微生物发酵中药研究进展

宋予震，史洪涛，范明夏，夏艳勋，边传周，乔宏兴

(河南牧业经济学院动物医药学院，河南郑州 450046)

微生物在自然界广泛存在，益生菌作为有益微生物在动物生产中发挥着独特作用，如提高动物生产性能、产生有益代谢产物、提高机体抗病能力、降低死亡率、调节肠道菌群平衡等。中药是我国的国粹，中医药文化博大精深，在畜牧生产上具有治未病、降低耐药性、减少药物残留、绿色环保等优点。微生物发酵中药历史悠久，因其具有独特的优势被广泛应用。随着现代畜牧业的发展，微生物发酵中药将会成为新兴的抗生素替代品。

1 微生物发酵中药概念及起源

关于微生物发酵中药的历史源远流长，就是借助微生物作用，在适当的接种量、温度、时间、湿度等条件下对中药进行发酵，一方面中药在发酵过程中会发生一系列的生化反应，从而引起中药的活性成分发生改变；另一方面中药的某些成分通过诱导微生物代谢途径改变产生新的活性物质[1-2]。汉晋时期，汉医经典著作《金匮要略》中就出现了关于发酵中药“神曲”的详细记载；北魏期间，贾思勰的《齐民要术》、《肘后方》 等古代医学典籍中就有对天然发酵炮制方法及应用的描述[3-4]；在倪朱谟的《本草汇言》中也记录了多种天然发酵而成的有效中药，如采云曲、沉香曲、半夏曲、红曲、建神曲等[5]。中国古代医学书籍对发酵炮制药物记录众多，而被《中国药典》收录的仅有半夏曲、百药煎、淡豆豉和炒六神曲4种。随着微生物学、发酵中药学、基因工程学等交叉学科发展，为传统微生物发酵中药方式引入了新的技术手段，研究范围不断扩大。同时，发酵所需要的条件、成分检测、产品质量更加稳定可控[5]。鉴于微生物发酵中药机理尚未阐明，而且生物界还有许多有待系统研究的微生物，该领域具有很大的研究空间。因此，将传统中药与现代生物发酵技术有机结合而发展起来的新型制药技术已成为行业研究的热点。

2 中药发酵后作用的变化

2.1 提高中药有效成分的利用率

中药发挥药理药效作用的有效成分主要存在于细胞间质包裹的胞浆和植物细胞壁中，而细胞壁是由不同纤维和胶质类物质组成的细胞外结构。因此，在中药提取过程中需要克服多重阻力，才能将胞浆中的有效活性成分释放出来[6-7]。微生物酶系种类繁多且酶活力强，主要包括纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、果胶酶等，这些酶能将植物细胞壁中的纤维素、半纤维素及果胶等致密结构成分分解利用或转化为其他成分，使植物细胞壁的结构变疏松，细胞间隙增大，有效成分释放阻力减小，易于从细胞内析出，从而极大地简化提取步骤，提高中药提取率[8]。贾艳姝[9]将黄芪经保加利亚乳杆菌发酵，结果发现与黄芪粉煎煮液相比，黄芪发酵后总黄酮增加了近14%，总皂苷增加了20%以上。结果表明，黄芪经发酵后能显著提高有效活性成分的析出率。

2.2 产生新的活性成分

微生物结构简单，但产酶丰富，具备超强的合成转化功能且能生成大量的次级代谢产物。在其生长繁殖和新陈代谢过程中能催化中药生成多种新物质，进而产生新的药理活性。中药人参在发酵过程中可将人参皂苷中的大分子糖苷进行目的性水解，从而生成具有高效生物活性的小分子苷元和皂苷。例如，红参浸膏经细脚拟青霉(Paecilomycestenuipes) 发酵后其中的人参二醇型皂苷能转变为人参皂苷F2、Rk1、Rh2、Rg3、Rg5和C-K[10]。张玲等[11]用微生物发酵鬼针草茎、叶后总黄酮中HPLC指纹图谱有较明显的改变，各吸收峰相对率有较显著的改变。说明鬼针草茎、叶经微生物发酵后其总黄酮中某些化学成分发生了生物转化，其化学成分的组成有较显著的变化。

2.3 降低毒副作用

有些中药在拥有较强生物活性的同时也具有一定的毒副作用，这在很大程度上限制了中药的推广和普及。而采用微生物发酵的方法可降低中药的毒性，对其有毒成分进行修饰，或其毒性成分如生物碱类、苷类、毒蛋白类、金属元素等被微生物分解转化，使毒性降低或消失。朱舟等[12]利用双向发酵技术对天南星与白僵菌进行处理得到抗惊厥力较高、毒性较小的产物，达到减毒增效的目的。

