中药微生态发酵技术研究进展与展望

2014-04-29汪洋汪德刚张世新邓贞怀

中国动物保健 2014年9期

汪洋汪德刚张世新邓贞怀

摘要：中药微生态发酵是将现代生物技术与传统中药炮制相结合形成的中药制药新技术。本文介绍了该技术的基本原理与主要工艺，总结了该技术增加中药有效成分含量、提高利用率、产生新活性成分、减轻毒副作用、节约资源等方面的优势，分析了研究中面临的问题，并对其发展前景进行了展望。

关键词：中药；微生态；发酵

中药以其来自天然、多功能性、毒副作用低、不易产生耐药性等优势，在人类医学、动物医学、食品科学、日用化学等诸多领域得到了越来越广泛的应用，近年来尤其受到关注与重视。由于中药多为仅经过简单物理加工的天然物质，其化学组分复杂，有效成分（部位）不完全清晰，简单的炮制与制剂工艺常使其难于得到充分的利用。为了提高中药利用效率，增强药物效果或调整、修饰药物功能，人们对中药的加工工艺开展了多途径、深层次的研究，如中药有效成分提取、中药超微粉碎、中药微生态发酵等技术的研究都取得了长足的进展，部分技术已应用于中药制剂生产。在中药现代加工工艺研究中，中药微生态发酵技术是相对新兴而活跃的领域。其实，常用的中药神曲（又称六曲、六神曲）就是传统中药炮制的一个发酵产品，但传统的中药发酵方法多凭经验进行，工艺技术缺乏统一标准，导致发酵产品质量参差不齐。随着现代生物技术的日益发展，将发酵工程等现代工艺与传统中药发酵结合起来产生了新的工艺，即中药微生态发酵：通过利用微生物发酵产生的酶与中药中复杂的化学成分发生反应，从而得到与提高其有效成分含量。中药微生态发酵在增强药物疗效、减轻毒副作用、节约药材资源等方面均较传统发酵方法存在显著优势，具有广阔的研究与应用前景。

1中药微生态发酵原理与技术

中药微生态发酵方法基源于中药炮制学与现代微生物学，是将传统炮制方法与发酵工程等现代生物技术相结合而形成的新技术。根据反应体系可分为液体发酵与固体发酵。此后在固体发酵的基础上，近来又产生了药用真菌双向性固体发酵技术[1]。中药发酵的作用机理比较复杂，主要依靠微生物对有机质的转化来实现。中药发酵过程中，微生物会产生纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、淀粉酶等多种次生代谢产物，通过这些活性分子与中药材相互作用，不仅能够在比传统的物理化学方法更为温和的条件下实现对药性的调整，而且可以进一步增强药物疗效、降低毒副作用、扩大用药范围[2]。

1.1 液体发酵

液体发酵又称为液体深层发酵，其技术起源于抗生素的生产工艺。主体是将菌种加入培养基中，进行充分混合后在适宜温度下进行发酵，产品包括菌丝体与发酵液两部分。液体深层发酵生产自动化程度较高，物质传递率高，继承性好，能够提高发酵中药的均一性，理论上能够提高发酵炮制中药的产量，工业化生产较为容易，具有广阔的应用空间[3]。但与抗生素相比，大多数中药并不具有直接的抗菌作用，在发酵过程中容易受到杂菌污染，对生产环节中的工艺要求较高。另外，在目前液体发酵工艺条件下中药有效成分转化率较低，相对成本较高，对药材资源有一定浪费，需要在发酵工艺，尤其是新型发酵罐的设计上进行探索。

1.2 固体发酵

固体发酵与传统中药发酵方法相类似，是以富含营养的农副产品作为发酵基质，利用真菌作为发酵菌种的发酵方法。固体发酵不经灭菌，体系开放，易于控制温度、湿度、酸碱度、通气等培养条件，药材有效成分转化率高于液体发酵，能够较大程度地提高发酵炮制中药的质量，但缺乏科学的发酵终点与观察指标，多数依靠制药人的经验标准来进行判断。我国幅员辽阔，中药的应用遍布全国各个领域，不同地区与企业对同样药材使用不同的发酵方法，缺乏统一标准[4]。同时，开放的体系也造成了发酵菌种的混杂，不利于发酵效果最大化，对产品的卫生质量也有潜在的威胁。相对于液体发酵，固体发酵在大规模工业生产上存在较大困难，从而限制了固体发酵的应用。

1.3 药用真菌双向性固体发酵技术

20世纪90年代由庄毅等在研究扩大槐耳菌质对慢性乙肝等病毒性疾病的临床适应症时，依据中药被曲霉Aspergillus sp.、青霉Penicillium sp.等污染后发酵导致药性变化的原理，独创了药用真菌双向性固体发酵技术，其关键是将传统固体发酵中使用的农副产品替换为具有一定活性成分的中药或药渣，以形成“药-药”发酵体系，称为药用菌质。与使用农副产品作为发酵基质的体系不同的是，药性基质在提供真菌发酵所需营养的同时，自身的组织、性状也会受到真菌的影响，甚至产生新的性味与功能[5]。其优势在于将药用真菌与中药有机的结合在一起，可以产生大量的发酵组合，应用前景广阔。但目前仍缺乏科学完整的理论支撑，还有待于进一步的研究探索。

