紅麴之生產與應用

文章來源 : 化工資訊與商情 第36期

潘子明∕台大生命科學院微生物與生化學研究所 教授兼所長

一、前言

本草綱目對紅麴功效的記述：「紅麴主治消食活血，健脾燥胃。治赤白痢，下水殼。釀酒破血行藥勢，殺山嵐障氣，治打撲傷損，治女性血氣痛及產後惡血不盡」，而本草衍義補遺、本草備要及醫林纂要等，均有紅麴藥效的記載。中國大陸出版的中藥大辭典(1985)，將紅麴的主要藥效歸納為「活血化瘀、健脾消食、治產後惡露不淨、瘀滯腹痛、食積飽脹、赤白下痢及跌打損傷」。台灣民間流傳，紅麴用來治小孩和老人夜尿，以及輕微氣喘的功效極為良好。

紅麴究竟源於何時，已甚難稽考，但在一千年前宋代時即已有文獻提及，元朝以後使用更為普遍，許多調理食物的書和藥典上均有紅麴的記載。到了明朝，紅麴的製法改良為用蒸飯做培養材料，以縮短培養時間，李時珍所著的本草綱目(1590)，對於以米飯培育紅麴的製作過程應如何調節品溫及補充水分，有很詳盡的說明。隨後，明末宋應星在其所著天工開物(1637)的「丹麴」一節裡，除指出製作紅麴要選用精白在來米外，其中記載約二次蒸飯及接種後的管理方法，均是目前國人製造紅麴的重要管理依據。1979年日本東京農工大學Endo教授自紅麴菌培養液中分離出全世界最佳膽固醇合成抑制劑 monacolin K，此舉引起各方的注意，另外日本食品業者也發現紅麴菌培養液具其他保健功能，故著手開發多項紅麴食品，目前深受消費者的注意。

二、紅麴菌的特性與分類

紅麴菌屬(Monascus)是由法國學者van Tieghem在1884年所建立，本屬菌株的特徵是菌絲呈無色、褐色或紅色，具有橫隔(Septa)，在其末端會產生一個大型的有性厚壁子囊。在分類上，紅麴菌是屬於真菌界(Fungi)、子囊菌門(Ascomycota)、子囊菌綱(Ascomycetes)、散囊菌目(Eurotiales)、紅麴菌科(Monascaceae)。紅麴菌的分類是基於分離源、培養基型態、發酵特性，以及色素產生等特徵來命名。

台灣使用的紅麴菌，相傳是由鄭成功光復台灣後，自福建渡海來台製酒匠人所引進，並由在台的日本學者齊藤賢道於1908年由紅麴中分離出Monascus purpureus，在1930年則由中澤亮治及佐藤喜吉從台灣民間所用的紅麴中分離出優良的純菌種，命名為Monascus anka，意指其來自Anka(紅麴的閩南語讀音)。由於最早的應用是在酒類釀造，所以早期台灣的研究主要由菸酒公賣局進行，並且順利開發出紅露酒。在食品加工上的應用，廣為大眾所知的則是紅糟肉的製造。

三、紅麴的製作

紅麴是紅麴菌生長於蒸煮過的米粒上而形成的發酵食品。若要得到品質優良的紅麴，整個製作過程中有許多需要注意的地方，包括：米種的選擇 (以低黏性的米為主，此類米澱粉含量高、營養充足、水分吸收較容易)、優良的菌種，以及適當的溫度進行培養等(紅麴菌會因為培養溫度的不同，在代謝物的生成上有所改變，一般維持在30℃左右；由於製作時溫度不易控制，古人以翻堆與分堆的方式達到溫度控制的目的)。另外就是適時的補水，使紅麴菌維持旺盛的生長，一般發酵時間在7天左右。米粒經紅麴菌發酵完成所製成的紅麴，其成份上會有所改變，如蛋白質與脂肪的含量增加，澱粉含量則降低，並且會產生許多紅麴菌的代謝產物，包含色素、降膽固醇物質，以及其他具有生理活性的物質。這些代謝物產量的多寡，會隨菌種的不同，而有很大的差異。圖一為製作紅麴的流程。紅麴的詳細製造過程說明如下：將九成在來白米500公克，以水洗滌至洗水不呈混濁後，浸水6~8小時。再用紗布濾水後置於麴盤上，在0.2kg/cm2的壓力下蒸飯15分鐘，取出冷卻。撒水攪拌均勻後，再以上述條件蒸飯一次，取出冷卻至40℃。另取紅麴菌的麵包培養10公克加20毫升無菌水，經磨細後，接入蒸飯中，並充分攪拌均勻。接種後，依照下列操作管理8天。

