基本介紹
- 拉丁學名：Neurospora crassa
- 別名：粗糙脈孢菌
- 界：真菌界
- 門：真菌門
- 亞綱：真子囊菌亞綱
- 目：角菌目
- 科：糞殼菌科
- 屬：脈紋孢菌屬
- 分布區域：全球大部分地區有分布
- 中文學名：粗壯脈紋孢菌
生物特性,合成類胡蘿蔔素,生產途徑,生理功能,降解,研究成果,“雙槓桿”,主要技術專利,
生物特性
中雁生物實驗室條件下培育的粗壯脈紋孢菌
粗壯脈紋孢菌（Neurospora crassa），是子囊菌門（Ascomycoya），子囊菌綱（Ascomycetes），糞殼目（Sordariales），糞殼菌科（Sordariaceae），脈紋孢菌屬（Neurospora）的真菌。其氣生菌絲有隔膜、多核、無性繁殖，可產生大量的分生孢子，分生孢子大多為球形或者卵圓形，直徑6~8μm，孢子團成黃色或者淡橙色。其同種屬的粗糙脈孢菌作為模式生物在國內外主要用於基礎研究，微循環產孢機制，生物鐘機制等，也有利用其進行發酵產纖維素酶，乙醇，黑色素，漆酶，谷氨酸脫羧酶等產物的研究。粗壯脈孢菌與眾多的粗糙脈孢菌相比，其在亞種上面的分類不一樣，會導致其性狀方面的差異。
合成類胡蘿蔔素
胡蘿蔔提取物（類胡蘿蔔素為主）
粗壯脈紋孢菌在固態發酵的過程中產生分生孢子，隨著發酵代謝進程的進行，可代謝合成類胡蘿蔔素。粗壯脈紋孢菌產生的類胡蘿蔔素種類很多，包括八氫番茄紅素、六氫番茄紅素、ζ-胡蘿蔔素，鏈孢紅素、番茄紅素、3,4-脫氫番茄紅素、β-zeacarotene、γ-胡蘿蔔素、Torulene、鏈孢霉黃素等。孢子中色素含量明顯高於菌體中的含量。粗壯脈紋孢菌中的類胡蘿蔔素主要以色素顆粒的形式存在，而且主要存在於菌絲體細胞壁以及孢子中孢子壁附近，另外孢子所含色素顆粒數量遠大於菌絲體。李紅艷等發現粗壯脈紋孢菌在有氧的條件下可以產生類胡蘿蔔素，並對其所產的類胡蘿蔔素進行定性定量檢測發現在未最佳化的條件下粗壯脈紋孢菌的類胡蘿蔔素產量可達158.5μg/g孢子，而且發現所產大部分類胡蘿蔔素為β-胡蘿蔔素。此後，劉志剛等對此菌發酵稻穀加工副產物（礱糠和脫脂米糠）生產類胡蘿蔔素，其類胡蘿蔔素含量可高達366μg/g培養物。在粗壯脈紋孢菌發酵產類胡蘿蔔素的機理和工藝方面基本上是空白，僅有極少量企業在嘗試產業化，取得一定的進展。
類胡蘿蔔素具有多個共軛雙鍵，屬於萜烯基團類不飽和化合物，包括胡蘿蔔素和葉黃素兩大類。類胡蘿蔔素是自然界中廣泛存在天然色素之一，現已發現600餘種，存在於很多進行光合作用的植物細胞和微生物細胞中，可通過食物鏈傳遞，在動物細胞中累積。動物不能自行合成類胡蘿蔔素，只能通過食物攝取和轉化獲得。
α/β-胡蘿蔔素化學骨架
粗壯脈紋孢菌所產類胡蘿蔔素的抗氧化實驗結果顯示：與常見的抗氧化劑相比，粗壯脈紋孢菌所產類胡蘿蔔素對DPPH自由基，超氧自由基，羥基自由基這三種不同的自由基具有較強的清除能力，同時比同濃度的番茄紅素，β-胡蘿蔔素清除自由基能力強，此外粗壯脈紋孢菌所產類胡蘿蔔素還具有較高的總抗氧化能力和較強的金屬螯合能力。
生產途徑
