天然及还原型红曲黄色素的差异与国家标准改进思考

谭海玲1，黄涛1，陈功2，石侃3，张薄博4,5，许赣荣4,5，吴振强1*

1 (华南理工大学生物科学与工程学院，广东广州, 510006)2 (武汉工程大学环境生态与生物工程学院，湖北武汉, 430205) 3 (西北农林科技大学葡萄酒学院，陕西杨凌, 712100) 4 (糖化学与生物技术教育部重点实验室(江南大学),江苏无锡, 214122) 5(江南大学生物工程学院，江苏无锡，214122)

摘要红曲色素是由红曲霉代谢产生的天然色素，包括红曲黄色素、红曲橙色素和红曲红色素三大类，其中红曲红色素应用历史悠久，而红曲黄色素则是在国家标准GB 1886.66—2015 发布后才被合法使用。针对红曲黄色素的多样性以及现行国家标准的局限性，该文对天然红曲黄色素的种类、分子结构、特征性吸收波长、稳定性、功能活性等进行了分析，并与还原型红曲黄色素进行比较，对红曲黄色素国家标准作修订思考，建议增加天然红曲黄色素的生产工艺、使用范围、感官要求、鉴别试验、理化指标以及检测方法等相关内容，使其生产与销售合法化。该成果有助于为食品行业提供新型安全的天然红曲色素产品，促进我国红曲色素产业的健康发展。

第一作者：硕士研究生(吴振强教授为通讯作者，E-mail：btzhqwu@scut.edu.cn)。

基金项目：广东省省级科技计划项目(公益研究与能力建设专项)(2017B020207003)；广东省教育部产学研结合项目(2013 B090600015)；国家重点研发计划项目 (2016YFD0400802)；武汉工程大学校内科学基金研究项目(K201836)

红曲色素是红曲菌次级代谢物，通常是红、橙、黄三类色素的混合物，作为天然食用色素已具有悠久历史，广泛应用在肉制品加工、酱油、果汁饮料、化妆品中[1]。早期主要是以红曲红色素的形式被大众接受，随着红曲黄色素的研究深入，红曲黄色素产品凸显出了巨大的市场潜力。红曲色素的应用源于东南亚国家，随着全球经济一体化的发展，国际市场对红曲色素的需求量日益增加[2-3]。制约我国红曲色素进入国际市场的瓶颈主要是产品中桔霉素含量无法达到国际认可的标准，日本食品添加剂协会将红曲色素中桔霉素的限量指标定为0.2 mg/kg，欧盟对红曲霉发酵大米食品补充剂中最大限量值为2 mg/kg[4]。因此，制定先进科学的国家标准，提升红曲色素品质，是提高我国红曲色素产业国际竞争力的关键。

然而，目前只有红曲红色素的国家标准以及还原型红曲黄色素的国家标准，还未有天然红曲黄色素的国家标准出台，严重制约着红曲黄色素的开发利用。因此，亟需行业内人士参与探讨并制定更加完善的红曲黄色素国家标准。本文将分别综述天然红曲黄色素的结构和性质，并与国家标准GB 1886.66—2015提及的还原型红曲黄色素作比较，希望行业内外对红曲黄色素有更加深入的认识，为充实和完善红曲黄色素的国家标准等提供参考。

1 天然红曲黄色素与还原型红曲黄色素的分子结构比较

1.1 天然红曲黄色素

近年来，红曲黄色素受到国内外众多研究者的关注，不断有新型色素被发现。CHEN等[5]总结了从1932—2011年被报道的35种红曲黄色素，其中31种属于天然红曲黄色素；水溶性红曲黄色素有6种，其中只有2种是天然红曲黄色素。LIU等[6]在2016年使用红曲菌突变菌株ΔMpigJ-R发酵大米，得到新的红曲黄色素M7PKS-1。HUANG等[7]在2017年使用红曲菌Monascus ruber CGMCC10910经过液态发酵得到4种水溶性天然红曲黄色素Y1，Y2，Y3，Y4，经初步鉴定，Y1为已报道黄色素Azanigerone E，其他色素结构尚未报道。同年，CHENG等[8]使用产黄色素红曲菌突变菌株进行大米固态发酵，得到1种新的红曲黄色素Monascusmellein，经过结构鉴定，该色素为双氢异香豆素衍生物。表1给出了已报道的天然红曲黄色素的特性参数，包括分子式、分子量和最大紫外吸收值等，部分新型色素结构特性有待进一步研究补充。

