人参皂苷化学转化与生物转化研究进展

陈思键， 吴冬雪， 刘淑莹,2， 赵幻希*， 修 洋*

(1.长春中医药大学吉林省人参科学研究院，吉林 长春 130117；2.中国科学院长春应用化学研究所，吉林 长春 130022)

人参为五加科植物人参PanaxginsengC.A.Mey.的干燥根和根茎，主产于中国东北、韩国、俄罗斯远东等地区，是我国的新资源食品和药食同源的中药材品种。人参被收录于2020年版《中国药典》[1]。《美国药典》也收录了人参的贮藏条件和饮食摄入量等信息[2]。人参含有多种化学成分，如人参皂苷、人参多糖、挥发油、氨基酸、多肽、蛋白质等[3]。其中，人参皂苷是人参的主要活性成分，具有调节血糖[4]、抗肿瘤[5]、抗应激[6]、保护神经[7]等活性。人参皂苷由皂苷元和糖基取代基组成，葡萄糖、木糖、阿拉伯糖和鼠李糖连接在皂苷元的C-3、C-6和C-20位。人参皂苷根据皂苷元的不同可分为3类，包括原人参二醇型，如人参皂苷Rb1、Rc、Rd等；原人参三醇型，如人参皂苷Re、Rf、Rg1等；齐墩果酸型，如人参皂苷Ro等。原人参三醇型和原人参二醇型结构的区别在于原人参三醇型的C-3位连接羟基，C-6位连接糖基取代基，而原人参二醇型的C-3位连接糖基取代基，C-6位无取代基。目前已从人参中分离鉴定出百余种人参皂苷，根据含量高低可以分为主要人参皂苷和稀有皂苷[8]。

主要人参皂苷在动物体内通常代谢为稀有皂苷，稀有皂苷的生物活性通常高于主要人参皂苷[9]。如表1所示，稀有人参皂苷Rg3和C-K具有舒张血管、抗氧化、抗过敏、保护肝脏等活性[10-12]。稀有人参皂苷Rh2能够抑制B16-BL6黑色素瘤细胞生长并刺激黑色素生成[13]。然而，人参中稀有皂苷的含量极低，很难通过提取分离的方法获得。转化主要人参皂苷是制备稀有皂苷的重要手段。

表1 稀有人参皂苷的药理活性

如图1所示，主要人参皂苷与稀有皂苷的结构差异为皂苷元连接的糖基种类、数量以及烯烃支链的结构不同。基于这种结构差异，建立了多种去除糖基取代基和改变烯烃链结构的方法，将主要人参皂苷转化为稀有皂苷，转化途径见图2。人参皂苷转化的本质是催化反应，根据催化剂的种类，可以将人参皂苷转化分为化学转化和生物转化。化学转化通常以无机或有机酸、碱等作为催化剂，通过人参皂苷在酸、碱环境中发生去糖基化等反应生成稀有皂苷。生物转化通常利用糖苷酶和微生物等生物催化剂定向水解糖苷键，制备稀有皂苷。由于不同类型皂苷元的结构差异，人参皂苷转化的反应物和产物都仅限于同一类型的皂苷，不同类型的人参皂苷不能互相转化。本文从化学转化和生物转化2个角度总结了目前人参皂苷转化研究领域的代表性工作，探讨了2种方法的优点和局限性。

图1 原人参二醇型(A)和原人参三醇型(B)型人参皂苷结构

图2 原人参二醇型(A)和原人参三醇型(B)型人参皂苷的转化途径

1 化学转化

化学转化是制备稀有皂苷的最初方法，Miyamoto等[23]报道了人参皂苷在酸性环境中的化学降解。目前，化学转化主要有酸催化、碱催化和其他催化方法。

1.1 酸催化 常用的酸性催化剂包括盐酸、酒石酸、甲酸、乙酸等。Bae等[24]以原人参二醇型皂苷为反应物，利用0.1%或1%醋酸、柠檬酸、乳酸、酒石酸、盐酸进行水解，最终转化得到人参皂苷20(S)-Rg3。孙成鹏等[25]利用酒石酸水解原人参二醇型皂苷，得到20(R)-Rg3，最高转化率为50.15%。Wu等[26]利用在50%甲醇水溶液中添加甲酸调节pH为2.0，加热至60 ℃转化原人参三醇型人参皂苷Re、20(S)-Rg2和20(S)-Rf。共转化得到11种稀有皂苷。Teng等[27]以三七总皂苷为反应物，利用乙酸-乙醇(1∶1)水解得到15种已知的和5种新的达玛烷型皂苷。