2.4 增强中药药效

中药成分结构复杂，很多大分子活性物质不能直接被机体吸收利用。在发酵过程中，通过微生物强大的分解功能将大分子活性物质降解为有效的小分子活性物质，有利于透过机体的屏障系统与相关细胞蛋白结合，从而被机体吸收利用，提高中药的作用效果[13]。陈永强等[14]研究证明，β-葡萄糖醛酸酶能将甘草中的甘草酸转化成甘草次酸，从而被消化系统直接吸收利用，使机体在短时间内达到较高的血药浓度，并迅速作用于靶器官，从而发挥甘草的消炎、止痛作用。

2.5 节约药材资源，保护生态环境

经提取利用后的中药药渣常常被废弃，不仅浪费资源，并且污染环境。通过益生菌发酵中药技术，以中药残渣作为培养基质进行发酵，在满足微生物营养需求的同时，又能充分释放中药的有效成分，产生新的药理作用，同时减少中药残渣对环境的污染，在提高中药资源利用率的同时降低生产成本。李秀颖等[15]将黄姜药渣与其他成分混合制成固体发酵培养基，并添加胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌等益生菌进行生物发酵，得到了成本低廉、环保安全的生物有机肥料。因此，利用发酵技术不仅使药渣重新被合理利用，避免资源浪费，而且还保护了生态环境。

3 中药微生物发酵的方式

中药微生物发酵方式有固体发酵、液体发酵和双向固体发酵技术[16]。固体发酵是一种相对完善的发酵工艺，具有悠久的历史，其设备简单且操作方便。在自然开放的条件下以单一或多种真菌对农产品或某些中药材进行发酵。虽然固体发酵有很多独特的优势，但因其工艺存在一定局限性，比如培养体系开放，发酵速度慢且缺乏科学的评判标准，很难实现大规模批量生产[16]。刘洋等[17]用粪肠球菌等多种复合菌种对益母草和王不留行进行固体发酵，并测定有效活性成分的含量，探索发酵后中药活性成分变化情况。结果显示，与未发酵组相比，发酵后中药可溶性总黄酮提高了约55%，总生物碱提高了约127%，粗多糖提高了约55%，总皂苷提高了近50%。

液体发酵时间短，生产条件易控、生产成本小、易实现机械自动化、具有工艺扩大等优点，因而具有广泛的应用前景。但液体发酵对发酵条件及生产工艺要求高，在发酵过程中污染几率较大[16]。梅建凤等[18]将分离到的一株黑曲霉JH-2菌株接种液体培养基并与积雪草粉进行液体发酵，使积雪草苷转化为积雪草酸，与未转化的对照组相比，质量分数提高3.03倍。

20世纪80年代后期，在固体发酵基础之上发展起来的一种真菌与中药有机结合的发酵工艺，称为双向固体发酵技术。是将含有部分活性物质的中药或残渣与有益菌种进行发酵。在此过程中，一方面中药材能为真菌提供所需营养物质，使菌体大量繁殖；另一方面因真菌生长产生的各种酶的影响，使真菌代谢产物或细胞因子与中药材自身结构进行互作而改变其原有成分，产生不同的性味功效，从而决定了其具有双向发酵性[16]。朱舟等[19]将天南星用白僵菌进行固体双向发酵，结果显示，天南星的形态和性状都发生改变，其毒性大大降低，生品天南星的半数致死量(LD50)显著降低。因不同药用菌的酶体系不同，以及不同药材品种繁多，成分差异大，实现真菌与药材的有机结合发酵还缺乏完整的科学理论依据做支撑，仍然需要进一步论证，但双向性发酵技术将会成为中药发酵领域的一颗冉冉新星。

4 发酵中药存在的问题

目前，利用现代生物科学技术对中药进行生物转化在畜牧、医疗保健等行业已成为研究热点。通过微生物发酵中药能促进有效成分的分解转化，在保护中药成分免受物理工艺造成破坏的同时，增强中药药效、提高中药有效成分析出效果[13]。然而，发酵中药作为一种新型制剂，在理论研究和生产工艺方面尚不完善。缺乏规范性的质量标准，如中药品种繁多、成分复杂多样、发酵机理不明确、微生物代谢多样性等都制约着中药发酵技术的发展，影响发酵中药工艺控制和临床应用效果。

4.1 中药发酵作用机理不明确

虽然检测技术越来越先进，但中药成分复杂，从中药成分的角度研究发酵中药其机理仍然不清楚。中药发酵前后活性物质变化较大，但在发酵过程中究竟转化利用了哪种物质，以及产生了哪种新成分还有待进一步研究[20]。发酵中药的药理药效学研究能更直接说明发酵工艺对中药的影响，未来需要进一步的深入研究。