圖一 紅麴的製作流程

第1天：
   接種－接種後品溫降至33±1℃，用紗布包妥，置於恆溫箱中，控制箱溫為35±1℃，待品溫升高至40℃，攤開，將蒸飯集中於    麴盤的中央。

第2天：
   翻拌－菌絲急速繁殖，為防止品溫過度升高，必須適時給予翻拌，且視繁殖情形將蒸飯厚度逐漸改薄，以控制保持紅麴菌的    最適繁殖條件(即品溫在34±1℃，濕度在85±1%)。

第3天：
   頭水－因紅麴菌急速繁殖，米粒中的水份，除一部分由於溫度上升被蒸發外，大部分則被繁殖所消耗，因此米粒變得乾燥。    為使紅麴菌順利繁殖須施行浸水，給予適當水份，此操作稱為頭水。將麴盤內的半製品取出，浸於無菌水中30分鐘，浸畢用    紗布濾水30分鐘，使水份保持50±2%。頭水後仍將半製品盛於麴盤內，並放入恆溫箱培養。

第4天：
   次水－因此時期半製品變紅色，繁殖最為旺盛，水份被紅麴菌繁殖及蒸發所消耗，故須施行第二次浸水，此操作稱為次水。    將半製品用紗布包妥，浸於無菌水中20秒鐘。次水後，水份約為47±2%。

第5天：
   完水－為調節半製品適當水份，俾促進繁殖與菌絲的滲透，須施行第三次灑水，此操作稱為完水。品溫須控制在40℃以下。    完水後，水份含量約為48±2%。

第6天：
   後熟－完水後，漸進入後熟階段。此時須給予適當翻拌，約每10小時翻拌一次。品溫須控制在30±1℃，以促進繁殖。

第7天：
   乾燥－將紅麴在45℃下進行乾燥22小時。

第8天：
   成品－乾燥後的紅麴為成品，其水份含量約為4±1%。

大規模生產紅麴控溫室中設備，如圖二所示。

圖二 大規模生產紅麴之控溫通風麴池:上圖為紅麴通風麴池;中圖為麴池使用之通風設備;下圖則為麴池培養中的紅麴米

圖三 紅麴之化學成分

以上方法製備之紅麴米，其化學成分如圖三所示。由圖三可知，紅麴米中主要成分為碳水化合物，約佔55%；其次為蛋白質，含量約為20%；其他包括水分、灰份與脂肪含量均約為4%。Monacolin K之含量隨菌株之不同，亦有極大之差異。

四、紅麴色素－天然色素
(一)紅麴色素的發酵生產

紅麴菌早期之應用為天然色素之應用。紅麴菌所產生的色素已被確定出化學構造且廣為人知的有六種，即為紅色素monascorubramine與rubropunctamine、橙色素monascorubrin與rubropunctatin，以及黃色素ankaflavin與monascin等三大類(圖五)。其為屬於azaphilones類的真菌代謝物，構造極為類似，黃色素是橙色素的還原物，而紅色素則是橙色素的氮取代物。一般Monascus purpureus及Monascus anka等紅麴菌所產生的紅麴色素乃以monascorubrin為主要成分，並有rubropunctatin及少量的ankaflavinc和monascin混合存在。紅麴色素對蛋白質食品的著色能力良好且色澤誘人，但對其他類的食品則著色力較弱且較不鮮豔，不若焦煤系列的人工合成色素明亮。
紅麴色素在自然狀態下易受光、溫度及pH值的影響。在水溶液狀態時，紅色素對光及熱的敏感性較黃色素高，而抗氧化劑的存在則可減少紅色素的脫色反應。由此可知，在紅麴菌所產生的色素中，紅色素較黃色素不安定；而在實驗中，M. ruber所產生的色素在中性或鹼性的環境下較安定；在肉製品的加工過程中，添加紅麴萃出物的香腸，在4℃真空保存 3個月時，色素穩定性達92~98%，且在食品官能品評時有較佳的風味及口感，因此紅麴色素可取代傳統肉製品的亞硝酸鹽或人工色素。目前台灣有多家廠商(包括台灣菸酒公司)生產紅麴香腸販售。
紅麴色素的製備，係將培養基(在來米粉5%、麩胺酸鈉0.15%、MgSO4‧7H2O 0.1%、KH2PO4 0.25%，pH6.0)置入發酵槽中滅菌，接入種菌後於30℃，經100rpm通氣培養4~5天，即可得紅麴培養液。紅麴色素製備流程，如圖五所示。

