红曲色素综述研究

红曲色素综述研究 摘要 红曲霉素是红曲霉的重要次级代谢产物，但是截至到今天很少有人系统的对其进行分析，本文将弥补这一空白，实现红曲霉素的最细致的发掘探讨。重点阐述了红曲霉素分离，生物活性，化学结构等，并简要介绍了几个基本外界因素对它生成的影响 一  红曲色素简介 食品天然色素中， 红曲色素一直是国内外学者研究的焦点。因其含有两种黄色素 （梦那红， 安卡黄素） 、 两种红色素 （潘红、 梦那玉红） 及两种紫色素 （潘红胺， 梦那玉红胺） ， 而且色素对6 F值、 温度、 金属离子氧化还原剂等较其他天然色素稳定， 因此它是一种优良的食品天然色素。日本学者对其进行毒性试验证明： 红曲色素安全无毒。我国毛宁等对色素提取液进行分析， 证明提取液中， 不含黄曲霉毒素。可用.糕点、 肉罐头、 糖果、 药片染色。中国食品发酵工业研究所王柏琴等将红曲色素用在发酵香肠中， 代替亚硝酸盐发色， 用红曲色素制作的颜色， 更接近， 取得很好的效果。 红曲色素的性质 红曲色素在乙醇浓度82%或者醋酸浓度78%时， 对红曲色素的溶解性最好。水溶液呈中性或碱性条件下， 溶解性较好， 对热稳定性较好。 , 红曲色素的生产 红曲色素是由红曲霉属的丝状真菌经发酵而合成的天然色素， 是红曲霉的次级代谢产物。傅亮研究认为红曲色素在红曲霉菌代谢过程中有特殊的生理功能， 在营养良好的培养基中培养时， 红曲霉合成的红曲色素可以作为一种能量储存物质， 当培养基营养缺乏时， 红曲霉可同化色素， 延缓细胞衰老、 自溶过程。因此， 对红曲色素的提取必须选择合理的发酵时期， 终止发酵， 进行提取色素。 红曲色素的安全性 天然色素， 它性质稳定， 又具有耐热性强 （在的高温下色调保持不变） 、 耐光性和对蛋白质着色性极好等特点， 而对红曲色素安全性的研究 （毒理试验） 则证明， 食用红曲色素安全无毒， 是值得大力推广的食用天然色素。以黄曲霉毒素B1、 B2、 G1、 G2 +作液，对照红曲霉培养物的提取液进行薄层层析， 比较Rf值， 结果提取液中不含黄曲霉毒素。古泉快夫等利用红曲色素进行毒性试验， 试验表明， 小白鼠口服最大 剂量为18g/kg， 没有引起死亡， 而腹腔注射红曲色素Ld 50在4g/kg以上； 慢性毒性试验是将!10%.红曲色素发酵液稀释10倍， 每天喂食小白鼠40ml共7个月， 结果未见异常。 二  红曲色素理化性质的研讨 红曲色素是红曲霉在生长代谢过程中产生的天然色素。红曲色素是多种色素成分的混合物，以颜色的不同可分为黄色素、橘黄色素及红色素 3类；以溶解性不同可分为水溶性色素和脂溶性色素两类。红曲色素作为一种天然色素，安全性高，经急慢性毒性实验及致畸、突变实验都证明其无毒，故红曲色素已广泛应用于各种食品和化妆品中[5-7]。 1932 年，Nishikawa 首次从紫色红曲霉等培养物中分离了黄色和橘黄色晶体。随后将红曲色素用有机溶剂提取分离，经元素定性、熔点测定，紫外、红外和可见光吸收光谱以及核磁共振谱分析，认为红曲色素是由化学结构不同、性质相近的红、黄橘黄 3 类不同色素组成的混合色素[5-6] 。 红曲色素属于聚酮类（polyketide）色素，主要由 6 种结构相近的成分组成，其中，monascin（1）与ankaflavin（2）为黄色素，rubropunctatin（3）与 monascorubrin（4）为橘黄色素，，rubropunctamine（5）与 monasco- rubramine（6）为红色素。 最大紫外吸收波长为417～427 nm和498～525 nm。  为了得到氨基酸色素衍生物，在 Monascus sp. J101 的培养液中添加 0.7%的L/D-氨基酸、乙酰化 L-氨基酸或二肽，培养 48 h后得到了一系列的色素衍生物，并对其进行了一系列脂肪酶抑制活性检测。L-tryptophane 和 L-tyrosine色素衍生物的脂肪酶抑制活性较高，IC50 分别为61.2、103 μmol/L。为了提高活性，对氨基酸进行了二次修饰之后添加到培养液中，得到了一系列的色素衍生物，其中 L-Tyo-OEt 和 L-Leu-OEt 色素衍生物活性最高，IC50 分别为（13.8±0.3） 、 （12.2±0.2）μmol/L。通过以上活性检测得出如下结论：1）色素衍生物是非竞争性地抑制脂肪酶； 2） 具有芳香环和乙氧基的色素衍生物的脂肪酶抑制活性较高；3）L-Leu-OEt 色素衍生物特异性地抑制胰脂肪酶活性。