摘 要

红曲色素是一种天然色素,相关的慢性毒性、致突变测试证明其具有较高安全性，常以液、固态发酵生产为主,中国现阶段普遍使用的固态发酵法生产出的红色素由于质量不稳定、生产效率低，直接导致生产成本高、不可控制等诸多因素使红色素的生产不适用于大型工业化，本研究主要从红曲霉的纯化与培养、培养基的优化、培养浓度的筛选、无机纳米材料对红曲生长的影响以及遗传性测试五个方面展开，主要采用液态深层发酵法,在通过实验确定最适宜红色素生成的最佳发酵条件下，通过添加100nm二氧化硅与碱性硅溶胶材料^[3]对红曲霉发酵动力学的影响进行研究,在红曲霉国内历史较短且深层液态发酵技术处于初级阶段的情况下，提高红曲的产红色素的效率。

关键词：食品色素、红曲霉、纳米二氧化硅、液态发酵、天然红曲色素

Abstract

Monascus pigment as a natural pigment has a higher safety, and today's acute and chronic toxicity experiments, mutagenic experiments have proved that its non-toxic, non-mutagenic effect.NaturalMonascus pigment is mainly producted by solid and liquid fermentation.With low production efficiency and product quality ,China's solid-state fermentation method is difficult to control, resulting in high production costs, is not conducive to industrial production.This study was mainly based on the purification and culture of Monascus, the optimization of the culture medium, the screening of the culture concentration, the influence of the inorganic nanometer material on the growth of the red yeast and the hereditary test. The main method was to use the liquid deep fermentation method. The optimum fermentation conditions of red pigment were studied by adding 100nm silica and alkaline silica sol material to study the kinetics of kaempferolfermentation.,under such slowly developing stage of the situation in China, to improve the efficiency of reddish red pigment.

Key words: Food coloring；monascus；Nano - silica；liquid fermentation；Natural monascus pigment

目 录

第1章绪论 1

1.1红曲与色素 1

1.2二氧化硅纳米材料 1

1.3红曲的生长周期 1

1.4选题背景 2

1.5国内外研究概况 2

1.6研究意义 4

1.7预期目标 4

第2章实验部分 6

2.1实验原理 6

2.2实验仪器和试剂 6

2.3 培养基 7

2.4.实验方法 7

2.4.1红曲霉的活化、纯化 7

2.4.2红曲霉孢子悬浮液的制备 8

2.4.3红曲霉的液态发酵 8

2.4.4 100nm二氧化硅的制备 8

2.4.5无机纳米材料对红曲霉的影响 8

2.4.6遗传性的测试 8

2.4.7生物量的测定 9

2.4.8色价的测定 9

第3章实验结果和分析 10

3.1红曲霉的活化、纯化 10

3.2培养基的优化 10

3.2.1培养浓度的筛选 11

3.2.2二氧化硅纳米材料的制备 12

3.3无机材料对红曲霉的影响 12

3.3.1 100nm二氧化硅纳米颗粒对红曲霉的影响 12

3.3.2 20nm碱性硅溶胶对红曲霉的影响 15

3.3.3 实验结果分析 17

3.4 遗传性的测试 18

第4章总结和展望 20

4.1总结 20

4.2展望 20

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1红曲与色素

红曲霉,又叫红曲,常见于于树木、土壤中。菌丝体可产生大量含橙红、紫红色颗粒的分枝,在分枝的顶端产生一个或多个分生孢子,孢子呈球形、椭圆形。红曲所产活性物质有既有药用价值又有工业价值^[1]，以其能够量产天然红曲色素为主。

天然红曲色素是一种混合物,主要有红色系和黄色系2大类，为聚酮类化合物,经微生物发酵所得。红曲色素在中国的应用历史悠久，随着毒理学研究的深入发展, 相关的慢性毒性、致突变实验都已证实它安全性较高，加之其热稳性强,易对蛋白质着色，颜色鲜艳, 产量稳定、效率高，生产成本低^[2]，比其他色素更能适应工业化需要，现已经作为合法食品色素，广泛应用于各种食品加工业中。

红曲色素的生产方式主要有固态发酵和液态发酵两种。固态发酵^[3]是传统生产方式,也是目前最主要的生产方式,但生产效率低、发酵条件不容易控制、易污染,不适合大规模的工业化生产相比较而言,液态发酵不易污染、培养条件易控制、生产效率高,更适合大规模工业化生产,但发酵能力较低，仅仅为固态发酵时的 10%-20%,这严重制约着液态发酵的推广与应用。