紅麴菌株在生長初期呈現白色，培養數日後開始產生色素，隨著培養時間的增長，色素濃度加深。以液態靜止培養，色素絕大部分蓄積於菌絲中，菌絲體亦集結成片狀；以液態振盪培養，菌絲成不定型小塊(pellet)且色素會溶解於培養液中。
(二)紅麴色素的安全性試驗

長久以來，紅麴被國人作為食品著色劑及香料使用，歐洲也認為是安全的食品添加劑，使用時並不需要特別的標示。以小白鼠進行急性毒性實驗，最大口服量為18公克/公斤，而腹腔注射紅麴色素，其LD50在4公克/公斤以上，由以上實驗結果，並沒有造成小白鼠的死亡。另根據中國大陸利用紅麴色素作為香腸發色劑的研究發現，使用1.6毫克的紅麴色素製作的發酵香腸，其顏色和使用0.15毫克/公克NaNO2所製作香腸的顏色相近，於4℃條件下可以儲存一個月且不變色，對肉毒桿菌有抑制作用，但對食品腐敗菌卻沒有抑制作用。

圖四 主要紅麴色素的化學構造

為確認紅麴色素的食用安全性，而進行動物安全性試驗，目前採用口腔胃管強迫給與及腹腔注射等兩種方法進行急性毒性試驗，前者所得的LD50大於33.3公克/公斤體重，超出安全性標準的一倍以上；後者所得的LD50約為8.7公克/公斤體重。另外，為期十二週的亞急性毒性試驗，其試驗組的生長率、能量攝取量、飼料利用率，均與對照組無顯著性差異。飼養期間，供試老鼠的外觀正常，無脫毛、出血、皮膚發炎或尾巴潰異狀現象；飼養十二週後，抽取血液作分析檢查，其白血球數目、紅血球數目、血球比容、全血比重、血色素含量等項目均落於正常範圍值內，而血液中的肝指數GPT、GOT酵素活性，亦未有過高的異常現象，顯示其肝機能正常。解剖後，觀察各內臟器官，均無脹氣、腫大、潰爛或腫瘍等病變現象。將肝、腸、腎、脾等重要器官及脂肪組織作組織切片，發現細胞排列整齊，形態完整，無萎縮、腫大、細胞壞死、色素沈積或其他異常現象。由上述試驗可知，就急性毒性試驗及亞急性毒性試驗的結果而言，應可確認紅麴色素的食用安全性。

圖五 紅麴色素的製備流程

五、紅麴菌生產的二級代謝產物－生理活性物質

紅麴菌是中國傳統的釀造菌株，長久以來受到相當的重視與利用，近年來更對其二級代謝產物加以研究，因此不斷的發現多種生理活性物質，是深具發展潛力的菌株。高膽固醇所造成的高血壓症為近年來普遍的文明病，由於醫學進步，導致中高齡人口增加，也因中高齡者代謝機能減低，難以消除超氧自由基，容易造成癌症、心臟病等中老年病的發生。為了追求健康的飲食生活，保健食品因而非常盛行。紅麴兼具抑制膽固醇合成及降血壓的作用，是目前熱門的保健食品。

就紅麴菌所生產二級代謝產物中，具有生理活性的物質概述如下：
(一)膽固醇合成抑制劑 (monacolins)

