張慶明 徐云燕 王璐

摘要 中藥產業(yè)的健康發(fā)展依賴于中藥資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。在中藥資源深加工過程中不可避免產生了大量的廢棄物，這些廢棄物藥渣的粗放低值化利用造成了資源的巨大浪費和環(huán)境污染。近年來，應用雙向發(fā)酵技術提升中藥藥渣的利用價值備受關注?，F以中藥藥渣的生物轉化為基礎，探討藥渣雙向發(fā)酵技術的特點與優(yōu)勢，介紹了目前用于藥渣雙向發(fā)酵的主要微生物種類及其轉化體系，并對中藥渣雙向發(fā)酵的發(fā)展前景進行了討論。

關鍵詞 中藥渣;雙向發(fā)酵;研究進展;循環(huán)利用;新藥研制;微生物發(fā)酵;增加藥效;藥理

Abstract The development of Traditional Chinese Medicine （TCM） industry depended on the efficient utilization and sustainable development of Chinese medicine resources.Much waste was inevitably produced in the process of deep processing of Chinese medicine，the extensive and low-value utilization of these waste medicine residues brought a huge waste and environmental pollution.In recent years，the application of bi-directional fermentation technology on improving the utilization of Chinese medicine residue has attracted much attention.Based on the biological transformation of Chinese medicine dregs，this paper discusses the characteristics and advantages of the two-way fermentation technology of Chinese medicine dregs，introduces the main types of microorganisms currently used in the two-way fermentation of dregs and their transformation systems，and discusses the development prospects of two-way fermentation of Chinese medicine dregs.

Keywords Chinese Medicine residue; Bi-directional fermentation;Research progress; Recycling; New drug development; Microbial fermentation; Increased efficacy; Pharmacology

中圖分類號：R282文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.07.025

中藥材是我國自然資源的重要組成部分，其稀缺性和有限性制約著我國中藥產業(yè)的發(fā)展。在中藥材深加工的過程中會產生大量廢棄物，據統(tǒng)計，目前我國藥渣的年排放量達6 000萬～7 000萬噸[1]，這些中藥渣一般為濕物料，長期堆置不處理極易腐壞，對環(huán)境造成嚴重污染。此外，受提取和精制技術的限制，中藥材的利用效率較低，藥渣中除含有大量的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、維生素等營養(yǎng)物質外，還含有各類生物堿、萜類、黃酮類和醌類等生物活性物質[2]。因此，利用現代科學技術和集成技術，開展中藥渣精細高值化利用的研究，并開發(fā)系列資源性產品，成為了實現中藥資源高效綜合利用、發(fā)展循環(huán)經濟的關鍵。當前中藥渣的再利用研究主要集中在：飼料和飼料添加劑、栽培食用菌、微生物發(fā)酵轉化、催化熱解制取生物油等方面[3-4]。其中，微生物發(fā)酵轉化屬于中藥二次開發(fā)的范疇，是中藥渣高值化利用的重要途徑?，F將對雙向發(fā)酵技術在中藥渣開發(fā)利用的現狀進行綜述。

1 雙向發(fā)酵技術的特點

發(fā)酵是一種傳統(tǒng)的中藥炮制方法，早在1 000多年前古人就將發(fā)酵技術用于半夏曲、紅曲等中藥制品的加工，但傳統(tǒng)中藥發(fā)酵制品是混合菌株開放式發(fā)酵轉化的產物，整個發(fā)酵過程受環(huán)境、菌株類型影響極大。20世紀80年代莊毅等[5]提出將現代微生物轉化技術與中藥資源有機結合，利用藥用真菌發(fā)酵具有活性成分的中藥材，使得菌株的發(fā)酵過程具有“雙向性”（圖1），即利用微生物所產生的酶以外源性的中藥化合物作為底物進行結構轉化的過程。微生物中豐富多樣的酶系可以對中藥中皂苷類、黃酮類、生物堿及內酯類等多種化合物進行修飾和轉化[6]。目前，多國研究者已利用毛霉、青霉、曲霉等微生物轉化了人參皂苷、黃芩苷、葛根素、穿心蓮內酯等多種化合物，具有提高化合物活性、降低毒性、穩(wěn)定結構及獲得新化合物等多種效果[7-8]。因此，基于雙向發(fā)酵技術的中藥渣開發(fā)，不僅符合當下綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢，實現藥渣的循環(huán)利用，還能為中藥二次開發(fā)、新藥研制等開辟一條新途徑，提高中藥生產企業(yè)的經濟效益[9]。