2中药微生态发酵的优势与作用

中药微生态发酵的本质是利用微生物生长代谢过程中产生的酶对中药材中活性底物进行结构修饰的过程。因微生物种类多、酶系广，利用微生物发酵更易于获得活性更好的中药组分。概括地说，中药微生态发酵的优点有：提高药性、增强药效；降低不良反应；为中药活性成分的修饰提供新途径；以及节约药材资源，保护环境等。

2.1 增加有效成分含量

在王玉红等的实验中，利用液体深层发酵的方法，向灵芝发酵培养基中加入黄芪，结果表明加入黄芪的量对灵芝湿重的影响呈现先增加后减少的单一峰，胞内外粗多糖也在同一位置达到峰值，与对照组相比有显著增加，推测其原因为灵芝胞内存在的纤维素酶系可以利用黄芪中的单糖与纤维素等组分，但过量的黄芪却对灵芝的生长起抑制作用[6]。在汤兴利等的实验中发现预发酵能够提高盾叶薯蓣中薯蓣苷元的产率，通过进一步选择合适的发酵时间与温度，使盾叶薯蓣中薯蓣皂苷元的产量提高了22.7%，但发酵时间长于24 h后则会出现其他杂质[7]。王贞佐等在研究中发现，在虫草培养基中加入中药对菌丝体的生长有明显的刺激作用，并能提高培养基中多糖的利用率：向冬虫夏草发酵液中加入占总体系10%且等份的黄芪、当归、海马、柴胡、焦三仙等中药后菌丝体产量较未加入中药时提高了2.6倍，其有效成分甘露醇的含量提高了5.92倍[8]。蔡琨等通过提取单一发酵菌种，控制淡豆豉进行纯种发酵，将产物与自然状态下发酵得到的淡豆豉进行对比，结果发现纯种发酵的淡豆豉中，染料木素和大豆黄素的含量与自然发酵的产物含量存在显著性差异[9]。

2.2 提高有效成分利用率

目前使用的中药多为植物体或植物的部分组织，其有效成分多存在于植物细胞内。然而植物细胞由于有细胞壁保护，胞内大分子活性物质难以穿过细胞壁，导致中药的有效成分利用率较低。在与微生物共同培养、发酵的过程中，微生物代谢产生的纤维素酶、果胶酶等能够作用于细胞壁并将其破坏，从而使中药的有效成分释放到细胞外，更易被生命机体吸收利用。如徐萌萌等通过研究发现微生物能够利用苷分子中的糖类进行代谢，从而将牛蒡子、甘草、栀子、黄芩中的苷转化为苷元，显著提高药材有效成分苷元的含量，便于人体吸收利用，从而提前起效时间，增强药效——在治疗急性耳廓炎时，经发酵处理的牛蒡子、甘草等药效明显强于未经发酵的生品[10]。在冯志华等的实验中，使用地衣芽孢杆菌C2-13对红花进行发酵，利用C2-13产生的各种糖苷水解酶，将红花中的糖苷类化合物水解为苷元，利用率更高，更易于被人体吸收，而且产物较发酵前羟自由基清除能力与肝氧化物产生的抑制能力均有大幅提高，同时对红细胞溶血抑制率提高了43.75%[11]。

2.3 减轻毒副作用

中药存在的毒副作用与不良反应是制约其广泛应用的一个重要因素。中药的毒性或副作用主要来源于药材中含有的一些毒性大分子及其进入机体后生成的一些刺激性物质。经过微生物发酵过程，微生物中的酶系统可将毒性大分子分解，或对其分子结构进行修饰，达到降低中药毒性、减轻毒副作用的效果。郑利华等使用根霉菌与L-赖氨酸发酵的五倍子治疗溃烂性结肠炎，与未经发酵的生五倍子相比，熟五倍子在显著提高治愈率的同时，发酵生成的大量L-赖氨酸减少了鞣酸与胃肠道内蛋白质结合导致的消耗，提高了五倍子的收敛作用，同时促进了蛋白质的吸收，有效减少了大分子沉淀物对胃肠黏膜的刺激，缓解了服用五倍子后食欲不振的不良反应[12]。