除了传统的酸性催化剂，近年来还出现了利用杂多酸及其复合物催化转化人参皂苷的研究。杂多酸比传统酸催化剂的质子酸性更强，酸催化活性更高。Cao等[28]比较了硅钨酸、硅钨酸与环糊精复合物和甲酸等3种酸性催化剂对人参皂苷Rg1的催化转化作用。结果表明，硅钨酸能转化Rg1获得20(S)-Rh1和20(R)-Rh1，其转化效率高于甲酸400倍。Xiu等[29]利用12-磷钨酸转化人参皂苷Re，并采用HPLC-MSn/HRMS技术鉴定了8种转化产物。通过化学转化获得了具有“3β，12β，25-三羟基-达玛-20(21/22)-烯”皂苷元结构的稀有皂苷25-OH-Rg6和25-OH-F4。在结构鉴定的基础上总结了人参皂苷化学转化的主要途径，包括去糖基化、差向异构化、消除、水合等反应，并发现碳正离子是影响各转化途径的主要因素。李雪等[30]进一步研究了杂多酸催化转化原人参二醇型人参皂苷Rb1的产物与途径。全部10种转化产物的转化途径与文献[29]结果相近。不同的是其还得到了2种环合反应产物(20S,25)-环氧-Rg3和(20R,25)-环氧-Rg3。不同于传统的均相酸催化反应，杂多酸可从反应体系中萃取分离，为人参皂苷的化学转化提供了新的方法。

酸催化方法操作简单，催化剂廉价易得，适合于工业生产，但是通常伴有多种副反应，转化产物较多，选择性较差[31]。如何提高酸催化反应的选择性仍需要进一步研究。

1.2 碱催化 碱催化转化人参皂苷的常用催化剂主要为氢氧化钠、甲醇钠等。Ma等[32]研究了氢氧化钠水溶液水解人参茎叶总皂苷的产物，从中分离得到了12个已知化合物和2个新的达玛烷型皂苷。李绪文等[33]使用氢氧化钠和甘油转化西洋参叶总皂苷，转化产物为20(S)-Rh2。Cui等[34]研究发现，甲醇钠的正丁醇溶液可水解绞股蓝皂苷得到20(S)-原人参二醇。Im等[35]研究发现，在吡啶等非质子极性溶剂中加入甲醇钠也可转化人参皂苷得到原人参二醇和原人参三醇。

与酸催化相比，碱催化方法也具有操作简便、催化剂廉价易得的特点，并且产物种类较少，转化反应选择性较高。但碱催化对反应温度、pH要求较高，催化剂种类较少，并且转化效率低于酸催化方法，研究报道相对较少。

1.3 其他催化法 Bai等[36]建立了一种利用微波辐射转化主要人参皂苷获得稀有皂苷Rg3、Rh2、20(S)-原人参二醇的方法。在中性、酸性、碱性溶液和N，N-二甲基甲酰胺中，西洋参叶总皂苷的转化率最高为78.11%。微波促进了酸碱催化转化反应的进行，即使在中性溶液和DMF中也可以有效转化人参皂苷。

Jin等[37]研究了硫磺熏蒸人参对人参皂苷的影响，从硫熏人参中得到稀有皂苷Rh2和Rg5等。Li等[38]进一步研究了硫磺熏蒸转化人参皂苷的途径。主要人参皂苷通过加成、水解、脱水等反应生成Rh2、Rg3等稀有皂苷。转化方法的反应条件和转化产物总结见表2。

表2 人参皂苷化学转化反应条件和产物

2 生物转化

生物转化可分为酶解法和微生物转化法。与化学转化对比，生物转化具有反应条件温和、反应特异性高、绿色环保等优点，因此也成为制备稀有皂苷的主要方法。近年来，以原人参二醇型和原人参三醇型人参皂苷为底物的生物转化研究取得了许多突破性进展。