類胡蘿蔔素的生產方法主要有三種：化學合成、微生物發酵、提取法。化學合成和天然的類胡蘿蔔素在分子結構、物理化學性質上無差異，但是在藥理性質和生理功能上差別較大，主要是因為人工合成的是單一純物質，而天然產物中有多種順反異構體存在，在生物體內具有特殊的功能性質。而且化學合成法所使用的化學反應物在類胡蘿蔔素產品中會有不同程度的殘留，由於雙鍵立體選擇比較難控制產物的純度，因而其產品質量及使用範圍受到限制。另外生產工藝條件要求苛刻，成本比較昂貴，生產效率也不高，其生產污染物的排放對環境造成較大的污染。
微生物法生產類胡蘿蔔素是指利用微生物培養方法，通過微生物自身代謝產生類胡蘿蔔素然後通過一定的分離法分離提取所需的類胡蘿蔔素。與合成法相比，其所產的類胡蘿蔔素為天然色素，活性與天然存在的狀態相差不多，更易於人體吸收，功能性更顯著，而且生產成本低，產物質量低，而且相對環境的污染較小。另外，微生物發酵有固態和液態兩種方式，固態發酵相對液態發酵產類胡蘿蔔素的微生物主要有細菌、真菌和某些藻類。光合細菌是研究最多的產類胡蘿蔔素微生物群，如紅球菌屬（Rhodopila）、紅螺菌屬（Rhodobacter）、紅假單細胞菌屬（Rhodospirillum）等。這一類細菌合成的類胡蘿蔔素種類有80多種，非光合細菌主要產C45和C50類胡蘿蔔素，這一類微生物有橙色爸疊球菌（Sacina aureus）、黃桿菌（Flavobacterium sp）等。真菌是重要的工業發酵產類胡蘿蔔素的菌種，主要有深紅酵母（Neurospora crassa）、三孢布拉氏霉（Blakeslea trispora）、布拉克須霉（Phycomyces blakesleeanus）、紅酵母屬（Rhodotorula）等。深紅酵母（Neurospora crassa）主要合成β-胡蘿蔔素、酵母素以及紅酵母烯，三孢布拉氏霉合成β-胡蘿蔔素能力強，粗壯脈紋孢菌產類胡蘿蔔素種類比較豐富，有番茄紅素、紅酵母烯、鏈孢霉黃素、β-胡蘿蔔素等。
生理功能
類胡蘿蔔素是國際公認的具有生理活性的功能性色素，整理國內外的研究成果，主要體現在以下幾個方面：
——維生素A的前體
人體不能自行合成維生素A，只能從外界攝取，自然界約有50餘種類胡蘿蔔素可轉化成維生素A，其中以β-胡蘿蔔素活性最強，是人體獲取維生素A的重要來源。維生素A缺乏症主要包括眼角膜上皮增厚，脫落和角質化造成的角膜潰瘍甚至失明；淚腺分泌障礙造成的夜盲症、乾眼病等；皮膚乾燥，表皮組織改變導致的病菌感染，腸胃黏膜表皮受損造成的腹瀉等。
——抗氧化功能
類胡蘿蔔素特別是β-胡蘿蔔素和番茄紅素是較強的抗氧化劑，它們能高效猝滅單線態氧，清除人體內的自由基。在有機體正常的代謝過程中或受到紫外線強烈照射後會產生高能活性氧，高能活性氧非常不穩定，可迅速將能量傳遞給其他分子而產生自由基。自由基中異常活躍的孤對電子可造成蛋白質、核酸、細胞膜等分子或組分損傷，導致細胞突變或死亡。