因血膽固醇過高而引起的心臟血管病變 (包括中風、冠狀動脈硬化性心臟病及高血壓) 佔歐美國家總死亡率的51%以上，其在我國目前也佔有很大的比率(19.2%)，遠超過糖尿病、慢性肝病及腎症候群，且有越來越嚴重的趨勢。根據衛生署爾禤膆隉A2000年的死亡人數達23,884人，其中以腦中風的死亡率最高。

1979年遠藤(Endo)教授在日本三共製藥公司的資助下，率先從分離自泰國發酵食品的粉紅色紅麴菌Monascus ruber的培養液中，找到monacolin K(圖六)。其主要作用機制是能專一性的抑制膽固醇合成速率決定步驟所需酵素HMG-CoA reductase (3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase)的活性，而使mevalonic acid無法生成，以抑制膽固醇的合成，進到降低膽固醇的效果，特別是對導致動脈硬化最嚴重的低密度脂蛋白膽固醇(low density lipoprotein cholesterol, LDL-C)有優先降低的效果。

Monacolin K除了是極優良的膽固醇合成抑制劑外，由於其可抑制異戊二烯(isoprene) 代謝，因此在細胞膜的組成、昆蟲賀爾蒙、植物生長調節劑，以及動物細胞分化和染色體複製的研究上，也是極有用的研究工具。
(二)降血壓物質

1993年樽井庄一在飼料中添加紅麴培養物的動物試驗發現，添加0.2~0.3%紅麴培養物的飼料，可使患有先天高血壓症老鼠的血壓由200mmHg降至180mmHg以下，其有效成分為γ-胺基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)及葡萄糖胺(glucosamine)。

圖六 Monacolin K之結晶

1987年Kohama等人以紅麴餵食患自發性高血壓的老鼠(spontaneously hypertensive rats，SHR)，發現其具有控制血壓的功效；1992年Tsuji等人進行紅麴(Monascus pilosus IFO 4520)餵飼試驗，亦確認紅麴具有明顯降低血壓及抑制血壓上升的功效。γ-胺基丁酸為一水溶性物質，一般紅麴的產量約每克菌體300μg，於日本已獲准為特定保健用食品。

根據臨床試驗顯示，自發性高血壓的患者，每日攝取27g的紅麴，有明顯的降血壓效果，而以紅麴製成的食品，如紅麴味噌、麵包、麵條等進行動物實驗，亦顯示具有降血壓的效果。
(三)抗腐敗菌物質(monascidin)

M. purpureus於1977年首次被Wong及Bau等報導具有抗菌的效果，經學者的研究，其分離出的monascidin A為有效抗菌成分。Monascidin A是一種較黃、橘、紅色素極性高，對神經有毒性的代謝產物，是一種對於Bacillus、Streptococcus、Pseudomonas等食品腐敗菌的生長，有抑制作用的狹效性抗生素。據層析分離得知，抗菌物質的有效成分為monascidin A及螢光黃色素的混合物。Blanc等人於1995年利用氣相色層分析—質譜儀 (gas chromatography-mass, GC-MS)、核磁共振儀 (nuclear magnetic resonance, NMR)、紅外線光譜儀 (infrared, IR) 等檢驗方法，認定所謂的monascidin A就是citrinin。
(四)防癌物質

紅麴的橘色素monascorubrin及rubropunctatin具有活潑的羰基，容易與胺基作用，因此不但可治療胺血症 (ammoniemia)且很可能是優異的防癌物質。此外，Yasukawa等人進行老鼠的動物實驗中，證實經癌症促進劑12-o-tetradecanoyl-phorbol-13-acetate(TPA)兩階段誘導引起發炎(inflammatory)的現象，可利用monascorubrin加以抑制腫瘤的發生。
(五)降血糖物質

1988年玉田英明發現，兔子在進食添加0.2~0.3%紅麴培養物的飼料後，半小時內血糖降低23~33%，而在一小時後的血糖量仍比對照組下降了19~29%，不過其有效成分尚待進一步分析鑑定。
(六)麥角固醇 (ergosterol)

麥角固醇是維生素D2的前趨物，目前國內外麥角固醇生產侷限於酵母菌，據中國大陸學者陳松生等人於1995年發現，紅麴菌屬 (Monascus)中的許多菌株都能有不同程度的產生麥角醇，但產生的量與色素含量不成正比。
(七)抗氧化物質

