲轉(zhuǎn)化技術(shù)構(gòu)建得到無桔霉素紅曲霉基因工程菌。近幾年來，有一些研究者采用根癌農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化方法，得到了一些T-DNA隨機插入突變子，其中一些突變子的桔霉素合成能力大大降低或不產(chǎn)桔霉素。

由于社會上對轉(zhuǎn)基因食品或食品添加劑產(chǎn)品的安全性存在擔憂，采用基因工程手段獲得菌種用于生產(chǎn)還存在諸多非技術(shù)性的障礙，故采用傳統(tǒng)方法進行菌種的選育，其可行性更高。

1.3 無桔霉素紅曲色素發(fā)酵條件的優(yōu)化

賴衛(wèi)華[15]認為在紅曲菌桔霉素合成過程中，必定有多種酶參與。EDTA是一種螯合劑，能結(jié)合金屬離子，而很多酶在催化反應(yīng)時需要金屬離子，因此培養(yǎng)基中加入EDTA必定會抑制桔霉素的生成，當紅曲菌在加了EDTA的YES中培養(yǎng)時，生成桔霉素的能力明顯受到抑制，實驗的結(jié)果與此相符。Hajjaj等[16]研究表明，脂肪酸和甲基酮會影響紅曲菌中桔霉素的生成，尤其是2-三十碳酮能強烈抑制桔霉素的生成，而并不影響色素的形成。在紅曲菌發(fā)酵培養(yǎng)基中添加纈氨酸、組氨酸、色氨酸、亮氨酸也可消除桔霉素的生成。但是，影響桔霉素合成的各種化學(xué)物質(zhì)，大多數(shù)也會影響紅曲色素的合成，故在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加這些物質(zhì)的實用性不強。

在紅曲菌發(fā)酵工藝優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)，通氣量和攪拌速度是影響紅曲菌液體深層發(fā)酵合成桔霉素的兩個條件，少通氣量和低攪拌速度可以減少紅曲菌桔霉素的合成[17]。發(fā)酵培養(yǎng)基的pH對紅曲菌桔霉素的合成也有影響，pH越高，桔霉素合成越少，同時也有利于色素的分泌[18]。在固態(tài)發(fā)酵過程中可以通過高濕度發(fā)酵工藝技術(shù)來控制桔霉素的生產(chǎn)，從而生產(chǎn)無桔霉素的紅曲產(chǎn)品。

1.4 紅曲色素中桔霉素物理化學(xué)法去除

從紅曲產(chǎn)品中去除桔霉素物理法主要采用高溫加熱的方式，但效果不好；采用H2O2和堿處理法[19]雖然也有報道，但都會不同程度地破壞紅曲色素。也有實驗證明利用某種食用溶劑，采用浸泡法使紅曲中的桔霉素完全溶解在該溶劑中進行過濾烘干，可以使紅曲中桔霉素殘留量降低；但此法會加大生產(chǎn)成本，工業(yè)化生產(chǎn)也不可行。

2 紅曲米的微生物殘留問題

2.1 紅曲米微生物殘留的原因

在紅曲產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，采用的是粗放型的固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)工藝，因此在微生物發(fā)酵過程、加工過程以及產(chǎn)品儲存運輸過程都有可能造成產(chǎn)品中微生物總數(shù)較高的現(xiàn)象。特別是對于一些致病微生物的檢測，顯得尤為重要。

2.2 目前控制殘留微生物的方法及優(yōu)缺點

目前出口紅曲可采用多種方法來達到滅菌的目的。表1中比較了這些方法的優(yōu)缺點。

2.3 紅曲產(chǎn)品微生物殘留問題的解決

紅曲產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝有兩種，一種是液態(tài)深層發(fā)酵；一種是固態(tài)發(fā)酵。其中液態(tài)深層發(fā)酵染菌問題容易控制，但固態(tài)發(fā)酵多采用的是發(fā)酵池發(fā)酵，操作比較粗放，容易染菌。為了降低成本避免染菌，主要從以下幾個方面來控制：在種子液的培養(yǎng)過程中避免染菌，在每次接種后應(yīng)留取少量的種子液進行平板培養(yǎng)，借以說明是否是種子中帶雜菌；杜絕無菌空氣帶菌，必須從空氣凈化流程和設(shè)備的設(shè)計、過濾介質(zhì)的選用和裝填、過濾介質(zhì)的滅菌和管理等方面完善空氣凈化系統(tǒng)，減少染菌幾率；完善管理，規(guī)范操作，提高機械化程度；研發(fā)新型集成固態(tài)反應(yīng)器，使固態(tài)發(fā)酵的大多數(shù)操作單元能在單一設(shè)備中，以密閉可控的形式完成，從而減少從外部染菌的可能性。

表1 四種控制紅曲產(chǎn)品中微生物殘留方法優(yōu)缺點比較Table 1 Advantages and disadvantages of four methods about control of microbial residues in red yeast rice product