表1 天然红曲黄色素及其分子特性
Table 1 The natural Monascus yellow pigments and their molecular characteristics

红曲色素是一系列聚酮化合物的混合物，其聚酮合成途径可分为2个分支：1个分支是经过聚酮体合酶的催化，3分子丙二酰CoA和1分子乙酰CoA生成四酮化合物，接着以四酮化合物为底物，形成聚酮发色团[22]；另1个分支是乙酸和丙二酸在脂肪酸合成酶的作用下生成β-酮酸[23]。该2种途径合成的产物在色素合酶的作用下形成胞内色素，胞内色素经糖基化或酰基化反应可转化为胞外水溶性色素。使用不同的菌种、发酵底物、培养条件会对红曲色素的结构带来差异，从而造成天然红曲黄色素结构的多样性，代表性的天然红曲黄色素结构如图1所示。

在日本，Yaegaki BioIndustry公司已经采用发酵模式大规模生产天然红曲黄色素，实现商品化生产，商品名为High-moon Yellow S 200A的产品主要以如图2两种物质组成[24]，分别是Xanthomonasin A及其异构体。

1.2 还原型红曲黄色素

红曲黄色素”国家标准(GB 1886.66—2015)[25]，该标准中红曲黄色素是以红曲米为原料，经碱液洗脱分离制得红曲红(或直接以红曲红为原料)，然后通过碱解反应生成羧酸盐，以特定的含氧硫化物作为还原剂，使红色素中的环羰基还原成羟基，从而生成水溶性红曲黄色素。在结构上，GB 1886.66还原型红曲黄色素是在微生物代谢后运用化学法改性而得到的红曲色素衍生物，与直接发酵生产的天然红曲黄色素有相似的骨架。经过结构分析，认为红曲红色素与连二亚硫酸钠在碱性溶液中进行反应，红曲红色素分子中的内酯被水解，生成羧酸盐和醇，同时引入磺酸基，制得水溶性红曲黄色素[26]。YANG等[27]以市场上流通的水溶性红曲黄色素为研究对象，进行分离纯化，鉴定出8种主体组分的结构，其中化合物3、化合物7和化合物8为水溶性红曲黄色素的主要组分，而化合物7与化合物8均含有磺酸基，如表2所示。

2 天然红曲黄色素与转化红曲黄色素的性能比较

2.1 溶解性与稳定性

天然红曲色素可分成亲水性和疏水性两大类，大部分天然红曲色素是疏水性色素，在乙醇、丙酮、乙酸乙酯等有机溶剂中溶解性较好；而天然水溶性红曲色素较少，可以从红曲菌液态发酵的液体中直接分离得到[28]。张庆庆等[29]比较天然水溶性和醇溶性红曲色素的光稳定性，发现在相同光照条件下，水溶性色素光稳定性大于醇溶性色素；同时得出波长较长的单色光对天然红曲色素的保存率影响较低，而紫外线对天然红曲色素的稳定性影响较大。杨玲等[30]对液态发酵的天然红曲黄色素的稳定性进行了深入的研究，结果显示红曲黄色素在酸性条件下较稳定，颜色趋于亮黄色；而在中、碱性条件下颜色变成红色。在热稳定性方面，红曲黄色素溶液在100 ℃下加热60 min，吸光度残存率为95%，经80 ℃烘箱加热2 d，吸光度残存率在70%以上；说明天然红曲黄色素具有较好的耐热性。另外，添加0.03%的茶多酚可以明显提高红曲黄色素的光稳定性。杨强等[31]研究发现Na+、K+、Ca2+和Zn2+对液态发酵的天然红曲黄色素基本无影响，但Fe2+和Cu2+会使黄色素发生变色并产生沉淀。