三線光敏分子（Sen）在光敏反應中可經兩種途徑衰變成基態，一種是與生物分子的反應，產生能引發自由基反應和對細胞造成損害的自由基物質，從而衰變回基態；另一種是直接與氧分子反應，是出於三線基態的分子樣躍遷為非常活躍的單線態氧（O2）,從而使自己回到基態。一般情況下，三線態光敏分子（Sen）在與生物分子或氧分子反應之前可悲類胡蘿蔔素猝滅。但在某些情況下，類胡蘿蔔素無法使所有的三線態光敏分子都失活，從而會產生一定的自由基物質和單線態氧。在這種情況下，類胡蘿蔔素超強的清除自由基和猝滅O2的能力可鈍化自由基和單線態氧，使他們重新回到基態。
——增強免疫，延緩衰老，預防癌症
類胡蘿蔔素能增強人體特異性及非特異性免疫功能，也能增強人體免疫系統對腫瘤的免疫力，預防腫瘤的發展和擴散。類胡蘿蔔素能增強免疫系統中B細胞的活力，減少外援病菌的入侵；類胡蘿蔔素也能增強淋巴輔助T細胞活力，協助免疫B細胞產生抗體，並增強其他免疫組分的活性；而且還能增加自然殺傷細胞數目，提高機體消除被感染細胞或癌細胞的能力。另外，與衰老相關聯的色斑退化的發生率與維生素A前體類胡蘿蔔素的攝取也存在顯著負相關，並且β-胡蘿蔔素最為顯著。
大量的流行病學研究表明，癌症的低發病率與血清中高水平的類胡蘿蔔素之間存在密切關係，經常攝入類胡蘿蔔素可有效降低多種癌症的發病率，如口腔癌、胃癌、肺癌和食道癌等。在1975年到1992年的46項研究膳食或血清中類胡蘿蔔素含量水平與肺癌之間的發病率之間的關係報導中，有41項研究發現日常攝入高水平的類胡蘿蔔素或血清中類胡蘿蔔素高的受試者，其肺癌的發病率明顯較低。另外，類胡蘿蔔素預防癌症還與其可加強細胞間的縫間聯接交流有關。細胞縫間交流對於多細胞生物體的進化和組織的構建、細胞功能的協調，細胞生長和分裂的控制是必須的。β-胡蘿蔔素能誘導細胞間通訊，可增強已轉化癌起始細胞與健康細胞間的交流，從而抑制細胞的惡性轉化。
降解
粗壯脈紋孢菌可分泌較高活性的纖維素酶。該菌所產纖維素酶系健全，包括外切葡聚糖酶、內切葡聚糖酶和葡聚糖苷酶等，並且該菌在高纖維含量的培養基上能夠旺盛生長，可完成培養基中的纖維素的降解過程。研究集中在利用粗壯脈紋孢菌液態發酵，對其所產生的纖維素酶進行了分離純化並測定了相關酶的分子量。也有通過對粗壯脈紋孢菌進行誘變育種，篩選高產菌株並鑑定了其生理生化性質，利用粗壯脈紋孢菌講解纖維素的能力在最佳化培養基和發酵條件後達到降解農副產品提升其循環利用價值。葉俊等利用粗壯脈紋孢菌發酵富含粗纖維的農副產品，如豆渣、米糠、玉米芯、甘蔗渣等，成功將粗纖維降解為低聚糖，主要以2-10的聚合度為主。
粗壯脈紋孢菌所分泌的纖維素酶酶的最適催化反應pH為4.8～5.3，最適催化反應溫度為45～50℃，在50℃及pH為4．8時該酶穩定。CMC、C1和β-葡萄糖苷酶活力變化範圍有一定差別。錳離子對該酶活力有一定的增強作用，而銅離子和鋁離子對其活力有明顯的抑制作用。在產酶培養基中加入洗衣粉可以促進產纖維素酶活力，而洗潔精則會抑制產酶活力。
低聚糖一般可分為普通低聚糖和功能性低聚糖。普通低聚糖可以直接被人體消化吸收而產能，而功能性低聚糖因不能被人體消化吸收而直接進入腸道內被有益菌所利用。低聚糖的主要生理功能主要有促進腸道益生菌增殖，改善腸道菌群環境；增強機體免疫能力，改善健康；潤腸通便，防止便秘和腸癌；防止口腔齲齒。