2 微生物發(fā)酵中藥渣的優(yōu)勢

2.1 促進有效成分析出，提高活性物質回收利用率

植物類中藥材的有效成分多存在于植物細胞質中，有效介質向提取介質中擴散時，需要克服細胞質和細胞壁的雙重阻力，因此許多中藥材經提取加工后，藥渣中仍然殘留了大量的活性物質。微生物生長過程中，能分泌出多種使細胞破裂的酶，包括蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶及果膠酶等，這些酶能破壞細胞壁的完整性和致密性，極大提高中藥渣中有效成分的提取效率。周勇等[10]利用芽孢桿菌、乳酸桿菌和酵母菌的混合菌株對復合中藥渣進行固態(tài)發(fā)酵，顯著提高了多糖的提取效率。王兵等[11]研究表明，白腐菌在中藥渣上發(fā)酵后，蛋白質的質量分數比直接提取提高了71%。韓愈杰等[12]利用3種復合菌劑發(fā)酵雙黃連藥渣，連翹苷的提取率提高了116%，該研究為生物發(fā)酵可增強中藥渣中活性物質的釋放提供了數據支持。

2.2 增加藥效及產生新的活性物質

微生物利用其生長代謝中產生的豐富酶系對藥渣中的某些成分可進行脫氫、羥化、環(huán)化、糖基化、乙?；榷喾N反應，從而提高活性物質的藥效或形成新的活性物質[13]。我們利用靈芝菌分別發(fā)酵轉化玄七通痹膠囊藥渣和感冒清熱顆粒藥渣，結果表明玄七痛痹膠囊藥渣發(fā)酵前后多糖組分和靈芝酸組分都產生了新物質的生成[14]，而在感冒清熱顆粒藥渣的藥性基質中，主要活性成分多糖和靈芝酸的含量顯著增加[15]。Hsu等[16]利用靈芝菌轉化人參萃取殘渣，發(fā)酵后殘渣中皂苷Rg1、Rg3和CK含量有所增加，而Rb1、Rc、Re和Rh2含量減少，這不僅解決了人參殘渣處理的問題，還為人參皂苷的定向生物轉化提供新方向。張艷聰等[17]探討了蟬擬青霉-甘草渣雙向發(fā)酵過程中生物活性物質的變化機制，結果表明，經蟬擬青霉發(fā)酵后，甘草渣中有效成分的提取率增加，且甘草渣中總黃酮類物質的分子結構發(fā)現了顯著變化。竺利紅等[18]利用棘孢木霉發(fā)酵黃芪藥渣，研究表明黃芪藥渣經發(fā)酵后，細胞壁被降解破壞，發(fā)酵產物中黃芪甲苷比原料直接提取提高了5倍，此外還產生了具有抑菌作用的新活性物質。Wen等[19]以瓜蔞、厚樸、甘草及丹參的水提殘渣為原料，進行米曲霉固態(tài)發(fā)酵，研究表明發(fā)酵產物的甲醇提取物中化學組分和性質發(fā)生了變化，預示產生了新的化學物質，進一步研究發(fā)現，發(fā)酵產物的抗氧化活性高于未發(fā)酵的對照組，且對病原菌具有廣譜抗菌活性。通過微生物生物發(fā)酵轉化中藥渣，在雙向發(fā)酵作用下，往往能提高了菌質中主要活性物質的產量，提高藥效，更重要的是能形成新的化合物，為有效活性物質的篩選提供新途徑，在新藥的研發(fā)領域具有極大的研究價值和廣闊的應用前景。

2.3 發(fā)展畜禽飼料或飼料添加劑

隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，蛋白飼料短缺已成為世界性難題。經過提取利用后的中藥渣，仍含有一定的粗蛋白、粗多糖、氨基酸、微量元素等營養(yǎng)物質，但由于粗纖維含量高、不易消化、適口性差等缺陷，限制了藥渣在動物養(yǎng)殖方面的應用。利用微生物對中藥渣進行低成本的發(fā)酵處理，能較好的松散纖維素結構，利于營養(yǎng)物質的釋放，還能將纖維素和半纖維素組分降解成易利用的小分子糖類物質，同時可將藥渣的組織器官轉化為菌體蛋白，從而滿足蛋白飼料的要求，大幅度提高藥渣的利用價值[20]。如孫曉燕等[21]利用混合菌劑發(fā)酵復方中藥藥渣，并檢測了藥渣中各物質的含量，結果表明藥渣經發(fā)酵后粗纖維和灰分含量降低，而粗蛋白、各種有機酸等有益組分的含量增加，有望作為發(fā)酵飼料在養(yǎng)殖業(yè)中替代普通飼料。陳鑫等[22]以紅芪藥渣為原料，利用白腐菌/酵母混合菌進行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)酵產物中真蛋白含量提高了101%，粗纖維含量降低了34.7%，為富含多糖、蛋白的生物飼料開發(fā)提供了科學支撐。侯海鋒和李茜[23]利用混合菌發(fā)酵由白頭翁、黃連、黃柏、秦皮等組成的復方藥渣，發(fā)酵產物替代飼用抗生素用于斷奶仔豬飼料添加劑，結果表明發(fā)酵藥渣能提高斷奶仔豬的生長性、抗氧化能力和免疫力，效果優(yōu)于抗生素。