2.1 酶解法 酶解法具有反应条件温和、选择性高、产物单一等优点，是转化人参皂苷的重要途径。不同种类的酶转化人参皂苷的途径不同。目前研究主要利用糖苷酶定向水解人参皂苷不同位置的糖苷键，从而获得稀有人参皂苷[39]。Hou等[40]利用β-葡萄糖苷酶转化人参皂苷Rg3，通过水解C-3位末端的糖苷键获得了稀有皂苷Rh2，转化率达到90.7%。Pei等[41]利用β-葡萄糖苷酶转化人参皂苷Rb1得到稀有皂苷20(S)-Rg3，转化率达到97.8%。Zhang等[42]利用3种耐热糖苷酶Tpebgl1、Tt-Afs、Tpebgl3协同转化人参皂苷Rb1、Rb2、Rc为20(S)-Rg3，转化率最高达到98.19%。协同转化途径为Tpebgl1和Tt-Afs转化Rb1、Rb2、Rc为Rd，Tpebgl3转化Rd为20(S)-Rg3[42]。Kim等[43]利用蜜环菌菌丝体中纯化的糖苷酶BG-1转化人参皂苷Rb2为稀有皂苷C-Y和C-K，并阐明了转化途径为Rb2→C-O→C-Y→C-K。

随着基因工程技术的发展，通过克隆和表达菌株基因得到的糖苷酶也被用于人参皂苷的转化研究。Geraldi等[44]从芽孢杆菌3KP和粘质沙雷氏菌LII61中克隆了β-糖苷酶、Bgl3KP、BglSM。这些酶能够将人参皂苷Rb1经过Rd和Gyp-XVII转化为稀有皂苷F2。Wang等[45]克隆了枯草芽孢杆菌中的UDP-糖基转移酶基因，重组的糖基转移酶将人参皂苷F1转化为稀有皂苷Ia。李男等[46]通过克隆、表达嗜热菌基因组得到重组内切纤维素酶 Fpendo5A。其能够将Ra1、Rb1、Rc、Rd、Rg3分别转化为Rb2、Gyp XVII、CMC1、F2、Rh2。

可以看出，从菌株中分离或克隆表达的酶都能够有效转化人参皂苷获得稀有皂苷，并具有选择性高、特异性强的优点。因此，酶的筛选也成为了人参皂苷酶解转化方法的关键步骤。

2.2 微生物转化法 微生物转化人参皂苷是利用微生物细胞代谢产生的酶水解糖苷键，从而获得稀有皂苷。常用的微生物包括土壤微生物、肠道菌群、真菌、食品微生物等。这种转化方法具有条件温和、转化效率高、操作简便等优点，是目前工业生产人参皂苷的常用方法[47]。

2.2.1 土壤微生物转化人参皂苷 土壤微生物指生活在土壤里的细菌、真菌和病毒等，其可促进土壤有机物质的分解。Cheng等[48]从田间土壤中分离得到了能够转化人参皂苷Rb1和Rd为Rg3的微生物菌株GS514。Fu等[49]从种植人参土壤中分离到了53株具有β-葡萄糖苷酶活性的菌株，其中GS-09菌株可以将人参皂苷Rb1、Rb2、Rc定向转化为稀有皂苷C-K。Su等[50]对从土壤中分离出的真菌F.proliferatumECU2042进行发酵，并利用从发酵液中分离的β-葡萄糖苷酶将人参皂苷Rg3转化为20(S)-Rh2。Han等[51]从栽培的人参中获得了丝状真菌Fusariumsacchari，并首次报道了利用其高效转化人参皂苷Rb1、Rb2、Rb3、Rc为稀有皂苷C-K、C-Mx、Mc的研究。吴秀丽等[52]从长白山生长人参的土壤中分离出各类菌株63株，其中黑曲霉Aspergillusniger的人参皂苷转化活性最强，可以将人参皂苷Re转化为Rg1、Rg2和Rh1。Wu等[53]从人参根际土壤中分离出的Aspergillustubingensis菌株能够高效地将人参茎叶总皂苷转化为稀有皂苷Rh4及其苷元，其中苷元的含量比转化前提高了100倍。