紅麴的抗氧化能力於1999年被Aniya等人提出報告，紅麴抽出物具有清除α, α-diphenyl-β-picrylhydrazyl (DPPH)自由基及抗油脂過氧化性質的能力，並在老鼠實驗中證實可預防肝臟的損傷。Aniya等再進一步純化紅麴抽出物，其抗氧化能力的成分為dimerumic acid。
(八)長鏈脂肪酸

Juzlova等人於1996年從紅麴菌的白化變異株中發現，其具有產生長鏈脂肪酸的功能。脂肪酸的種類從C14~C24並經GC-MS確認，其中在39種脂肪酸中，有22種飽和脂肪酸(包含iso及anteiso)、14種單烯酸 (monoenoic acid)、2種二烯酸(dienoic acid)及1種α-次亞麻油酸 (α-linolenic acid)。
(九)其他代謝產物

紅麴菌亦可產生超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase, SOD)、糖化酵素、核糖核酸酶(ribonuclease)、α-半乳糖苷酶 (α-galactosidase) ，以及果膠酶 (pectinase) 等酵素，而超氧化物歧化酶使得紅麴具有抗氧化的功效。

由於上述代謝產物的優點，因此紅麴被廣泛應用。目前利用紅麴作為健康食品的材料，最受到質疑的一點，在於紅麴所生產的二級代謝產物－citrinin (monascidin A)，一般被認為是一種黴菌毒素，對於肝、腎具有毒性 (hepatonephrotoxic mycotoxin)，這使得紅麴在安全性上受到質疑。

六、紅麴中的黴菌毒素－Citrinin

Citrinin是一種典型的黴菌毒素，最早是由Penicillium citrinum中發現，之後於Aspergillium spp. 及Monascus spp.中陸續發現。Citrinin的分子式為C13H14O5，分子結構如圖七所示。其為一種檸檬黃的結晶物，可溶鏇lcohol、dioxane及稀鹼溶液，最大吸收光譜為250.331 nm，LD50 35mg/kg(mouse)、67mg/kg (rat)，旋光度為＋217.1°。

Citrinin對gram-positive的細菌如Bacillus、Streptococcus及Pseudomonas等食品腐敗菌具有抑制作用。此外，citrinin也是一種腎肝毒素(nephrotoxin and hepatotoxin)，在Monascus ruber中，一般citrinin大多伴隨紅色素的生成而產生。因此，對於利用紅麴生產紅色素的研究中，如何減少米麴中的citrinin含量，曾經被廣泛的檢討。

紅麴是我國的傳統藥用產品，可作為食品添加物或用於釀酒，在我國及日本等國家都已有規範，但在西方國家的使用卻有些爭議，其中對紅麴中所含citrinin的看法及意見最多。

Blanc等人於1995年指出，Monasus purpureus和Monascus ruber會產生一種抗菌物質－citrinin，該物質對腎臟有毒害作用，無論固態培養物或液態培養物中，都可能發現這種物質的存在，其含量約為100~400mg/L。但也發現有些紅麴產品中沒有檢測到citrinin，此一研究引起了各國的高度重視。因此，如何確認紅麴產品中的citrinin含量或於製程中降低或完全不含citrinin，已被視為利用紅麴產品的重要依據。

圖七 Citrinin 之分子結構

有學者認為紅麴產品是一種混合物，不能因為其中存在citrinin就否定紅麴的正常作用，紅麴中可能存在著某些物質可抵銷citrinin對人體的毒害作用。也有人認為雖然紅麴產品中有citrinin存在，但紅麴的劑量本身就小，故在一定的範圍內，人體食用仍是安全的。

1999年荷蘭學者Monica等人從市售的紅麴產品中分析citrinin的含量約在0.2~17.1μg/kg，並利用Ames Salmonella-microsome assaSalmonella-hepatocyte assay的微生物誘變試驗，結果於實驗中並未發現紅麴產品有致變異性的影響。紅麴菌發酵產物應用於食品已有長久歷史，但也從未聽說有危害的事件發生，這可歸於食品加工技術或發酵方法已減低citrinin的濃度，但對於紅麴中citrinin的污染，仍應盡量避免其代謝活化的致變異性存在。