现代中药发酵技术及其优势

2014-08-15史同瑞朱丹丹

中兽医学杂志 2014年1期

史同瑞，刘宇，王爽，王岩，朱丹丹，李丹

（黑龙江省兽医科学研究所，黑龙江齐齐哈尔161006）

发酵是中药炮制的一种重要方法，近年来，有关应用现代生物技术发酵中药的研究越来越多，本文综述了现代中药发酵技术的概况及其优势。

微生物具有强大的分解和转化物质的能力，并可产生丰富的次生代谢产物，发酵中药作为中药一种炮制加工工艺已具有悠久的历史。发酵中药是利用微生物发酵转化中药，其工艺反应条件温和，中药制剂高效、低毒、低残留。传统的中药发酵仅是利用自然界的自然菌种进行发酵，菌种不纯，且操作方法原始粗放，劳动强度大，生产力低下，不能利用现代研究成果定向改变药物的性能，或有意识地根据药物之间的特性进行有目的的组合，因此，应用现代生物技术发酵转化中药已成为中药现代化的研究热点。

现代中药发酵技术，又称中药生物转化技术，是在继承传统中药发酵炮制方法的基础上，结合现代微生态学、生物工程学、发酵工程技术等学科，形成的中药现代化制药新技术。现代中药发酵技术的研究起步于20世纪80年代，当时中药发酵技术的研究多为单味中药发酵，且主要集中在真菌自身发酵方面，如灵芝菌、冬虫夏草菌丝体发酵产生次生代谢产物。目前中药发酵的研究已从单味药发展到复方药，且发酵中药制剂能更大程度地改变药性，提高疗效，降低毒副作用，扩大适应症[1]。

1 中药发酵分类

中药发酵技术是在继承传统中药发酵炮制方法的基础上，吸取现代生物技术而形成的高科技中药制药新技术。根据发酵培养基的状态，现代中药发酵技术分为液体发酵和固体发酵两类。液体发酵，又称为液体深层发酵，是在借鉴抗生素生产工艺基础上发展起来的，液体发酵是把菌丝体加入培养基与药材混合物中，置适温发酵，其发酵产品包括菌丝体和发酵液。液体发酵传质效率高，成本低，易实现自动化，所以有利于实现大规模工业化生产[2]。

固体发酵源自古代的制曲工艺，以富含营养成分的农副产品为营养基质，用一种或多种菌作为发酵菌种，在一定条件下进行发酵。其发酵自然开放，基质不灭菌。虽然固体发酵制剂的效果并不亚于深层发酵，但其工艺存在一定的局限性，如机械化程度低，难以大规模生产，发酵速度慢，产量有限，且生产过程多依据经验判断，缺乏科学的发酵终点，以及与质量控制指标和合理的产品后处理工艺[3]。

20世纪80年代后期，庄毅等[4]建立了一种使真菌与中药有机结合的复合型中药生产工艺，称为新型固体发酵，也称双向性固体发酵。新型固体发酵是采用具有一定活性成分的中药或药渣作为药性基质，替代传统的营养型基质，与发酵菌种构成发酵组合，具有活性成分的药性基质既能提供真菌所需营养物质，大量生长繁殖菌体，又能因真菌酶的影响而改变其原有组织成分，产生新的性味功能，因此它具有双向性。

2 中药发酵优势

2.1 保护中药活性成分免受破坏

微生物发酵是在常温、常压等较为温和的条件下进行的生长代谢和生物转化，故能最大限度地保护中药活性成分免遭破坏，特别是对热敏感的芳香类挥发油、蛋白质、维生素、氨基酸、微量元素等活性成分，如薄荷、当归等中药，解决了中药在煎、煮、熬、炼、蒸、浸等传统加工工艺中,活性成分易于破坏的难题。吴志勇等[5]应用生物工程技术发酵中药黄芪，结果发现，发酵黄芪所含黄芪多糖是普通煎、煮、熬水提法的5倍，等量黄芪发酵药效约是一般煎、煮、熬水的28倍。

2.2 叠加发酵益生菌功能

微生态中药制剂是根据中医药学、医学微生态学、微生物学、营养学等学科理论，在传统中药制剂的制备中，引入益生菌等有益微生物发酵中药，并采用酶水解菌种培养基等现代生物技术生产中药制剂。由于正常微生态菌能够参与机体的多种生理功能，如糖、氮质、脂类、无机盐代谢和维生素等物质的合成，增强机体抗病力，同时还能提高机体对中药的吸收和利用，因此应用微生态菌发酵中药，可集发酵中药制剂和微生态制剂双重功能，其临床效果优于常规微生物发酵制剂[6]。元红梅等[7]随机将86例高胆红素血症新生患儿分为两组，治疗组联用微生态活菌制剂与中药颗粒剂，基本处方为茵陈、栀子、大黄和甘草等，结果治疗组的疗效明显优于采用常规疗法的对照组(P＜0.01)，试验结果说明，微生态制剂与中药联合治疗新生儿高胆红素血症，具有协同作用，且疗效确切。