3 中藥渣雙向發(fā)酵的主要菌株及其轉化體系

不同的微生物菌株具有不同的酶系特性，決定了其生理特征、代謝途徑和產物類型。用于藥渣雙向發(fā)酵的菌株從種類上可分為細菌、酵母菌和真菌，從方式上可分為單菌發(fā)酵和混合菌發(fā)酵。

單一菌株發(fā)酵具有發(fā)酵體系易于調控和產物較為簡單等多種優(yōu)勢，是雙向發(fā)酵研究中主要采用的發(fā)酵方式。目前研究者進行單菌發(fā)酵中利用最多的是真菌，包括靈芝菌、蟲草菌、康寧木霉、白腐菌和黑曲霉等[20]。靈芝菌是一種珍貴的藥用真菌，其生長代謝中能產生包括多糖、靈芝酸、腺苷等多種活性物質，此外其生長過程中能產生大量的纖維素酶和半纖維素酶，對植物組織有極好的降解和結構松散作用。相對真菌而言，現在以細菌或酵母菌單一菌株發(fā)酵中藥渣的研究較少，楊東川等[24]利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵紅參藥渣，并探討了發(fā)酵產物對小鼠生長和繁殖能力的影響。練高登等[25]利用酵母菌發(fā)酵轉化人參藥渣并初步優(yōu)化發(fā)酵工藝，結果發(fā)現發(fā)酵產物對改善磷酸銨誘導的小鼠黏膜損傷和提高機體免疫力具有顯著作用。

多菌種混合發(fā)酵的作用效果常常比單一菌種更好，其原因可能是多菌種間的協同效果，例如真菌與酵母菌的混菌發(fā)酵，一方面真菌具有較強的纖維素和半纖維素降解能力，為酵母菌提供良好的生長環(huán)境和碳源，即可以促進酵母菌生長又減輕了產物抑制效應，促使真菌更好生長，從而使得菌質的蛋白質含量和營養(yǎng)功能均得到提高。目前研究者選用康寧木霉、白腐菌、綠色木霉、產朊假絲酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、各類乳桿菌及丁酸梭菌等微生物進行藥渣混合發(fā)酵。譚顯東等[26-27]針對三七藥渣的利用，開展了真菌和酵母混菌發(fā)酵的系列深入的研究，所利用的真菌包括康寧木霉、綠色木霉、白腐菌、黑曲霉和米曲霉，選用的酵母包括產朊假絲酵母、釀酒酵母和熱帶假絲酵母，并建立了菌株生長、真蛋白含量變化及植物多糖降解的動力學曲線，證實酵母菌與真菌之間存在交互作用，混菌體系對真蛋白含量的增長作用更大。一些其他的研究則完全利用細菌組成混合菌株，進行中藥渣的雙向發(fā)酵，所采用的菌株基本是人腸道益生菌，具有安全無毒和強大的物質轉化能力等優(yōu)勢。蘇家宜等[28]利用含有枯草芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌和丁酸梭菌的復合菌種發(fā)酵中藥渣，菌質在保護肝臟、調節(jié)血脂濃度等方面均有一定療效。鄧侃等[29]考察了益生微生物在健胃消食片藥渣開發(fā)中的應用，最終發(fā)現鼠李糖乳酸桿菌和長雙歧桿菌混合菌發(fā)酵藥渣的菌質具有最佳的藥理活性。

4 中藥渣微生物轉化的主要藥理活性

我國中藥資源豐富，藥渣種類繁多，經微生物雙向發(fā)酵后，最終產物兼具了藥渣和微生物代謝的物質基礎，往往能產生提高免疫力、抗氧化及抗菌等多種生理活性。

4.1 提高機體免疫力

研究表明，藥渣的發(fā)酵產物往往具有提高機體免疫等作用。研究發(fā)現，黃芪藥渣-酵母雙向發(fā)酵產物能顯著提高糖尿病大鼠體內免疫球蛋白、白細胞介素-2、胰島素水平，在降低糖尿病大鼠空腹血糖的同時，提高了大鼠機體免疫力[30]。羅杰等[31]利用蛹蟲草菌發(fā)酵五味子藥渣，進而考察發(fā)酵菌質對斷奶仔豬免疫力的影響，結果表明，發(fā)酵產物提高了仔豬脾臟CD3+、CD3+/CD4+值，同時脾臟淋巴細胞增殖指數和血清免疫球蛋白IgA、IgG和IgM含量均顯著提高。