与还原型红曲黄色素不同，天然红曲黄色素在我国尚未实现工业化，对其稳定性研究有待加强。

苏金为等[32]对还原法生产的水溶性红曲黄色素的性质进行研究，显示其最大吸收波长是476 nm，即国家标准GB 1886.66描述的红曲黄色素的最大吸收波长，与天然红曲黄色素的最大吸收波长(一般为410 nm左右)不一致。还原法生产的红曲黄色素可以溶于多种偏极性的溶剂，很难溶解于非极性的溶剂，水溶液下显橙黄色，固体状态下100 ℃加热2 h，吸光度下降小于5%，对各种金属离子稳定。容艳筠等[33]研究了还原法生产的红曲黄色素的耐酸碱、耐高温高压和光热稳定性，发现其在pH值为3～10的范围内稳定性基本不变化，100 ℃下水浴加热，0.1 MPa、121 ℃下灭菌，太阳光照射，紫外光照射等条件下，色素残留率均较高，说明该色素光热稳定性好。

2.2 生物活性

研究表明天然红曲黄色素不仅具有降血糖、降血压、降血脂的功能，还具有抗炎症、抗癌症、抗肿瘤等功能[34-39]。大部分研究主要集中在2种经典的醇溶性天然红曲黄色素红曲素和安卡红曲黄素。LEE等[40]研究发现红曲素可以增强PPAR-γ结构的稳定性，阻止其磷酸化，同时抑制c-Jun氨基末端激酶的激活，从而改善胰岛素抵抗症状。LIN等[41]报道，红曲素和安卡黄素可以降低由肿瘤坏死因子TNF-α诱导的内皮黏附性，减少与炎症相关的血管疾病的发生。AKIHISA等[42]使用小鼠模型，发现红曲素可以减少由过氧化硝酸或者紫外诱导的皮肤癌。SU等[43]发现安卡红曲黄素对人体肝癌细胞株Hep G2和肺癌细胞A459有明显的抑制作用，半抑制浓度均为15 μg/mL，相同浓度安卡红曲黄素对人体正常细胞MRC-5和WI-38并没有细胞毒性。CHENG等[44]研究发现红曲素和安卡红曲黄素通过抑制Akt / NF-κB/ p38信号通路诱导活化的肝星状细胞凋亡，从而达到预防肝硬化的作用。SHAYMAA等[45-46]把红曲素和安卡黄素装载于纳米胶束中，增强其对乳腺癌细胞的抑制作用。CHENG等[47]使用酒精诱导小鼠肝损伤模型，发现红曲素和安卡红曲黄素通过调节抗氧化酶和酒精代谢酶的活性从而保护肝细胞。这些研究成果表明，一定剂量的天然红曲黄色素可以在医药领域中应用。

目前还没有学者对还原型红曲黄色素(GB 1886.66国标方法生产)的生物活性进行报道。陈冠敏等[48]对市售红曲黄色素进行亚慢性毒性试验，得出在一定使用范围内，红曲黄色素对人体健康不存在潜在的毒性作用,可以作为着色剂应用在食品加工业。GB 1886.66红曲黄色素在生产过程中使用硫化物，可能会造成原料的残留，因此在生产过程中需要严格的质量控制体系。

3 红曲黄色素国家标准改进的思考

随着红曲色素研究的深入，对色素的组成及分子特性有了更科学的理解，因此相应的国家标准也不断完善，如2016年发布的“红曲红”国家标准(GB 1886.181—2016)[49]是第3次修订，前2次分别于2005年(GB 15961— 2005)和1995年(GB 15961—1995)发布。红曲黄色素的开发稍晚，其国家标准(GB1886.66—2015)于2015年底首次发布，其中生产工艺中使用的原料连二亚硫酸钠，是一级遇湿易燃物品，在空气中易氧化，同时发出刺激性酸味，与大多数氧化剂混合，具有爆炸危险性，因此生产过程对员工的安全保护要求较高[50]。随着直接发酵生产天然红曲黄色素技术水平的提高[51-55]，在适当的时间可以对还原型红曲黄色素国标(GB 1886.66—2015)进行修订，补充直接发酵的天然红曲黄色素生产工艺，使非转化的天然红曲黄色素生产与销售合法化，推动天然安全性食品添加剂的发展。

3.1 生产原料及工艺改进

GB 1886.66—2015国家标准的使用范围是以红曲米作为原料，经碱液洗脱，分离制得红曲红(或直接以红曲红为原料)，经硫化物磺化、干燥制成的食品添加剂红曲黄色素。然而，通过红曲菌液态发酵培养、提取、浓缩、精制而成的或者以红曲谷物为原料，经过萃取、浓缩、精制直接得到的天然红曲黄色素并不在此使用范围内。建议增加相关内容，将直接发酵生产的天然红曲黄色素纳入其中，扩大GB 1886.66—2015国家标准的使用范围，使天然红曲黄色素得到认可。

