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Research progress of coenzyme Q10 in red yeast rice

  • LIN Jin 1 ,
  • HE Liqin 2 ,
  • ZHOU Kangxi 3
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  • 1Minjiang Teachers College, Fuzhou 350109, China
  • 2Shenzhen Futian District Huaqiang Vocational Technical School, Shenzhen 518000, China
  • 3Fuzhou University, Fuzhou 350108, China

Received date: 2024-05-05

  Online published: 2024-10-14

Abstract

The sources, content improvement methods, detection methods, extraction techniques, and application prospects of coenzyme Q10 in red yeast rice were introduced, aiming to provide references for the production and application of red yeast rice containing coenzyme Q10. Coenzyme Q10 is one of the important metabolites of Monascus, which not only shows a variety of biological activities, but also effectively reduce the side effects of statin components in Monascus. The main methods to increase the content of coenzyme Q10 in red yeast rice are optimizing fermentation conditions and breeding high-yield strains. The main methods for the determination of coenzyme Q10 are spectroscopy and chromatography. In terms of extraction technology, mainly saponification, ultrasonic extraction and supercritical extraction are used to extract coenzyme Q10 from microorganisms. At present, microbial-derived coenzyme Q10 is used in medicine, food and cosmetics.

Cite this article

LIN Jin , HE Liqin , ZHOU Kangxi . Research progress of coenzyme Q10 in red yeast rice[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2024 , 30(19) : 101 -105 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.19.021

红曲是由红曲霉接种于梗米上发酵而得。红曲味甘、微苦、性温、无毒,具有活血化瘀、健脾燥胃等功效[1]。红曲功效的发挥离不开其活性成分。研究表明,红曲中含有红曲色素、洛伐他汀、麦角甾醇、γ-氨基丁酸、脂肪酸、功能性多糖及抗氧化肽等生物活性物质,在降脂、抗炎等方面功效明显[2-4]。辅酶Q10是红曲霉的代谢产物之一,又称为泛醌10、癸烯醌或维生素Q,在细胞呼吸过程中作为重要的递氢体参与氧化磷酸化过程,从而促进腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate,ATP)的合成,因此被称为天然的能量“加速器”。辅酶Q10能抑制线粒体的过氧化,保护生物膜结构的完整性;此外,还可以通过提高吞噬细胞的吞噬效率、提升T淋巴细胞的功能,促进机体产生抗体,从而增强机体的细胞免疫应答功能。在红曲中,除了发挥上述功能,辅酶Q10还可降低红曲中他汀类成分带来的副作用,是红曲中值得挖掘的资源之一。
随着降脂需求的增加,高产洛伐他汀的功能性红曲受到青睐,而他汀类药物在降脂的同时会抑制体内辅酶Q10的合成,从而引起转氨酶升高、肝脏损伤等副作用[5]。因此,开发出同时含有洛伐他汀和辅酶Q10的功能性红曲产品,对提升红曲产品的药用价值、安全性以及经济效益具有重要现实意义。本文对红曲中辅酶Q10的来源、产量提升方法、检测方法、提取方法以及应用前景进行综述,为红曲来源的辅酶Q10的生产和提高红曲的保健功能提供参考。

1 红曲中辅酶Q10的来源

辅酶Q(Ubiquinone,CoQ)普遍存在于动物、植物和微生物等生物体中,其基本结构如图1所示。根据侧链聚异戊二烯基的聚合数目n的不同,辅酶Q可分为CoQ6、CoQ7、CoQ8、CoQ9和CoQ10等[6]
图1 辅酶Q的基本结构
红曲霉和酵母菌都是红曲中的优势真菌,因此,红曲中的辅酶Q10主要由这两者产生[7]。真核生物通过甲戊二羟酸途径(MVA pathway)合成异戊烯焦磷酸(Isopentenyl pyrophosphate,IPP),而IPP与二甲基烯丙基焦磷酸(Dimethylallyl pyrophosphate,DMAPP)是辅酶Q的聚异戊二烯基侧链合成的前体[8]。IPP与DMAPP先在酶的作用下结合生成牻牛儿基焦磷酸(Geranylpyrophosphate,GPP),再与IPP作用生成法尼基焦磷酸(Farnesyl pyrophosphate, FPP),FPP在异戊二烯基焦磷酸合成酶的作用下,合成辅酶Q的聚异戊烯基侧链,辅酶Q10则在此过程中合成[9]

