人参的益生菌发酵及其发酵产品研究进展

张倩，国立东，都晓伟

(黑龙江中医药大学 药学院，黑龙江 哈尔滨，150040)

据2020版《中国药典》(ISBN 978-7-5214-1574-2，Ⅰ部 人参)记载中药人参为五加科植物人参(PanaxginsengC.A.Mey.)的干燥根及根茎，性甘，味微苦、微温，归脾、肺、心、肾经，具有大补元气、复脉固脱、补脾益肺、生津养血、安神益智的功效。人参含有皂苷、多糖及挥发油等多种成分，人参皂苷是其主要活性物质。现代药理研究证明人参皂苷能够抗氧化、抗炎、抗菌、抗心血管疾病、抗糖尿病、抗癌、降低肥胖、提高精力与性耐力[1]。目前在人参中已发现40余种单体皂苷成分，其中人参皂苷Ra1、Rb1、Rb2、Rc、Rd、Re、Rf、Rg1的含量占比超过95%，这些含量较高的人参皂苷经过水解可得到Rg3、Rh1、Rh2和CK等稀有人参皂苷[2]，部分皂苷的结构及转化途径详见图1、图2[3-4]。相较于常见的人参皂苷，稀有人参皂苷表现出更强的生物活性，但在人参中天然产生的稀有皂苷含量低，难以满足工业化生产和市场产品的需求。微生物发酵可使中药有效成分的含量发生变化，甚至产生一些新的具有活性的次级代谢产物[5]。

图1 部分人参皂苷的化学结构Fig.1 Chemical structure of some ginsenosides注：Glc：β-D-glucopyranosyl；Ara(p)：α-L-arabinopyranosyl；Ara(f)：α-L-arabinofuranosyl；Rha：α-L-rhamnopyranosyl

益生菌是一类对宿主有益的微生物，广泛存在于人体肠道与生殖系统中，可调节宿主黏膜与免疫系统的功能、改善肠道菌群的平衡。益生菌种类繁多，可用于食品领域的菌种包括双歧杆菌属、乳杆菌属、芽孢杆菌属等细菌，以及酿酒酵母、红曲霉、灵芝等真菌[6]。近年来，采用益生菌对人参进行发酵的相关研究较多，利用益生菌发酵转化人参中的皂苷类成分，不仅特异性强，产率高，并且安全性较高，已经成为提高人参产品生物活性的重要途径之一[5]。本文分析总结不同种类的益生菌对人参的发酵研究进展情况，以期为稀有人参皂苷的高效转化及人参发酵产品的开发提供参考。

a-二醇型人参皂苷转化机理；b-三醇型人参皂苷转化机理图2 部分人参皂苷的转化路径Fig.2 Transformation pathway of some ginsenosides

1 益生菌发酵人参研究概况

1.1 乳酸菌与人参发酵

乳酸菌是人们熟知的益生菌，具有调节胃肠道菌群，改善胃肠道功能的作用，广泛用于食品等领域。经研究发现，乳酸菌可产生淀粉酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶等多种酶类，相关研究人员从泡菜、酸奶、水果等食品中分离筛选出发酵乳杆菌、植物乳杆菌等菌株，无论是对常见人参皂苷还是稀有人参皂苷均有较好的转化能力。刘涛[3]用植物乳杆菌发酵人参，发酵后人参皂苷Rh1、F2、Rg3和CK分别增加18.48%、135.73%、343.03%、441.80%，发酵液抗氧化能力增强，·OH、DPPH自由基、·O2-清除率分别提高11.75%、15.98%、9.07%。稀有皂苷Rh2、Rg3、CK具有良好的抗肿瘤的效果，人参经鼠李糖乳杆菌发酵后，Rh2、Rg3、CK增长9%、3.21%、12.98%，对肝癌细胞HepG2的抑制率最高增长8.9%[4]。QU等[7]采用发酵乳杆菌发酵人参，Rb1、Rc、Rd、Re、Rg1分别增长72.85%、33.99%、64.91%、63.55%、71.87%，0.5 g/(kg·d)发酵人参能有效恢复大鼠的肠道微生物菌群，缓解抗生素相关性腹泻及结肠炎症状，降低免疫因子Toll样受体4(Toll like receptor 4,TLR4)和核因子κB在结肠中的表达。不同乳酸菌生物转化人参有效成分的能力，如表1所示。

表1 乳酸菌生物转化人参有效成分的能力Table 1 Ability of lactic acid bacteria to biotransform active ingredients of ginseng