3 色素紅曲品種多樣化

從色素紅曲產(chǎn)品的形態(tài)來看，主要是紅曲米和紅曲紅，品種相對較少。從紅曲色素的生產(chǎn)方法來看，由于紅曲紅色素純度高，液態(tài)發(fā)酵法紅曲紅的年產(chǎn)量逐年擴大，而固態(tài)發(fā)酵法紅曲米有逐年萎縮的傾向；從紅曲色素的使用角度來看，使用傳統(tǒng)紅曲米逐漸向使用紅曲紅的方向轉(zhuǎn)變。

從紅曲色素的色調(diào)來看，紅曲色素分為橙色、黃色、紅色三種類型。但實際生產(chǎn)和應(yīng)用中紅曲紅色素占有主導(dǎo)地位。紅曲橙色素、黃色素的研究生產(chǎn)較少，幾乎沒有形成生產(chǎn)能力。但在食品工業(yè)中，應(yīng)用更廣的可能是黃色調(diào)的色素。

從紅曲色素的應(yīng)用領(lǐng)域來看，紅曲色素主要用于食品行業(yè)，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用沒有實質(zhì)性的突破。而從紅曲色素的天然性和安全性來分析，在化妝品行業(yè)的應(yīng)用是有發(fā)展前途的，且作為化工染料等也有應(yīng)用的潛力。

總之，需要研究開發(fā)多種紅曲色素產(chǎn)品來滿足消費市場的需求。應(yīng)當從紅曲菌種的選育，發(fā)酵、分離方法和結(jié)構(gòu)改性等方面加強研究和探討，制備一系列的紅曲色素衍生物，從而擴展紅曲色素的應(yīng)用前景。

3.1 油溶性紅曲色素

辣椒紅色素為油溶性能好的天然色素，而紅曲色素則不易溶于油，因此限制了紅曲色素產(chǎn)品在許多富含油脂的食品中的應(yīng)用，因此需要研發(fā)油溶性的紅曲色素產(chǎn)品，來滿足市場的需求。目前國內(nèi)已有紅曲生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)出油溶性紅曲色素產(chǎn)品。

3.2 紅曲黃色素

黃色素作為一類主要的食用色素品種，約占市場需求量的60%，并且目前市售的食用黃色素產(chǎn)品主要是以植物提取為主，如姜黃素、梔子黃等，但其應(yīng)用因植物材料生長繁殖而受季節(jié)、氣候、產(chǎn)地等因素的影響，故利用微生物生產(chǎn)紅曲黃色素的開發(fā)研究具有廣闊的前景。黃色調(diào)的紅曲色素最早由泰國科學(xué)家將其產(chǎn)業(yè)化，在我國仍然未形成生產(chǎn)規(guī)模。目前國內(nèi)有研究者選育得到了產(chǎn)黃色素的紅曲菌株，并對其發(fā)酵產(chǎn)黃色素的培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件進行優(yōu)化[20]，還有一些企業(yè)在紅曲黃色素的生產(chǎn)工藝中主要采用還原劑還原紅曲色素，或是以含硫化物與紅曲色素反應(yīng)得到紅曲黃色素。但就產(chǎn)品生產(chǎn)成本及安全性考慮，還需深入研究。

3.3 紅曲色素穩(wěn)定性研究

紅曲色素的穩(wěn)定性也是限制其應(yīng)用的瓶頸，雖然紅曲色素耐熱耐酸堿，對多種離子的穩(wěn)定性都比較好，但是其光穩(wěn)定性較差，在太陽光直接照射下易褪色，因此需要研究紅曲色素光不穩(wěn)定性機理。國內(nèi)對紅曲色素光褪色機理的研究較少，連喜軍等[21]人提出了紅曲紅色素的褪色機理，即在紫外光作用下，紅曲紅色素分子中的脂肪族側(cè)鏈首先在ɑ-碳原子處發(fā)生Norrish型斷裂成為自由基，隨后在碳7位甲基上發(fā)生相同反應(yīng)，接著色素發(fā)生電子轉(zhuǎn)移和雙鍵轉(zhuǎn)換，水溶液中產(chǎn)生羥自由基，與色素結(jié)構(gòu)中雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，共軛雙鍵消失，色素失去顏色。當然這一理論還需進一步驗證。

4 展望

采用微生物發(fā)酵的方法進行天然食用色素的生產(chǎn)，應(yīng)當是當前世界食品色素添加劑的發(fā)展趨勢。我國今后應(yīng)當著力研究、開發(fā)、生產(chǎn)、使用對人體具有生理功能，安全、穩(wěn)定性好的多樣化天然色素，由此可以預(yù)見紅曲色素產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用大有潛力。

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Problems and analysis of the development of Monascus pigment industry

WANG 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）

Monascus pigment is a traditional fermentation product in China，it is mainly used as colorants in food industry.However，therearemanyproblemsexistingin Monascuspigmentindustryincluding citrinin contamination，microbiological contamination and narrow range of application.These problems hinder the development of the Monascus pigment industry.The problems mentioned above and suggestion for solving these problems were discussed and prospected.

Monascus pigment；citrinin；problems

TS201.2

A

1002-0306（2012）01-0401-04

2010－11－03 *通訊聯(lián)系人

王璐（1984-），女，博士研究生，研究方向：紅曲菌活性產(chǎn)物研究。

國家十一五科技支撐計劃項目（2008BAI63B06）。