2.3 环保节能

应用常规方法提取中药有效成分后药渣常被废弃，不仅污染环境，也浪费了中药资源，而利用微生物发酵中药，可使中药充分释放有效成分，提高其有效成分的含量，因此，在临床用药中可以减少中药的使用量，节约中药资源，实现既节能环保，又可废物再用的目的。由于微生物在生长过程中能分泌一系列的酶，应用微生物发酵中药，能将中药中的纤维素、木质素类等大分子物质降解，同时也可将中药转化为菌体蛋白和多糖等，因此，发酵中药均能被利用，不仅具有较高的营养价值，而且还可增强机体的免疫功能。王建芳[8]等利用香菇对中药废渣进行固态和液态发酵，结果表明，无论是液态发酵，还是固态发酵，香菇发酵中药废渣均能提高粗蛋白和可溶性多糖含量，降低纤维素含量，使中药废渣的营养价值明显提高。

3 微生物在中药发酵中的作用

3.1 提高中药有效成分提取率

中草药的有效成分大多包裹在中药材的细胞壁内。植物细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶质、木质素等构成的致密结构。在中药有效成分提取过程中，当胞内中的有效成分向提取介质中扩散时，需要克服细胞壁及细胞间质的双重阻力。应用微生物发酵中药时，微生物可利用中药成分作为营养物质进行生长、繁殖和代谢，微生物代谢过程中分泌的蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、脂酶等胞外酶，使细胞破裂，从而利于中药有效成分从胞内释放，使中药有效组分、活性物质最大限度地得以提取和利用。

3.2 降解中药大分子物质

中药活性成分大多结构复杂，在发酵中药过程中，微生物的生长代谢具有强大的分解转化能力，能将许多不能直接吸收利用的大分子有效活性物质降解为小分子活性物质，小分子活性物质可通过血脑屏障，并与机体的细胞蛋白结合，从而易于机体对有效成分的吸收和利用，提高中药的治疗效果，因此，发酵中药具有更高的生物活性[9]。陈永强[10]等研究发现，甘草经微生物产生的β-葡萄糖醛酸酶水解后，可将甘草酸转化为甘草次酸，甘草次酸能被肠道直接吸收，短时间内即可在血液中达到较高的药物浓度，并迅速作用于靶部位，同时通过微生物的作用，甘草的细胞间质及细胞壁被分解，促进了甘草其它有效成份的释放。应用效果证实，经微生物发酵甘草的抗炎、镇痛效果显著增强。

3.3 产生新的活性物质

在微生物发酵中药过程中，中药某些成分可能对微生物的生长代谢及其活性成分的产生有促进或抑制作用，而微生物在中药特殊环境中也有可能改变自身的代谢途径，在生长过程中产生丰富的初生或次生代谢产物，有些代谢产物自身就是功效良好的药物，此外，以中药一些成分为前体，经酯化、氧化、葡萄糖基化、异构化、甲基化、去甲基化、乙酰化等多种生物转化途径，可生成新的化合物[11]。李国红等[12]应用枯草芽孢杆菌对三七根进行发酵，在对发酵中药的皂苷成分研究时发现，从发酵后的三七中分离出被微生物转化的人参皂苷RH4。这种化合物在发酵前未被发现，说明这种化合物是通过发酵新产生的，究其原因可能是在发酵过程中，三七须根的某些皂苷被微生物转化为人参皂苷RH4。王玉红等[13]在灵芝的发酵液中加入黄芪进行发酵，结果发现，发酵液中多糖组分发生变化，推测有可能有新化合物产生。

3.4 降低中药毒副作用

微生物的分解转化作用有可能将中药中的有毒成分，如生物碱类、苷类、内酯类、蛋白类、重金属等成分进行分解，或对中药有毒活性成分进行结构修饰，从而降低中药的毒副作用[14]。大黄生用时泻下作用峻烈，易引起腹痛、恶心等胃肠道反应。大黄泻下成分主要是结合型蒽醌衍生物，其中以二蒽醌番泻苷作用最强。在中医临床中为缓和大黄的泻下作用，以及对胃肠道的不良反应，常用不同的炮制方法，将结合型蒽醌分解破坏，从而缓和泻下作用和其它副作用。研究表明，用酵母菌发酵大黄，可以使大黄中等总蒽醌含量有所降低。结合型蒽醌含量降低，分离型蒽醌含量增加，可以起到减毒增效的作用[15]。王兴红等[16]研究证实，菜籽饼、棉籽饼经微生物发酵后可以脱去有毒物质。

4 中药发酵的关键技术

4.1 筛选适合发酵的中药

中药是发酵的基本物质，发酵中药包括单味中药或复方中药，筛选针对某一活性功能的发酵中药材是开发中药发酵制剂的技术基础。李国红等[17]曾利用枯草芽孢杆菌对50味中药进行发酵，检测发酵产物及原中草药对结核分支杆菌和榛色青霉菌的抗菌活性。结果表明，连翘等中药发酵产物的抗菌活性出现增强，而苦参等中药发酵产物的抗菌活性则降低，其它中药的活性未见变化，本试验说明并非所有发酵中药均能增加疗效，研发发酵中药制剂，应选择适合发酵，且能增加药性的中药。