续表1

在生物转化过程中，菌种及菌株的种类差异会影响次级代谢产物的转化类型及转化效果，鼠李糖乳杆菌、肠膜明串珠菌、德式乳杆菌虽有转化稀有人参皂苷Rh2、Rg3、Rg5、Rf的潜力，但转化效果并不理想；发酵乳杆菌能够显著提高Rb1、Rc、Rd、Rg1等常见人参皂苷的含量，转化率能够达到30%～75%，而对稀有人参皂苷的转化有待于进一步的研究；植物乳杆菌是研究最多的菌种，具有较强的转化稀有人参皂苷Rg2、Rg3、Rh1、F2、CK的能力，对Rg2、F2的转化率能够达到170%以上，Rg3、Rh1、CK的转化率能够达到325%以上。植物乳杆菌转化人参皂苷拥有极广阔的研究空间，但因其菌株的多样性导致皂苷的转化结果差异明显，所以在发酵过程中筛选出一株高效的乳酸菌菌株至关重要。

1.2 芽孢杆菌与人参发酵

芽孢杆菌在人参发酵上的应用研究报道不多，已报道的菌种有枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、凝结芽孢杆菌(Bacilluscoagulans)和多粘类芽孢杆菌(Paenibacilluspolymyxa)。多粘类芽孢杆菌具有提高Rg1、Re、Rf、Rd等皂苷含量[15]的能力，但受其安全性的限制，大多应用于生物防治方面。枯草芽孢杆菌与凝结芽孢杆菌是能够用于食品的益生菌，赵彩秀等[16]采用枯草芽孢杆菌JLGA-SD-28发酵人参实现Rb1→Rg3→Rk1/Rg5的转化，然后通过全基因组测序分析得出有62个基因与Rg3的转化有关，46个基因与Rk1、Rg5的转化有关，为后续转化机制及酶学研究提供依据。在大酱中筛选出β-葡萄糖苷酶活性较强的枯草芽孢杆菌，对人参进行固态发酵，双螺杆挤压后的人参和白参Rg3含量分别提高70.99%、53.75%[17]。人参豆豉发酵物在枯草芽孢杆菌的发酵作用下，人参皂苷Rk1、F2、Rh4、Rd、Rg3增长率高达142.29%、228.31%、189.41%、718.15%、499.90%[18]。王国明[19]采用凝结芽孢杆菌发酵人参，生成稀有皂苷CK，产量为12.11 mg/g，推测其机制为Rb3/Rd→CK，且CK能显著降低急性肾损伤小鼠血清中尿素氮、肌酐水平，改善受损肾脏组织形态，升高肾脏组织中超氧化物歧化酶和还原性谷胱甘肽活性并降低丙二醛含量从而保护小鼠急性肾损伤。相较于乳酸菌，已报道的芽孢杆菌转化的皂苷类型有限，但对稀有皂苷的转化率更高，然而其转化机制尚不清楚。因此，有必要对乳酸菌与芽孢杆菌转化人参进行系统的比较分析，阐明二者在转化人参皂苷机制上的差异，从而为指导人参皂苷的生物转化及其产品开发奠定理论基础。

1.3 酵母菌与人参发酵

酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)、马克斯克鲁维酵母(Kluyveromycesmarxianus)是符合食品安全标准的菌株，酿酒酵母可以提高人参皂苷Rb1、Re、Rg1的含量[20]，也能将固有人参皂苷转化为稀有皂苷Rg3[21]。苏敏等[21]从开菲尔(Kefir)粒中筛选出能够产生β-葡萄糖苷酶的马克思克鲁维酵母，经发酵，Rg3的转化率高达248%。然而与乳酸菌、芽孢杆菌相比，酵母菌的转化能力有限，贾翠英等[22]首次采用海藻酸钠包埋酵母菌的方式进行发酵，与未包埋酵母菌转化人参相比，不仅使Rb1的转化率提高了3%～5%，而且简化了菌种活化步骤以及便于将发酵生产自动化，为提高酵母菌的发酵效率提供一种新的方法。另外，工程酵母菌在人参发酵方面应用广泛，LIANG等[23]从枯草芽孢杆菌中鉴定出UGT109A1，用以构建工程酵母菌，能够产生比Rg3抗肺癌活性更强的非天然人参皂苷3β,12β-Di-O-Glc-PPD，产量为9.05 mg/L。工程酵母菌也能够实现人参皂苷的逆向转化，从人参中分离鉴定出对原人参二醇型皂苷(protopanaxadiol, PPD)活性较强的葡萄糖醛酸基转移酶(UDP-glycosyltransferases, UGT)——UGTPg45、UGTPg29，能分别在PPD与Rh2的C3—OH位添加葡萄糖，实现PPD→Rh2→Rg3的转化，Rh2与Rg3的生成量分别为1.45、3.49 μmol/g[24]。WEI等[25]也在人参中分离出对原人参三醇型皂苷(protopanaxatriol,PPT)有较强活性的UGTPg1、UGTPg100、UGTPg101，用其构建工程酵母菌，能够实现PPT→F1/Rh1，F1和Rh1产率高达42.1、92.8 mg/L。与天然酵母菌相比，工程酵母菌转化人参皂苷具有更广阔的研究前景，不仅能实现天然皂苷的生物转化，也能产生新的产物，为酵母菌转化人参的规模化生产提供有效途径。