同年，Lian 等从红曲高产色素菌株红色红曲霉 102w 培养液中分离得到了一个赖氨酸衍生的红色素（35） 。 在Monascus sp. KCCM10093的培养过程中， 添加了 13 种氨基酸并得到了相应的氨基酸衍生物，对其进行 HMG-CoA还原酶抑制活性检测，结果表明苏氨酸和亮氨酸色素衍生物的HMG-CoA还原酶抑制活性最高， 分别为38%、 35%。这些色素衍生物均可降低 23%～27%的动脉硬化指数（atherogenic index） 。 药理研究表明， 红曲色素具有广泛的生物活性。Yasukawa 等[9]研究表明，安卡红曲霉代谢的色素对12-O-十四酰佛波-13-乙酸酯（TPA）诱发的小鼠癌变有抑制作用，而这些红曲色素中 monascorubrin是最有效的。Akihisa 等[10]发现 monascin 对过氧亚硝酸盐或紫外光照引发的并通过 TPA 作为促发剂而诱发的小鼠皮肤癌变有抑制作用。 Su 等研究发现，ankaflavin 对肝癌 HepG2 和肺腺癌 A549 细胞具有细胞毒性，其 IC50为 15  g/mL 左右，而对正常纤维细胞 MRC-5 和 WI-38 并没有毒性。Martinkova等研究表明， 橘黄色素rubropuntatin和 monascorubrin 对细菌、 酵母和丝状真菌具有抗菌活性，而且可抑制枯草杆菌 Bacillus subtilis 和热带念珠菌 Candida pseudotropicalis 的生长。黄色素 monascin 和 ankaflavin 对小鼠脾脏 T 细胞具有免疫抑制活性。 除了上述 6种主要色素以外，近年来科学家们从红曲代谢产物中陆续分离得到了许多其他色素化合物。1992 年，Sato 等[14]首次从红曲霉诱变株中分离了具有 furanoisophthalide 新骨架的黄色素类化合物 xanthomonasin A（7）和 xanthomonasin B（8） 。Akihisa 等发现 xanthomonasins A、B具有较强的NO清除活性。 Izawa 等研究表明， xanthomonasin A与 B（3∶2）的混合物对诱变剂 Trp-P-2（NHOH）具有较强的抗突变功能。 1996 年，Hossain 从紫色红曲霉 IFO30878液体培养液中分离了具有新型共轭吡喃-香豆素（conjugated pyrano-coumarin）骨架的一系列黄色素monankarins A～F（9～14） ，其中 monankarins A～D对单胺氧化酶（monoamine oxidase，MAO）具有抑制活性。活性检测结果表明，monankarin C 和monankarin A 抑制作用较强，其 IC50 分别为 10.7 μmol/L 和 15.5  μmol/L。进而对 monankarin C 进行小鼠大脑和肝脏中 MAO-A 和 MAO-B 选择性抑制活性检测，结果表明 monankarin C 对小鼠大脑中MAO-B 的抑制作用具有较高的选择性，但对肝脏中 MAO并没有选择性。 Jongrungruangchok 等从 M. kaoliang  Iizuka H. & Lin C. F.  二次诱变株发酵的大米中， 分离得到了黄色素 monascusone A （15） 、 monascusone B （16）及已知化合物 FK17-P2b2（17） 。 Campoy 等利用添加己酸的培养液，液体培养高产色素诱变株紫色红曲霉 IB1，其代谢产物中分离得到了一个黄色素4-[2, 4-dihydroxy-6-(3- hydr- oxybutanethioyloxy)-3-methylphenyl]-3,4-dihydroxy- 3, 6-dimethylheptanoic acid（18）和一个深红色素 9- hexanoyl-3-(2-hydroxypropyl)-6a-methyl-9, 9a-dihydro-6aH-furo[2, 3-h]isochromene-6, 8-dione（19） 。 2010 年，Loret 从市售红曲粉的提取物中分离得到了 2 个新黄色素 monarubrin（20）和rubropunctin（21） 。