4.2 选育优良发酵菌种

选育优良发酵菌种是发酵中药的技术关键。微生物的生物多样性为中药发酵提供了丰富的可供选择的菌种，不同微生物具有不同的生物特性，对中药发酵可能产生不同的效果。真菌不仅具有种类多、次生代谢产物多、培养条件简单等特点，而且还能产生分解纤维素、淀粉、蛋白质、脂类等营养物质的酶类，对天然培养基具有较强的分解利用能力，是发酵中药的主要功能菌。

传统中药发酵多用自然菌，如中药淡豆豉，目前发酵中药多采用单一菌种纯种发酵。除了在自然界分离筛选具有优良发酵性能的发酵菌种外，还可利用物理和化学诱变技术、原生质体融合技术、基因工程技术进行优良菌种的选育[18]。蔡琨等[19]用纯种细菌发酵淡豆豉，以染料木素和大豆黄素为指标检测主要发酵后的有效成分，结果证实，纯种细菌发酵可以保证淡豆豉生产的稳定性和产量的提高。

4.3 优化中药发酵条件

为了提高发酵菌种的转化水平，获得发酵中药更多目的产物，应加强培养基、温度、湿度、发酵时间等条件的优化，制定科学的发酵工艺。不同中药木质素、纤维素、半纤维素的含量差异较大，只有筛选适宜菌种、培养基、发酵温度等工艺条件，才能确保发酵菌种最大限度地利用以中药材为主要组分的培养基，释放和产生更多的目标物。沈维铎等[20]应用单因素试验和正交试验，对香菇液体培养基配方及其发酵培养条件进行了优化。实验结果表明，应用含马铃薯20%、葡萄糖2.0%、酵母粉2.0%、黄豆粉4.0%、木屑4.0%、KH2PO4 0.2%、MgSO4 0.15%，pH5.5的培养基，当液体培养基装量为发酵容器70%，液体菌种接种量为培养基量的15%，在环境温度25℃中，以150r/min搅拌速度发酵培养3d，该工艺生产的香菇菌丝产量最高。

4.4 活性成分与药理模型筛选

中药自身成分复杂，中药的药理作用是一个涉及多成分、多靶点、多途径的作用过程，同时加之中药发酵微生物生长特性的多样性，中药发酵后会产生许多化合物，从复杂的发酵产物中分离出有效成分是确定发酵中药药效的关键，而合理的药理模型是发酵产物活性成分筛选，以及建立中药多靶点作用模式的重要保障。徐萌萌等[21]研究表明，苷类中药需经肠道中的微生物转化为苷元后方能产生药效。通过模仿肠道微生物转化苷的过程，利用微生物体外发酵产生的酶系转化苷类中药，建立苷类中药体外微生物转化模型，在体外把原型药物苷转化为人体能迅速吸收的有效成分苷元，可有效提高活性成分的生物利用度。试验表明，建立体外模型将药材中的苷类成分转化为中间体苷元，过程简单，成本较低，不但可以将中间体开发为新剂型，而且也符合中药炮制现代化的客观要求。

迄今，众多的研究已经表明，发酵中药是现代生物技术和中药研究的完美结合。利用微生物发酵中药，能提高发酵中药制剂活性成分等含量，增强疗效，改变原有性能。随着现代科学技术和现代医药产业的发展，生物发酵中药将具有更加广阔的发展空间。

[1]庄毅.菌质―—中药的一个新领域[J].中药新药与临床药理,1992,3(2):49-51.

[2]庄毅.中国药用真菌的现状与展望[J].中国食用菌,2005,24(5):3-5.

[3]周选围,陈文强,邓百,等.生物技术在药用真菌资源开发与保护中的应用[J].中草药,2005,36(3):451-455.

[4]庄毅.药用真菌新型(双向型)固体发酵工程[J].中国食用菌,2002,21(4):3-6.

[5]吴志勇.发酵中药一现代生物技术与传统中药配方的结合[J].现代中医药,2003,2:22-27.

[6]黄叶.试论微生态中药制剂开发意义与实践[J].中国药业，2012,21(10):11-14.

[7]元红梅.微生态活菌制剂与中药颗粒剂联合治疗新生儿高胆红素血症疗效观察[J].中国实用医药,2009,23(4):136-137.

[8]王建芳,徐春,徐萌萌,等.利用香菇发酵中药废渣提高利用价值的研究[J].四川大学学报(自然科学版),2007,44(2):451-454.

[9]赵雯玮,陈祥贵,李鑫,等.微生物发酵在中药研究中的应用[J].生命科学仪器,2008,6(10):3-5.

[10]陈永强,徐春,徐凯,等.微生物发酵转化甘草提高其药效的研究[J].四川大学学报(自然科学版),2007,44(4):5-8.

[11]Amachandra SR,RavishankarGA.Plantcellcultures:Chemical Facoriesofsecondarymetabolites[J].Biotechnology Advances,2002,20(2):101-103.