4.2 提高機體抗氧化能力

研究表明藥渣雙向發(fā)酵菌質含有大量清除自由基的活性物質，在提高機體抗氧化活性方面具有顯著的應用潛力。研究發(fā)現，金蓮花藥渣發(fā)酵物能顯著提高肉雞血液中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性，同時還能顯著降低血清中丙二醛的含量，表明金蓮花藥渣發(fā)酵物能顯著提高肉雞的抗氧化能力[32]。復合中藥渣的發(fā)酵產物能顯著提高仔豬血清中的谷胱甘肽含量，增加過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性[33-34]。紅參藥渣通過發(fā)酵后所得產物可以增強雌性大鼠的抗氧化能力，影響脂質代謝，并能提高脾臟、胸腺指數[35]。

4.3 產生抗菌物質

隨著細菌耐藥性問題的日趨嚴重，尋找高效、低毒且抗耐藥性的抗菌物質迫在眉睫。許多研究報道證實中藥具有良好的抗菌作用，且不易出現耐藥性。在這些發(fā)現的啟示下，一些研究者關注到了藥渣雙向發(fā)酵菌質的抗菌作用。研究發(fā)現金蓮花藥渣的雙向發(fā)酵產物對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有明顯的抑菌和殺菌作用，但是對綠膿桿菌的作用較弱[36]。金蓮花藥渣的發(fā)酵產物不僅能協同增強氟康唑抗白念珠菌的作用，其本身也對白念珠菌具有較強的抑殺作用[37]。

5 展望

雙向發(fā)酵技術在藥渣的增效資源化利用領域具有廣闊的應用前景。但絕大部分研究工作仍停留在實驗室階段，缺乏現實工業(yè)化生產的應用，仍需要在以下幾方面開展深入研究。1）拓展菌種應用種類、強化菌株選育。優(yōu)良的微生物菌種是中藥渣雙向發(fā)酵體系高效轉化的關鍵和基礎。目前應用于中藥渣轉化的微生物主要集中在藥用真菌包括靈芝菌和蟲草菌，真菌的曲霉屬、根霉屬、毛霉屬以及細菌的枯草芽孢桿菌、乳酸菌和丁酸菌和酵母菌，應用的微生物種類相對較少，應用更多不同的微生物，將豐富中藥渣的轉化體系和產物類型，拓展轉化菌質的應用領域。2）中藥渣利用種類的拓展。中成藥往往是多種藥材共同煎煮，這使得藥渣組成復雜，而即使同一種中成藥，其加工方式不同，藥材來源不同，藥渣性質也不盡相同?，F階段對藥渣的轉化利用基本針對某種單味中成藥的中藥渣進行研究，體系相對較為簡單，因此針對復合中藥渣開展微生物轉化研究，將拓寬雙向發(fā)酵技術在中藥渣資源化利用中的應用。3）微生物轉化機制的研究。中藥渣成分復雜，既含有纖維素、半纖維素、蛋白質等營養(yǎng)物質，又含有萜類、黃酮類、生物堿類等活性物質，系統(tǒng)研究微生物在中藥渣上的生長規(guī)律、代謝特性和轉化類型，闡明中藥渣活性成分和轉化產物間的對應關系，確定參與轉化的關鍵酶，從細胞和分子水平闡明微生物對中藥渣轉化機制，將為中藥渣高效轉化以及定向合成轉化產物奠定基礎，同時為藥渣的高值化利用提供指導。4）雙向發(fā)酵轉化體系調控技術的研究。在微生物轉化中藥渣的過程中，環(huán)境因素如溫度、pH、轉化時間以及培養(yǎng)基組成等都會對轉化效果產生較大影響，尤其是在復合菌株轉化體系中，如何實現不同微生物的協同高效生長轉化尤為重要，通過對培養(yǎng)方式、培養(yǎng)設備、轉化體系調控技術等研究，建立中藥渣高效、低成本的轉化技術將為中藥渣規(guī)?；?、高值化利用奠定基礎。

綜上所述，中藥渣的微生物發(fā)酵轉化是一項涉及多領域、多學科的集成性工程。面向不同中藥渣的理化性質和化學組成，科學合理的構建其雙向發(fā)酵體系，對衍生中藥資源的經濟產業(yè)鏈和實現我國中藥產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論和現實意義。

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（2020-04-27收稿 責任編輯：楊覺雄）