2.2.2 肠道菌群转化人参皂苷 肠道菌群是人参皂苷体内代谢和转化制备稀有皂苷的研究热点。Kim等[54]发现人类粪便微生物区系中分离的拟杆菌属、双歧杆菌属和瘤胃球菌属能将人参皂苷Rb1转化为稀有皂苷C-K。韩铭鑫等[55]在离体人肠道菌群中转化原人参二醇型皂苷Rb1、Rb2、Rb3、Rc，获得了Rd、F2、Rg3、CK、Rh2等参皂苷。Chen等[56]对人参皂苷Rb1的微生物代谢和哺乳动物代谢进行了比较研究。枝顶孢霉菌微生物转化Rb1得到Rd、XVII、20(S)-Rg3、20(R)-Rg3、F2、C-K、12β-羟基-达玛烷型-3-酮-20(S)-O-β-D-吡喃葡萄糖苷、25-羟基-(E)-20(22)-烯-人参皂苷Rg3等8种产物。在大鼠体内除鉴定出相同的8种转化产物外还鉴定出2种不同的代谢产物。Bae等[57]发现20(S)-Rg3经肠道菌群可代谢为20(S)-Rh2或20(S)-原人参二醇，而在人体胃部不能转化为原人参二醇。

2.2.3 食品微生物转化人参皂苷 食品微生物包括生产型食品微生物和食源性病原微生物。Quan等[58]从韩国传统发酵食品泡菜中分离出的食品级乳酸杆菌LH4能够将人参皂苷Rb1转化为稀有皂苷C-K，摩尔转化率为88%，转化途径为Rb1→Rd→绞股蓝皂苷XVII→F2→C-K。Park等[59]从泡菜中获得了5种细菌菌株，均能将人参皂苷Rb1转化为稀有皂苷Rg3。夏晚霞等[60]选取了植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、副干酪乳杆菌和发酵乳杆菌等5种乳酸菌转化人参皂苷Rb1和Re，分别得到了稀有皂苷C-K和Rh1。Chi等[61-62]研究了双歧杆菌、黑曲霉、德氏乳杆菌、Bidobacteriumsp.SH5、活性乳酸菌等对人参皂苷Rb2和Rc的转化作用，得到了人参皂苷F2、Rh2和Rd。

2.2.4 其他微生物转化人参皂苷 Zhou等[63]筛选得到了能够替代肠道菌群转化人参皂苷的真菌P.bainiersp.229，其能有效地将三七总皂苷转化为稀有皂苷C-K，产率和转化率是肠道菌群的2倍。Ye等[64]在含有三七叶皂苷的马铃薯葡萄糖培养基中筛选出高耐底物Paecilomycesbainier229-7，并转化人参皂苷Rb1得到了转化率高达94.9%的人参皂苷Rd。除此之外，真菌AcremoniumstrictumAS 3.2058[65]、水解菌C.cellulanssp.21[66]、黑根霉Rhizopussp.[67]等多种微生物也都被用于原人参二醇型和原人参三醇型人参皂苷的生物转化研究。人参皂苷生物转化反应的条件和产物见表3。

表3 人参皂苷生物转化反应条件和产物

3 结论及展望

综上所述，化学转化和生物转化均可以有效地转化主要人参皂苷为稀有皂苷。化学转化具有转化效率高，操作简便，产物多样，催化剂廉价易得等特点，但是反应选择性差，催化剂不易回收。生物转化的特异性强、转化率高、催化剂来源丰富，但是转化途径较为单一，不易得到改变皂苷元结构的产物。2种转化方法均有各自的优点和局限性。随着药理作用的深入研究，越来越多的稀有人参皂苷将逐步从实验室研究进入药物研发和临床试验阶段，对稀有皂苷的需求将逐渐增加。因此，建立简单、高效、安全的转化方法仍然是人参皂苷研究的重点。可以预见的是，生物转化仍将是转化制备稀有皂苷的主要方法。化学转化凭借成熟的工业催化生产条件可能为制备稀有皂苷提供新的选择。无论哪种方法，都将为基于稀有人参皂苷的相关研究提供充足的基础原料。