1.4 红曲霉与人参发酵

曲霉菌在中药发酵领域应用广泛，其中黑曲霉(Aspergillusniger)因能产生活性较强的葡萄糖苷酶、果胶酶、纤维素酶等酶而被广泛使用。经过黑曲霉发酵，能够实现Rb1→F2/CK的转化，其中CK与F2的转化率能够达到85%、50%[26]。黑曲霉的转化效率较高，但目前尚未列入国家益生菌的使用范畴，故在食品方面的应用受到限制。红曲霉(Monacusanka)在中药发酵方面虽不及黑曲霉应用广泛，但是它为药食两用的真菌，在食品研究与开发方面具有较大的潜力。人参经红曲霉发酵后Rb1、Rb2、Rc含量减少，Rg3质量分数增加了40%，达到6.047 mg/g，推断Rg3的转化路径为人参皂苷Rb1/Rb2→Rd→Rg3[27]。厍守权等[28]还在人参的红曲霉发酵产物中检测出具降低胆固醇作用的monacolin K，发酵产物兼具人参和红曲霉主要活性物质，极大提高了两者的生物利用价值。

1.5 大型食药用真菌与人参发酵

灵芝(Ganodermalucidum)和冬虫夏草(Cordycepssinensis)是名贵中草药，也是大型食药用真菌。从新鲜的冬虫夏草中分离出的丛梗孢科瓶梗青霉属虫生真菌蝙蝠蛾拟青霉(Paecilomyceshepiali)与冬虫夏草有效成分类似，已作为冬虫夏草的代用品在中成药和保健食品中广泛使用。灵芝菌与人参共发酵能够显著提高Rg5[29]、Rf[29]、Rg3[30]、Rh1[30]等稀有皂苷的含量，转化率高达601.24%、166.02%、238.91%、408.88%，与乳酸菌、芽孢杆菌相比，其转化效率较高，并且能够转化2种细菌不能生成的稀有皂苷Rg6和F4[29]，同时，经发酵所得的药性菌质抗氧化活性提高[29]，对肝癌细胞SMMC—7721抑制能力增强[30]，且提高巨噬细胞吞噬指数、淋巴细胞转化率及血清溶血素水平从而增强机体的免疫功能[31]。这些大型食药用真菌生物转化人参有效成分的能力，详见表2。在发酵过程中，食药用真菌产生的糖苷酶能够水解皂苷侧链上的糖基对皂苷进行结构修饰，实现稀有皂苷的转化；人参中的多糖、氨基酸、微量元素也为真菌菌丝的生长提供丰富的碳源、氮源，促进灵芝多糖、腺苷等有效成分的富集。因此，双向发酵不仅使人参皂苷的含量有所改变，真菌中的活性成分也会提高，起到真菌与人参双向发酵协同增效的作用[32]。

表2 大型食药用真菌生物转化人参有效成分的能力Table 2 Ability of edible and medicinal fungi to biotransform active ingredients of ginseng

1.6 复合菌株与人参发酵

采用单一菌株对人参发酵取得了可观的成果，但不同微生物所含有的酶系具有差异性，在自然界中，植物的生长发育是多种微生物相互作用的结果，采用复合菌株进行发酵，可以使反应过程中酶系多样化与互补，使中药组织中的有效成分或营养物质得到充分的分解、溶出和利用，提高中药的生物利用率。嗜酸乳杆菌∶鼠李糖乳杆菌∶干酪乳杆菌按照1∶1∶1的体积比发酵人参，转化生成皂苷元PPD、PPT能力更强，生成量占总皂苷成分的22.15%，与人参皂苷Rh1、CK共占总皂苷的33.42%[2]。应用组合菌酿酒酵母、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、短乳杆菌、枯草芽孢杆菌发酵人参可以提高稀有皂苷Rh1、F2、Rg3、C.Y的含量，转化率最高可达127.3%、63.5%、255.8%、226.6%[34]。然而，薛兢兢等[35]在乳杆菌与复合菌(乳杆菌+酵母菌)发酵对比研究中发现单一菌株发酵更胜一筹，分析乳杆菌与酵母菌在生长过程中产生竞争性抑制，限制对方发挥最大潜力。因此，在优选复合菌株的过程中，菌株之间的拮抗作用也是较为重要的考察因素。复合菌株与单一菌株相比有很大的转化优势，目前的研究大多用不同乳酸菌搭配进行发酵，乳酸菌与芽孢杆菌等菌株的复合搭配鲜有报道，对其生物转化及转化机制有待于深入研究。