4.2 优良发酵菌种的选择

菌种是发酵中药的重要前提和核心，目前常用于畜牧业发酵的菌株主要有芽孢杆菌、乳酸菌、酵母菌和部分霉菌。微生物种类繁多，且产生的酶体系各不相同，微生物代谢利用的物质也不尽相同。但并非所有的菌种都适合发酵，因此根据不同中药选择合适的发酵菌种，使发酵后中药药效增强、有效成分析出率提高、毒副作用降低、产生新的活性成分，使药物利用率达到最大，还需要充分的试验研究论证[20]。例如，在传统发酵淡豆豉过程中一般选择自然菌，而内生真菌通过发酵可能会产生某些抗癌成分[21-22]。

4.3 发酵中药材的选择

在微生物发酵过程中并不是所有的中药都适合发酵，有研究用芽孢杆菌(Bacilllussubtilis)对几十种药材进行生物发酵，检测其抗菌活性的特征。结果发现，并非所有中药都适合发酵。连翘、半夏曲、六神曲等药物通过发酵活性加强，而大部分药材的药效在发酵后没有明显改变，而少数中药经发酵后其药效却显著下降，因此需要通过大量的基础研究筛选中药作为发酵原料[20]。

4.4 中药发酵工艺参数的选择和控制

在微生物发酵中药工艺中影响发酵过程变化的因素有很多，包括物理参数，如温度、空气流量、浊度等；化学参数，如pH、产物含量、溶氧量等；生物参数，如菌体比生长速率、基质消耗速率、关键酶活力、接种量等三大类。怎样根据药材、菌种等特点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，在不断进行工艺优化中提高生产效率，也是微生物发酵工艺难点之一[23]。

4.5 中药发酵模型的筛选和建立

目前，利用微生物发酵中药是提高中药药效的有效途径，但药材自身特点合适不同发酵菌种与不同中药材如何组合是发酵的关键。通过对不同发酵菌、发酵产物以及中药有效成分进行研究来筛选不同中药材和不同发酵菌种组合进行发酵，在大幅度减少成本的同时还增加中药药效，是未来中药发酵的新途径，可实现中药与微生物最优组合的应用[20]。

5 发酵中药在动物生产上的应用

发酵中药是益生菌、中药和代谢产物的组合，根据目前养殖业规模化、集约化的发展趋势，发酵中药以“治未病”为原则，通过增强动物的生理机能和免疫力，达到提高动物生产性能、不发病或少发病的目的。

乔宏兴等[24]在肉鸡饲料中添加适量的发酵黄芪进行饲喂。结果显示，与黄芪组相比，肉鸡平均日增重显著升高，料肉比下降。且血清中谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)、过氧化氢酶(catalase,CAT)和超氧化物歧化酶总活力(tatol superoxide dismutase,T-SOD)活性升高，进而增强肉鸡的抗氧化水平，因此发酵黄芪能改善肉鸡生产性能和抗氧化机能。史同瑞等[25]在蛋鸡日粮中添加2 g/kg的解淀粉芽孢杆菌SSY1株发酵黄芪，结果发现能提高蛋鸡的综合产蛋率，提高蛋重，降低料蛋比，改善鸡蛋品质，增强蛋鸡的抗氧化性能，提高蛋鸡健康水平。

赵圣振等[26]用植物乳杆菌和屎肠球菌混合固体发酵黄芪样品，以不同量添加于35日龄断奶仔猪基础日粮进行饲喂，结果表明，与抗生素组相比，料肉比下降约6%(P<0.05)，日增重提高近20%(P<0.05)，采食量增加约12%(P<0.05)，IgA和IgG分别提高约22%(P<0.05)和30%(P<0.05)。韩宇等[27]给断奶仔猪饲喂添加发酵黄芪的基础日粮，发现与空白对照组相比，发酵制剂能有效提高猪只日增重、增强机体抗病力；与抗生素对照组相比，发酵制剂能显著改善仔猪健康状况，降低仔猪腹泻率，提高成活率。

6 展望

随着畜牧业的发展，限抗、禁抗工作正有力推进，寻找一种绿色、安全、高效的抗生素替代品是畜牧业的重要研究方向。益生菌发酵中药是借助于微生物在一定条件下对中药进行生物转化，提高中药药效。同时，微生物在代谢过程中能产生丰富的代谢产物，维持肠道菌群平衡，提高动物机体的健康度。此外，益生菌发酵中药安全高效、绿色环保的优点奠定了其在畜牧生产中广泛应用的基础。益生菌发酵中药将会成为抗生素的首选替代品。