3.2 产品形态改进

国家标准GB 1886.66—2015描述红曲黄色素的状态为“粉末”。有研究发现天然红曲黄色素的稳定性与所处的环境有关，并且在酸性条件下较稳定，为提高天然红曲黄色素稳定性，一般将其储存在酸性液体中。所以建议增加“糊状”“液体”2种状态的国家标准制定，提高红曲黄色素的品质，使红曲色素产品形式多元化。

3.3 检测鉴定方法改进

在鉴别试验方面，GB 1886.66—2015描述红曲黄色素的溶解性为“易溶于水”。天然红曲黄色素可分为疏水性色素和亲水性色素，且大部分为疏水性色素。大量研究表明，天然红曲黄色素具有丰富的生物活性，所以应促进醇溶性色素的市场应用。因此，在检测方法方面，应该对不同溶解性的红曲黄色素设置不同的检测方法，其中醇溶性色素应该使用乙醇溶液进行稀释及色价分析。

GB 1886.66—2015红曲黄色素色价的检测标准为(476±10) nm。根据目前文献报道，大部分天然红曲黄色素的特征波长在330～450 nm的范围内[5, 14-15, 17, 20, 56]，而且具有不同特征波长的红曲黄色素以不同比例混合时，最终产品的最大吸收波长会相应移动[57]。如果以GB 1886.66—2015规定的检测波长检测天然红曲黄色素的色价，会造成部分产品的色价偏低，无法真实反应产品的品质。因此，建议使用分光光度计测定天然红曲黄色素溶液在330～450 nm范围内的最大吸收峰，根据最大吸收峰的吸光值计算出色价。另外，GB 1886.66—2015规定色价大于或者等于100，这个规定可以在一定程度上保证产品的质量，但也限制了一些具有丰富生物活性、色价偏低的天然红曲黄色素产品的发展；参照“红曲红”国家标准(GB 1886.181—2016)中对色价的指标，建议将红曲黄色素色价的指标改为“符合声称”。

4 结论

随着天然红曲黄色素生产技术的提高和发展，现有红曲黄色素国家标准GB 1886.66—2015并不能代表先进的红曲黄色素生产技术，相反会抑制天然红曲黄色素的开发和潜在功能价值的发现。因此，建议在现有红曲黄色素国家标准GB 1886.66—2015的基础上，进行一定补充完善，从红曲黄色素种类、使用范围、感官要求、鉴别试验、理化指标以及检测方法等方面增加相关内容，使直接发酵生产的非还原性天然红曲黄色素合法化，促进红曲黄色素产业健康发展，为社会提供新型安全的天然色素产品。

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Comparison of natural and reduced Monascus yellow pigments andthoughts on improvement of national standard

TAN Hailing1, HUANG Tao1, CHEN Gong2, SHI Kan3, ZHANG Bobo4,5, XU Ganrong4,5, WU Zhenqiang1*

1 (School of Biology and Biological Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China) 2 (School of Environmental Ecology and Biological Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, China) 3 (College of Enology, Northwest A & F University, Yangling 712100, China) 4 (Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education(Jiangnan University),Wuxi 214122, China) 5(School of Biotechnology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

ABSTRACT Monascus pigments are a group of natural pigments produced by Monascus spp., including Monascus yellow, Monascus orange, and Monascus red pigments. Monascus red pigments have had a long history of application, but legally use of Monascus yellow pigments was only after the national standard GB1886.66—2015 was released. In view of the diversity of Monascus yellow pigments and the limitation of current national standard, this paper analyzed the species, molecular structure, characteristic absorption wavelength, stability, and functional activities of natural Monascus yellow pigments and compared with those of reduced Monascus yellow pigments. This study also provided thoughts for revising current national standard of Monascus yellow pigments,because the production process of natural Monascus yellow pigments, as well as their application range, sensory requirements, identification tests, physical and chemical characteristics and detection methods etc. should be added into the standard, to ensure the legal production and sale of natural Monascus yellow pigments. This study will help provide the food industries with new and safe natural Monascus pigment products, and promote the development of Monascus pigments industries.

Key words Monascus yellow pigments; natural; reduced; diversity; national standard