2 益生菌发酵转化人参皂苷生物学机制

稀有人参皂苷与常量皂苷相比母核相同，只是C3、C6、C20糖基的类型或数目不同，从而表现出更强的抗肿瘤、心血管保护等生物活性。益生菌发酵过程中产生的β-葡萄糖苷酶、β-阿拉伯呋喃糖苷酶等能够特异性水解C3、C6、C20的糖基从而实现稀有皂苷的生物转化[5]。益生菌种类不同，酶系的种类与活性也有所差异，糖苷酶依据连接位置、残基、酶活性分为四类：Ⅰ型糖苷酶能同时水解PPD C3和C20连接的糖基;Ⅱ型糖苷酶能水解PPD或PPT C20位连接的糖基;Ⅲ型糖苷酶能水解PPD C3位外侧连接的葡萄糖;Ⅳ型糖苷酶能水解PPT C6位连接的糖基[36]。β-葡萄糖苷酶作为益生菌中的常见酶，是目前的研究热点。QUAN等[13]从泡菜中筛选出产β-葡萄糖苷酶的LactobacillusparalimentariusLH4，能够水解C3、C20位的2个葡萄糖基，实现Rb1→绞股蓝皂苷XVII/Rd→F2→CK的转化。干酪乳杆菌、副干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌和发酵乳杆菌5种乳酸菌中植物乳杆菌的β-葡萄糖苷酶活性最强，可以水解C3、C20位的糖基实现原人参二醇型皂苷Rb1/Rb2→Rd→F2→CK和Rb1→Rd→Rg3的转化[3]。同样在鼠李糖乳杆菌β-葡萄糖苷酶的作用下，原人参三醇型皂苷Re的C6、C20位分别脱去一分子鼠李糖和葡萄糖生成Rh1，Rh1脱去C6位的一分子葡萄糖生成PPT[4]。枯草芽孢杆菌也具有产生β-葡萄糖苷酶的能力，皂苷转化机制可能为 Rb1的C20位糖苷键水解断裂生成Rg3，Rg3的C20位发生脱水反应生成Rk1和Rg5[16]。糖苷酶的生物来源不同，其作用的位点不同，转化效果也具有差异性。不同糖苷酶的联合应用对稀有皂苷的转化会产生积极的影响，有望成为未来一个热门的研究方向。

3 人参发酵产品研究概况

3.1 国内人参发酵食品

2011年之前，人参在我国只作为药物进行销售，在一定程度上限制了人参的市场消费，2012年，国家卫生部第17号文件根据《中华人民共和国食品安全法》和《新资源食品管理办法》批准将人参(人工种植)列为新资源食品(2013年修订为新食品原料)，以人参为原料的食品相继出现。迄今为止，已有1 008种人参保健品上市，涵盖胶囊(48.68%)、口服液(14.61%)、酒(14.21%)、片(9.17%)、颗粒(3.83%)、茶(2.72%)、丸(2.11%)、饮料(1.31%)、冲剂(1.01%)、粉(0.91%)、膏(0.91%)、浆(0.5%)等多种剂型，而人参发酵型产品种类较少，仅包含人参发酵酒、人参发酵果蔬饮品、人参发酵蜜片等，目前处于实验阶段的人参山楂咀嚼片等新型产品的开发将会充分发挥人参的保健价值[37]。

3.1.1 单味人参发酵食品

Kefir粒是人参发酵食品中使用较多的发酵剂之一，它是由乳酸菌、醋酸菌、酵母菌等多种益生菌组成的复合菌，菌群之间存在良好的共生关系。Kefir粒有氧发酵人参，可以产生烷烃类、萜烯类、芳香类等64种香气成分，发酵物有草药味和烧烤香味[38]。白钰[39]分别采用人参花、Kefir粒发酵，制备出口感良好的人参花饮品。灵芝具有滋补强身的功效，广泛用于食品领域。林琳[31]采用人参与灵芝复合发酵制备的参芝发酵饮品，颜色饱满清澈，菌球口感顺滑，具人参特异香气，并且该饮品既能发挥灵芝提高免疫力的作用，也能发挥人参抗疲劳的作用。