2 红曲中辅酶Q10含量的提升方法

2.1 优化发酵条件

目前提高红曲中辅酶Q10含量的方法主要是优化发酵条件。Pyo等[10]用高粱、薏米、荞麦和大豆制成的混合培养基对红曲霉(Monascus pilosus) K-1140菌株进行固态发酵,辅酶Q10产量可达240.00 mg/kg;黄佳梅等[11]优化了红曲固态发酵的初始pH、红曲霉接种量、籼米初始含水率以及亚油酸的添加量,提高了辅酶Q10和红曲色素的产量,辅酶Q10和色价分别达387.23 mg/kg和4 521.69 U/g,比优化前分别提高了80.01%和38.10%。田玉庭等[12]利用丛毛红曲霉和红色红曲霉进行双菌株混菌共发酵,并优化了培养基配方,使辅酶Q10含量在400~550 mg/kg,且该红曲产品中不含有橘青霉素。

2.2 选育高产辅酶Q10的菌株

菌株选育是提高辅酶Q10产量的重要途径之一。红曲霉和酵母菌是红曲中的优势真菌,目前关于选育高产辅酶Q10的红曲霉相关研究较少,而选育高产辅酶Q10的酵母菌相关研究较多,如赵有玺等[13]以假白布勒弹孢酵母制备原生质体,通过He-Ne激光诱变选育出高产辅酶Q10的菌株,产量达1.53 mg/L,年率提高了87%。曲涛等[14]利用紫外线及硫酸二乙酯对热带假丝酵母进行诱变,获得了一株辅酶Q10产量较高(23.96 mg/mL)的突变体,较原始发菌株提高了1.76倍。王丽等[15]利用离子束诱变粟酒裂殖酵母获得高产辅酶Q10的突变体,含量达6.934 4 mg/L,是出发菌株的10倍以上。以上研究说明,可以尝试在制备功能性红曲过程中,或在发酵过程中加入高产辅酶Q10的酵母菌进行共发酵,从而提高产品的辅酶Q10含量。

3 红曲中辅酶Q10的检测方法

辅酶Q10的测定方法主要有光谱法和色谱法。光谱法主要包括紫外光谱(UV)和红外光谱(IR)。色谱法主要有薄层色谱(TLC)、高效液相色谱(HPLC),或将TLC与UV联用(TLC-UV)。不同检测方法各有优点,如TLC与UV操作较为方便快捷,且成本较低;HPLC检测误差较小,测定速度快,可作为定量分析方法。如黄佳梅等[16]采用反相HPLC测定红曲中的辅酶Q10,线性关系良好(R 2=0.999 9),平均回收率高。
此外,一些新型检测方法也被用于辅酶Q10的测定,如傅里叶变换近红外光谱[17],超临界流体色谱-质谱联用法[18],液相色谱-质谱联用法[19],以及超高液相色谱-质谱联用法[20]。这些方法精确度高,但成本较高,实际应用中,可根据不同的精确程度和成本选择合适的检测方法。