1.2二氧化硅纳米材料

纳米粒子因其小尺寸、表面、宏观效应在催化、光吸收、医药、新材料方面展现特有的性质。二氧化硅纳米粒子作为无机化学材料，也因为它是超细纳米级，可提高其他材料如抗老化、耐腐蚀等性能，纳米尺寸的二氧化硅外显无定形白色粉末，无毒，无臭，无污染，并且相比于其他化学成分，纳米材料往往具有独特的光学，电学，机械和化学性质^[4]。纳米粒子主要通过胞吞途径进入细胞，形成的囊泡的大小和成分都有所差别，所以又将胞吞作用分为吞噬、胞饮作用。当直径小于500nm以胞饮作用为主，纳米粒子黏附于细胞膜表面是两者相互作用的基础。人为对复合纳米材料进行表面修饰 ,使其具有可塑性，实现纳米粒子与细胞间的粘附作用。膜上抗体蛋白可与受体的特异性结合，使修饰纳米粒子使其与细胞完成特异性粘附成为可能。

1.3红曲的生长周期

红色素的提取与红曲生长周期密切相关，而红曲的生长情况与孢子悬浮液浓度、培养基成分含量、环境温度、pH等密切相关，经实验研究发现，红曲霉的一个发酵周期为10d。2d以前为生长适应期，红曲霉处于适应环境的阶段，不产色；3d~5d为对生生长期，红曲霉利用环境中的营养物快速增殖，生成少量红色素，色价及生物量都较低；5d~8d为生长稳定期，此为产色的最佳阶段，培养液表现为鲜红色，生长放缓，但生物量仍在增加，色价在9d达到了最大值；10d为生长衰退期，红曲霉的大量生长，培养基里的营养物消耗殆尽，影响了色素的合成，表现为生物量、色价的降低。

1.4选题背景

红曲色素也是我国食品法规定允许使用的食品色素之一,将其添加于肉制、豆制等食品中,赋予鲜艳色泽的同时还可增强食品风味、延长保存期、改善营养特性。随着食品加工业的不断发展,红曲色素的作用日益显著，红曲色素作为天然色素混合物，在人们日益追求健康生活的今天，占据着举足轻重的地位，随着各种绿色食品的发展，它在其中的应用会被进一步加强。

我国发酵法出产的红曲霉质量不稳定且出产量难以控制,效率低、成本高，难以大型工厂化，而天然色素生产途径又有限，原材料对季节、气候的依赖性较强，所以，通过红曲霉提取成为红色素的主要来源，^[6]本研究期望通过实验确定适于红色素生成的最佳发酵条件下,然后添加纳米硅材料对红曲霉发酵动力学的影响进行研究,进一步开发利用红色素，改善目前红色素生产发展壁垒。这些色素很多仅限于固态发酵,但产量太低不足以满足经济需要,所以更多的研究集中在液态发酵上,存在很多关于突变菌株,营养物的变化和培养条件的研究。还开发了浸没发酵技术,分批培养,生物反应器,此外,在液态中红色色素的研究中通过各种菌株的合成显示其产量受培养基组成、pH和搅拌的影响,特别是色素的组成变化,显著取决于可用的营养物类型,如氮源、碳源和使用的菌株,所以,在色素分离之前,各种物理和营养参数的优化是重中之重。优化各种物理和营养参数,对于在液态发酵以最快速度生长并且产生色素来说非常重要,具体来说,使用何种氮源、碳源,对色素产生的影响是相关的。通过该研究,我们优化营养成分和物理条件,用于发酵培养物生长和色素生产。然后分离,纯化，来达到实验目的。

1.5国内外研究概况

红曲色素通过各种不同的红曲霉生产在东亚被用作传统天然的食物添加剂，同样也被使用在西方肉类加工厂，红曲霉产生包括橘色、红色、黄色在内的三种色素混合物,每种均来源于两种成分的聚酮化合物，这两种化合物均为次生代谢产物有相同的骨架，橙色的色素包括红曲红素和红斑素，有氧内酯环，红色色素包括单红曲菌胺和红斑素，是橙色素的氮类似物。黄色素包括红霉素和黄素，在这些色素中，对红色色素（红曲霉素和红色色素）的含量有高需求，特别是其在肉制品中用于替代亚硝酸盐的情况下。研究表明其在红米中生产时，红色素也具有治疗的潜力。