3.1.2 人参复方发酵食品

在以Kefir粒为发酵剂、人参为原料的基础上，分别添加乳清、枸杞、大米糖化液、山楂制得人参乳清饮品[40]、人参枸杞发酵饮品[41]、人参米酒[42]和人参山楂咀嚼片[38]，产品酸甜可口、口感细腻、有人参的芳香气味。在酸奶中加入人参，具有更高的营养价值。王银平[43]优化人参酸奶的发酵工艺，在混合菌种(嗜酸乳杆菌、双歧杆菌、嗜热链球菌、德式乳杆菌保加利亚亚种)、超微人参粉、白砂糖、果胶添加量分别为0.006%、0.6%、7%、0.2%的条件下，制得的酸奶口感最好，价值较高。采用植物乳杆菌，辅以柠檬汁、枣汁、蜂蜜制备的人参口服液清爽可口、酸甜适中[44]。用人参为原料开发的发酵酒凭借独特的口感和保健功效在中国市场备受欢迎。乔梦丹等[45]优化人参-仙人掌果酒的发酵工艺，在酵母接种量1‰、发酵温度24 ℃、pH 4.0的条件下，人参总皂苷、花青素分别达到0.937 6、0.106 6 mg/mL。近年来，生物转化技术日渐成熟，乳酸菌、灵芝菌、酵母菌等在人参食品中有了更多应用，人参发酵产品成为新的研发方向(表3)。

表3 人参发酵食品研究概况Table 3 Research on ginseng fermented food

3.2 韩国人参发酵食品

韩国的人参产品种类丰富，经研究开发的人参饮料、人参糖、人参茶、人参饼干、人参方便面、人参果酱、人参蜜片等凭其独特的口感和保健作用深受消费者青睐[48]。韩国的发酵技术较为成熟，人参(红参)发酵产品在酸奶、奶酪两大方面研究颇多。乳杆菌属菌种和嗜热链球菌是常用的酸奶发酵剂，将牛奶、2%脱脂乳、0.1%果胶混合，加入不同剂量的人参粉，接种植物乳杆菌NK181与嗜热链球菌(1∶1)在40 ℃发酵至pH 4.4～4.5，制得人参酸奶成品口感良好，且随着人参量的增加，产品的抗氧化能力逐渐增强，增长率最高可达37.32%[49]。LEE等[50]分别采用土壤栽培人参与水培人参进行人参酸奶的研制，将牛奶、脱脂乳与2种人参提取液混合，接种0.1%的商业化乳酸菌发酵剂在40 ℃下发酵至pH 4.5，冷藏24 h即得成品，其中水培人参发酵酸奶口感良好，抗氧化能力为土壤栽培人参的2倍，水培人参应用于维持人体健康的高价值乳制品有较大的前景。发酵奶酪的制作是往牛奶中加入不同浓度的人参，在35 ℃下经商业化乳酸菌发酵剂发酵220 min，再加入0.2 mL/L凝乳酶，4 ℃静置混凝19 h得到人参奶酪。通过添加人参提取物，奶酪的脂肪和蛋白质水平升高，随着人参浓度的增加，奶酪的硬度和黏度提高，但人参的苦味也越来越显著[51]。制作红参奶酪时可以通过添加氨基酸-发酵红参凝析液改善红参所带来的苦味[52]。人参作为一种天然植物补充剂，在国际上占有成熟的市场。随着人们保健意识的增强，更多人参功能性产品出现在公众视野。

4 结论与展望

益生菌发酵人参已成为目前的研究热点，益生菌的发酵过程实质是酶的作用，不同类型的益生菌经过自身代谢产生的糖苷酶，能够特异性地作用于人参皂苷的不同位点，通过水解糖基实现不同皂苷的定向转化，提高稀有皂苷等有效成分的含量，增强产物的药理活性，丰富营养结构，改善口感风味，对人参功能性产品的研发具有切实的研究价值。然而，目前在稀有皂苷的靶向转化研究中涉及的皂苷种类较少，有待于筛选益生菌、糖苷酶的类型或通过构建工程酵母菌等手段实现其他皂苷的定向转化。发酵人参的饮品开发虽取得了一定的成果，但形式过于单一，新产品的创制也是未来的研发方向，且相关产品需要从体外试验、动物试验、人体临床试验3个方面进行耐药性、代谢活性等研究，从而建立科学、全面的安全性评价方法。