研究成果
普通的雞蛋一般含有非常微量的類胡蘿蔔素，大約含0.2mg/100g。通過將粗壯脈紋孢菌發酵所產的富含類胡蘿蔔素的飼料通過其他輔助的飼料和添加劑可以有效強化雞蛋中的類胡蘿蔔素。雞蛋中的類胡蘿蔔素在轉化效率方面，相比蔬菜水果的類胡蘿蔔素，雞蛋中的類胡蘿蔔素在人體轉化效率要高。類胡蘿蔔素是脂溶性化合物，多存在於生物體內的脂類或蛋白質的疏水區。雞蛋中的類胡蘿蔔素多以與大分子化合物結合的狀態存在，存在於高脂肪、高蛋白，富含高不飽和脂肪酸的脂溶性環境，這些物質進入人消化道後更利於促進分泌胰酶和膽鹽，使得類胡蘿蔔素更容易形成乳糜顆粒被人體直接吸收。而蔬果的環境大部分是水溶性的，會造成攝取後類胡蘿蔔素吸收率不高；同時蔬果含有大量的粗纖維等影響類胡蘿蔔素吸收的拮抗因子也阻礙了類胡蘿蔔素的利用率。
“雙槓桿”
粗壯脈紋孢菌的經濟價值不僅僅反映在它的發酵產物具有很高的營養價值，更重要的是它能高效利用農產品加工的副產物，比如豆渣、甘蔗渣、啤酒糟、玉米芯、稻草秸稈等。這些多是農業生產或食品加工的副產物，因粗纖維高，利用率低，基本上用於燃料和肥料，部分作為飼料在體內吸收差，轉化效率很低，不僅浪費大量的生物質資源，而且引起嚴重的環境污染。隨著環境污染加重以及人們的環保意識的加強，亟需尋找高效利用這些副產物的技術方法，提高這些廉價原料的附加值，提高經濟收益，變廢為寶，降低環境污染，這是建設資源節約和環境友好型社會，實現經濟成長的需要。粗壯脈紋孢菌相比其他種類的真菌，在產纖維素酶的活力上面有明顯的優勢。粗壯脈紋孢菌強降解纖維素的功能使得其可以利用低廉的原料作為發酵底物，大大節約了規模化生產的成本。粗壯脈紋孢菌的發酵產物主要包括類胡蘿蔔素、低聚糖、蛋白和多肽等，這些成分都是可以直接被動物或者人類吸收利用的。因此在投入和產出方面呈現“雙槓桿”，具有較大的經濟價值。
粗壯脈紋孢菌
主要技術專利
（1）粗壯脈紋孢菌。發明人：鄧澤元、劉文群等，申請號：201010120077
（2）利用高纖維農副產品發酵生產類胡蘿蔔素的方法。發明人：鄧澤元、劉志剛等，申請號：201110237023.0
（3）一種粗壯脈紋孢菌及其孢子中天然類胡蘿蔔素的提取方法。發明人：鄧澤元、劉志剛等，申請號：201110237029.8
（4）粗壯脈紋孢菌發酵油茶餅粕生產動物飼料的方法。發明人：鄧澤元、賈才華等，申請號：200910115556.4
（5）一種粗壯脈紋孢菌發酵生產β-類胡蘿蔔素的方法。發明人：鄧澤元、李蓉等，申請號：200910115555.X
（6）粗壯脈紋孢菌發酵啤酒糟生產動物飼料的方法。發明人：鄧澤元、賈才華等。申請號：200910115553.0
（7）一種提高類胡蘿蔔素到雞蛋轉化效率的方法。發明人：深圳市中雁生物工程有限公司。申請號：201620685550.0
（8）富集有類胡蘿蔔素和益生菌動物飼料的生產方法。發明人：深圳市中雁生物工程有限公司。申請號：201620688192.9