4 红曲中辅酶Q10的提取方法

红曲霉菌丝体可以作为辅酶Q10的提取原料。吕思敏等[21-22]以乙醇为溶剂,采用冷凝回流方式提取功能性红曲米粉中的生物活性物质,并对提取工艺进行优化,确认较优提取条件为温度90 ℃,料液比1∶30(g/mL),回流提取时间80 min。
目前生产中常用皂化法、超声波提取法和超临界萃取法等方法对辅酶Q10进行提取。皂化法可分为碱皂化法和醇碱皂化法。碱皂化法是将生物组织先在酸性水溶液中消解,然后加入一定量的碱皂化,皂化液用低极性的有机溶剂萃取,得到粗提液,洗涤后,通过硅胶柱层析以及结晶手段进一步纯化,从而得到精制提纯后的辅酶Q10产品。吕春茂等[23]研究表明,碱皂化处理过程中,温度、pH、料液比和回流时间等条件对辅酶Q10的提取率均有一定影响。醇碱皂化法是将待提取原料与醇碱溶液混合,为防止提取过程中辅酶Q10被破坏,先添加一定比例的焦性没食子酸再进行皂化处理,碱浓度、焦性没食子酸添加量等条件对辅酶Q10提取率均有一定影响[24]
超声波提取法是将微生物发酵产物与有机溶剂按比例混合,提取得到含辅酶Q10的粗提液。粗提液再经硅胶柱层析、结晶等工艺处理,得到纯度更高的辅酶Q10产品。黄钰清[25]综述了辅酶Q10提取分离工艺,采用超声波提取技术能够提高发酵产物中辅酶Q10在有机溶剂中的溶解度,进而增加其提取率,但该方法在实际应用中面临溶剂消耗量大及超声能耗高等挑战[25]。未来研究可关注开发新型环保溶剂和优化超声波提取工艺,如采用低能耗的超声波设备、优化超声波频率和功率等,以实现在保证提取效率的同时降低溶剂消耗和能耗。
超临界萃取法[26]是一种高效且环保的提取技术,其首要步骤是将微生物发酵产物进行分离和干燥处理,随后利用二氧化碳在超临界状态下的独特性质,对干燥菌体进行超临界萃取。为进一步提升辅酶Q10的纯度,提取液还需经过硅胶柱层析、结晶等一系列纯化工艺,最终得到高质量的辅酶Q10产品。亚临界萃取法[27]也是提取辅酶Q10的有效方法之一,以亚临界流体作为萃取溶剂,对干燥菌体进行亚临界萃取,得到含有辅酶Q10的萃取液。与超临界萃取法类似,其萃取液也需经过硅胶柱层析、结晶等纯化步骤,以获得纯度更高的辅酶Q10产品。超临界或亚临界萃取法因其高提取率、高效率以及低污染等优点,在辅酶Q10的提取上具有一定优势。然而,该技术对生产设备的要求较高,设备成本也相对较高。随着科技的不断进步和成本的逐渐降低,这些高效且环保的提取方法有望在辅酶Q10产业中得到更广泛的应用。

5 红曲中辅酶Q10的应用前景

在医学领域,辅酶Q10对治疗神经退行性疾病有一定帮助,Shults等[28]研究发现,其能明显延缓早期帕金森病患者的病情发展,减慢身体机能退化速度,也有助于延缓亨延顿病的发展[29]。在心血管疾病方面,辅酶Q10能提高慢性心力衰竭患者的存活率[30],可用于治疗心力衰竭、高血压和内分泌功能紊乱[31],降低心脏疾病的发病率和死亡率[32]
在食品领域,辅酶Q10作为营养补充剂被应用于食品生产中[33]。以辅酶Q10为原料的保健食品取得了发展,产品数量逐年稳步上升,这些产品因其增强免疫力、抗氧化等功能赢得了市场的认可[34]
在化妆品领域,含辅酶Q10的产品包括面霜、面膜、乳液等,具有抗皱、美白、祛斑和修复等功效。周奔等[35]利用高压均质技术成功制备出辅酶Q10纳米乳液,该产品不仅具有高效的自由基清除能力,还明显提升了辅酶Q10的经皮吸收率。辅酶Q10还可应用于头发、口腔护理等产品[36]
红曲在医药、食品和化妆品等领域都有所应用,是药食两用的典型代表。吕思敏等[37]研究发现,含辅酶Q10和洛伐他汀的红曲胶囊除了能够克服他汀类药物的副作用,还能调节骨细胞和破骨细胞的分化,协同他汀类药物增强骨质疏松和降脂[37]。因此,深入挖掘红曲中辅酶Q10这一宝贵资源,通过筛选高产辅酶Q10菌株、优化培养条件以及代谢调控、基因编辑等方式定向提升辅酶Q10的产量,并优化红曲中辅酶Q10的提取技术,有利于开发红曲来源的辅酶Q10产品,并增强红曲产品的保健功能和安全性。
辅酶Q10作为红曲霉的重要代谢产物之一,不仅展现出多种生物活性,还能有效减轻红曲中他汀类成分的副作用。当前,提高红曲中辅酶Q10含量的方法主要有优化发酵条件、选育高产菌株。辅酶Q10的检测方法主要有光谱法和色谱法。在提取技术上,主要采用皂化法、超声波提取法和超临界萃取法等。红曲中辅酶Q10应用于医药、食品和化妆品等领域。总体来看,红曲来源的辅酶Q10的相关研究尚处于探索阶段,未来,继续挖掘红曲中辅酶Q10的潜力,改进红曲霉培养及分离提取技术,提升红曲中辅酶Q10的产量,从而开发出更多红曲来源的辅酶Q10产品,这不仅有利于强化红曲的保健功效和安全性,也将为市场创造更大的经济价值。
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