该代谢产物具有一个丙烯基的吡喃环， 一个烷基侧链， 但没有 γ-内酯环；而且在340 nm下，有很强的蓝色荧光。 Mapari 等[21]筛选不产桔霉素菌株时， 从红色红曲霉IBT 7904和9655及紫色红曲霉IBT 9644菌株的代谢产物中发现了红曲红色素 monascorubramine的同系物 PP-V（22） 。由于非水溶性及对光照的敏感性而导致的褪色 等特点，红曲色素在饮料及糖果等食品工业上的应用受到限制。改变红曲色素的溶解性，为红曲色素深入开发的关键。1994 年，Blanc 等利用谷氨酸为氮源的化学限定培养基发酵红色红曲霉和紫色红曲霉，从两个菌株发酵液中首次分离并纯化得到了 2 个单体色素的谷氨酸衍生物 N-glutaryl rubro- punctamine （23） 和 N-glutaryl monascorubramine （24） ， 从而提高了色素的水溶性。通过 IR、UV、NMR 及MS 等进一步分析，证实了该色素的化学结构，并证明是谷氨酸的氮原子取代了吡喃环中氧原子。 1997 年，Sato 等从市售的 2 种红曲色素中，纯化得到了 8 个含氨基酸单元的红色素（25～32） 。利用半合成确定了这些氨基酸是 L/D-丙氨酸和L/D-天冬氨酸。同年，Hajjaj 等]通过液体培养红色红曲霉，从其代谢产物中分离得到了 4 个水溶性红色素，分别为 N-glucosyl rubropunctamine（33） 、 N-glucosyl monascorubramine（34）以及化合物 23和24。 2003 年， Jung 等研究发现， 在培养过程中添加不同氨基酸时，红曲霉可代谢产生相应氨基酸衍生的色素。利用高产色素的红曲菌株 Monascus sp. KCCM 10093，在培养液中添加 20 种不同氨基酸，得到了一系列氨基酸衍生的色素。实验结果表明代谢产物中的黄色素和橘黄色素成分并不受培养液中氨基酸的影响，而红色素则取决于添加的氨基酸。对这些色素衍生物进行紫外检测，结果表明它们的最大紫外吸收波长为417～427 nm和498～525 nm。  2007 年，Kim 等为了得到氨基酸色素衍生物，在 Monascus sp. J101 的培养液中添加 0.7%的L/D-氨基酸、乙酰化 L-氨基酸或二肽，培养 48 h后得到了一系列的色素衍生物，并对其进行了一系列脂肪酶抑制活性检测。L-tryptophane 和 L-tyrosine色素衍生物的脂肪酶抑制活性较高，IC50 分别为61.2、103 μmol/L。为了提高活性，对氨基酸进行了二次修饰之后添加到培养液中，得到了一系列的色素衍生物，其中 L-Tyo-OEt 和 L-Leu-OEt 色素衍生 物活性最高，IC50 分别为（13.8±0.3） 、 （12.2±0.2）μmol/L。通过以上活性检测得出如下结论：1）色素衍生物是非竞争性地抑制脂肪酶； 2） 具有芳香环和乙氧基的色素衍生物的脂肪酶抑制活性较高；3）L-Leu-OEt 色素衍生物特异性地抑制胰脂肪酶活性。同年，Lian 等从红曲高产色素菌株红色红曲霉 102w 培养液中分离得到了一个赖氨酸衍生的红色素（35） 。 2008年， Jeun等在Monascus sp. KCCM10093的培养过程中， 添加了 13 种氨基酸并得到了相应的氨基酸衍生物，对其进行 HMG-CoA还原酶抑制活性检测，结果表明苏氨酸和亮氨酸色素衍生物的HMG-CoA还原酶抑制活性最高， 分别为38%、 35%。 这些色素衍生物均可降低 23%～27%的动脉硬化指数（atherogenic index） 。以上红曲色构见 三 不同外在条件对红曲色素产生的影响 光照对红曲霉产红曲色素的影响 在真菌界，很多真菌合成重要次级代谢产物的生理过程，被认为可以通过光照来调节。例如，蓝光可以抑制黄曲霉、柄曲霉中真菌毒素的产生。蓝光照射除能够影响粗糙脉胞菌类胡萝 卜 素的合成 、孢子的萌发及闭囊壳的向光性等生理过程外，还可以调节产番茄红素等次级代谢产物的形成过程。研究发现，除蓝光外 ，其他波长的单色光 ( 如红光) ，对一些真菌也有重要影响。在红曲霉发酵培养初期 ，红光 ( 波长6 2 0 ～ 7 6 0  n m)能够促进 Mo n a s c u s  M1 0的生长，并可以促进其提前进入色素合成期。