2.4 产生新的活性成分

在中药微生态发酵的过程中，除了多种酶系，微生物代谢过程中产生的其他初级、次级代谢产物也会同药材中的活性成分甚至非活性成分发生反应，生成新的前体化合物，为中药有效成分的人工合成与研制新药提供了新的途径。如李国红等利用枯草芽孢杆菌对三七须根进行发酵，结果在产物中检出五种化合物，其中人参皂苷Rh4在三七中未见报道，原料药中也未检出，可以说明其来自于三七须根与微生物的发酵反应[13]。而王玉红等在将黄芪加入灵芝发酵体系后也在产物中检出了新的相对分子质量较小的活性多糖分子，推测其为在发酵体系中加入黄芪后经药材间相互作用而形成的新组分[6]。

2.5 节约药源

中药微生态发酵不仅能够达到增效、解毒的效果，而且可以利用中药渣作为培养基质，既解决了药渣可能对环境造成的污染问题，又充分利用了药渣中的蛋白质与糖类，达到同时节约生产成本与药材资源的目的。而利用药用真菌组建的发酵体系更存在着组成新型复方的可能，有希望广泛提供新的药用资源，成为未来中药资源研究的热点。香港中医博士吴志勇与内地教授林陆山合作，将黄芪发酵后使黄芪多糖的含量较传统的煎、煮、水提法提高了5倍，且该发酵中药只需1/28的量，即可与一般煎、煮、水提物1份的量发挥同等药效，大大节省了药材用量[14]。王兵等利用白腐菌对中药渣进行固态发酵，不仅降低了药渣中纤维素的质量分数，同时显著提高了蛋白质与氨基酸的含量，将原本作为污染的药渣变为生产蛋白饲料的基质[15]。

3中药微生态发酵技术面临的问题

中药微生态发酵较之传统中药炮制工艺在产量、利用率及药效等方面均有明显进步，是现阶段中药工艺创新的重要研究方向，但仍面临着一些亟待解决的问题。首先，由于中药化学成分的复杂性和作用机理的不明确性，中药的有效成分、某些非有效成分与发酵基质、微生物间的相互作用还有待研究证实。如王林等在实验中发现向灵芝发酵液中加入黄芩、连翘、金银花后，样品生物量明显降低，而加入麻黄、莱菔子后灵芝的生物量明显高于对照组，说明向发酵液中加入不同中药及配比对灵芝生物量的影响差别很大，甚至会表现截然不同的效果[16]。其次，对药用微生物的研究还比较欠缺，菌种的选育是中药发酵的关键，在多数实验研究中多采用枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌或根霉菌等部分菌种，但枯草芽孢杆菌对不同的中药发酵效果也有所不同。根据李国红等的实验结果，在经枯草芽孢杆菌发酵后，部分中药的发酵产物抗菌活性增加，而部分中药的发酵产物抗菌活性却有所降低，如何从自然界中选育、分离并纯化新的药用菌种，怎样根据药材自身特点选择合适的发酵菌种等都还有待进一步研究[17]。第三，确定最适发酵条件与终点，寻找发酵过程中科学的观测指标，建立中药筛选模型与多维评价体系，也是中药微生态发酵的技术难点之一[18]。

4中药微生态发酵技术展望

中药微生态发酵技术是现代生物技术与传统中药工艺研究的有机结合，在新药、新兽药开发与中药现代化、国际化过程中占有重要地位。该技术目前总体仍处于起步阶段，存在着巨大的发展空间。从基础理论方面看，现阶段对中药微生态发酵的研究局限于单一中药与单一菌种的相互作用，缺少从生物化学及分子生物学角度将特定菌种（酶系）与其作用的有效成分（苷类、有机酸、生物碱等）按类别归纳分析的工作，而这项研究却能够作为中药微生态发酵技术的理论纲领，作为构建最适发酵体系的指导。从药理方面看，目前对发酵过程中药材间相互作用机理的研究还比较欠缺，而应用中药微生态发酵制品的中药单方、复方也为数不多，投入临床观察与生产的发酵新药更是寥寥无几，但随着中医药理论与现代科学的接轨，将会有越来越多的中药发酵产品投入临床应用[19]。从工艺方面看，利用发酵工程的前沿技术选育优良工程菌，探索最优药材与菌种发酵组合，将会在最大限度上提高产率与药效。另外，对多菌种混合发酵模式的尝试成为近期热点内容，该技术将会极大地提高产品质量稳定性、可控性，提高产品的药效与安全性[20]。从产品方面看，作为微生态制剂主要成分的许多菌种，如双歧杆菌、乳酸菌等在中药发酵方面也有巨大的潜力，将中药发酵与微生态制剂有机结合，形成新的集治病、防病、保健于一身的中药微生态产品，而不仅仅局限于利用微生物的发酵作用，也是中药微生态发酵的重要发展方向。我们在生产实践中，积极探索开发了部分微生态发酵的中兽药产品，投放市场后获得了满意的效果，得到普遍好评。综上所述，随着现代生物技术的发展与中药工艺创新的进步，中药微生态发酵技术将在越来越多的领域发挥重要作用，发酵中药也将凭借其独特的优势为保障人类健康、防治畜禽疾病与维护食品安全做出重大贡献。■（编辑：何芳）

参考文献

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