无论是在红光照射培养 ，还是在 黑暗培 养条件下 ，红 曲色素 都是在Mo n a s c u s  M1 0生长基本完成的后期开始迅速合成 ，但在红光照射培养条件下，红曲色素合成期持续时间更长，红曲色素产量高于黑暗培养条件。  p H值对红曲霉产红曲色素的影响 近年来 ，愈来愈多的人认识到合成色素的毒副作 用，天然色素日渐受到消费者的青睐，特别是具有保 健功能的天然红曲色素代替合成色素，应用于食品、  化妆品、药品方面已引起了全球关注。红曲色素是多 种色素的混合物，主要有红色系和黄包系两大类。它 们由化学结构不同、性质相近的红黄紫三类色谱组成，已探明结构的有 1 0种。应用价值主要集中在 6种醇溶性色素：红斑红曲胺 、红曲黄素 、红曲玉红 胺、红斑红曲素、红曲素、红曲玉红素l  5 l 。与其他天 然食用色素相比，红曲色素具有着色力强 、色调柔 和、对 p H值稳定等优点；它还具有较强的耐光、耐 酸碱 、耐氧化还原的特性，几乎不受金属离子的影 响；尤其耐 1 0 0 ～ 1 4 0℃的高温 ，使其在食品烹饪 、  糕点焙烤时有更广泛的应用 。  刘兆玺等人  研究结果表明，培养基 p H值能影 响微生物的细胞质膜的透性、膜结构的稳定性、物质 的溶解性及营养物质的吸收，从而影响红曲霉的生长 和新陈代谢，最终影响产色。菌种有保持其体内细胞 酸质度在近中性条件下的能力，这样有利于菌体进行 正常的新陈代谢。  郭红珍等人l 7 l 的研究结果指  ，在其他培养条件 相同的情况下，偏酸环境有利于红曲色素的生成，当 p H值为 5 _ 4时，菌丝体生长量较多，红曲色素色价 也较高；在碱性环境下菌丝体基本不生长，红曲色素 色价也很低。  红 色素为一系列化合物[ S l ，目前已知的 6种成 分中，红曲胺和红曲红胺均是含氮的杂环化合物，由 于其含有 = N H基  ，故对 p H值较敏感。随着培养 基中氢离子浓度的增加，橙黄色的红f H 1 色素的产量就 越大。这说明红曲霉在发酵培养过程中生产红曲色素 的色调与氢离子的浓度密切相关，这对生产不同颜色的食用色素非常有利。  温度对红曲霉产红曲色素的影响 目前，国际国内关于温度对红曲霉生长及次级代 榭产物的影响情况的报道较少。笔者着重从温度对其 菌落形态和有性孢子，以及无性孢子生长情况的不同 影响为切入点，初步研究了温度对其生长及次级代谢 产物红曲色素产量的影响情况。研究结果表明，温度 较高时，适宜红曲霉菌体生长，温度较底时，适宜红 曲色素的产生。  苗玉志等人l I ( J 噪用不同培养温度在液体发酵培养 基里培养红曲霉 M2菌株，然后得到菌丝干质量和所 产色素的色价情况，结果显示，M2菌株在不同的培 养温度下生长和产红曲色素的能力不一样，在 3 5  时，是其最佳的生长温度，高于或低于该温度时，生 长速度都变缓 ；而最好的产红曲色素温度为 3 0℃，  同样高于或低于该温度时，产色素能力将变弱。这一 结论也是对笔者研究结果的很好补充。张红梅等人I “ 1 的研究结果表明，采用变温培养时菌体生长缓慢，造成红曲霉产桔霉素量的增加，恒温培养时的色价值高于变温培养时，可能是红曲霉经变温刺激南生长期进入稳定期，产生次级代鲥产物桔霉素。故恒温培养，可以在保证色素产量的同时，减少桔霉素的生成量。  碳源对红曲霉产红曲色素的影响 在采用单冈素 5水平试验，研究碳源对红曲霉产 红曲色素的影响情况。结果表明，以玉米粉、淀粉为 碳源时，生产的红曲色素的色价很高；以麦芽糖、葡 萄糖 、蔗糖作为碳源时，红f H 1 霉产出的色素色价较 低，说明不同碳源明显影日 向 红曲霉色素的产量，这可 能与玉米粉中含有某些天然物质有利于红曲色素的产 生，而蔗糖则抑制红曲色素的产生有关，其原因需进 一步试验论证 。  结语 随着生活水平的提高，人们对合成食品添加剂和化学药物对人体不良反应的逐步 认识，世界各国掀起了食用绿色食品和使用天然药 物的热潮。红曲霉素作为历史悠久的药食兼用的天然制品，更加受到人们的青睐。越来越多的科学研究不断揭示霉素功能特性及其物质基础，霉素逐渐被食品、医药、保健品等行业所认可，其应用前景十分广阔。因此普及红曲霉素相关知识，让人们了解红曲霉素的功效及其物质基础，有利于红曲霉素产品的推广。 参考文献 [1]  Lin Y L, Wang T H, Lee M H, et al. 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