汪洋 汪德剛 張世新 鄧貞懷
摘 要:中藥微生態(tài)發(fā)酵是將現(xiàn)代生物技術(shù)與傳統(tǒng)中藥炮制相結(jié)合形成的中藥制藥新技術(shù)。本文介紹了該技術(shù)的基本原理與主要工藝,總結(jié)了該技術(shù)增加中藥有效成分含量、提高利用率、產(chǎn)生新活性成分、減輕毒副作用、節(jié)約資源等方面的優(yōu)勢(shì),分析了研究中面臨的問(wèn)題,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:中藥;微生態(tài);發(fā)酵
中藥以其來(lái)自天然、多功能性、毒副作用低、不易產(chǎn)生耐藥性等優(yōu)勢(shì),在人類醫(yī)學(xué)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、食品科學(xué)、日用化學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,近年來(lái)尤其受到關(guān)注與重視。由于中藥多為僅經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單物理加工的天然物質(zhì),其化學(xué)組分復(fù)雜,有效成分(部位)不完全清晰,簡(jiǎn)單的炮制與制劑工藝常使其難于得到充分的利用。為了提高中藥利用效率,增強(qiáng)藥物效果或調(diào)整、修飾藥物功能,人們對(duì)中藥的加工工藝開(kāi)展了多途徑、深層次的研究,如中藥有效成分提取、中藥超微粉碎、中藥微生態(tài)發(fā)酵等技術(shù)的研究都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,部分技術(shù)已應(yīng)用于中藥制劑生產(chǎn)。在中藥現(xiàn)代加工工藝研究中,中藥微生態(tài)發(fā)酵技術(shù)是相對(duì)新興而活躍的領(lǐng)域。其實(shí),常用的中藥神曲(又稱六曲、六神曲)就是傳統(tǒng)中藥炮制的一個(gè)發(fā)酵產(chǎn)品,但傳統(tǒng)的中藥發(fā)酵方法多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,工藝技術(shù)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的日益發(fā)展,將發(fā)酵工程等現(xiàn)代工藝與傳統(tǒng)中藥發(fā)酵結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生了新的工藝,即中藥微生態(tài)發(fā)酵:通過(guò)利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的酶與中藥中復(fù)雜的化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng),從而得到與提高其有效成分含量。中藥微生態(tài)發(fā)酵在增強(qiáng)藥物療效、減輕毒副作用、節(jié)約藥材資源等方面均較傳統(tǒng)發(fā)酵方法存在顯著優(yōu)勢(shì),具有廣闊的研究與應(yīng)用前景。
1中藥微生態(tài)發(fā)酵原理與技術(shù)
中藥微生態(tài)發(fā)酵方法基源于中藥炮制學(xué)與現(xiàn)代微生物學(xué),是將傳統(tǒng)炮制方法與發(fā)酵工程等現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合而形成的新技術(shù)。根據(jù)反應(yīng)體系可分為液體發(fā)酵與固體發(fā)酵。此后在固體發(fā)酵的基礎(chǔ)上,近來(lái)又產(chǎn)生了藥用真菌雙向性固體發(fā)酵技術(shù)[1]。中藥發(fā)酵的作用機(jī)理比較復(fù)雜,主要依靠微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。中藥發(fā)酵過(guò)程中,微生物會(huì)產(chǎn)生纖維素酶、果膠酶、蛋白酶、淀粉酶等多種次生代謝產(chǎn)物,通過(guò)這些活性分子與中藥材相互作用,不僅能夠在比傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法更為溫和的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)藥性的調(diào)整,而且可以進(jìn)一步增強(qiáng)藥物療效、降低毒副作用、擴(kuò)大用藥范圍[2]。
1.1 液體發(fā)酵
液體發(fā)酵又稱為液體深層發(fā)酵,其技術(shù)起源于抗生素的生產(chǎn)工藝。主體是將菌種加入培養(yǎng)基中,進(jìn)行充分混合后在適宜溫度下進(jìn)行發(fā)酵,產(chǎn)品包括菌絲體與發(fā)酵液兩部分。液體深層發(fā)酵生產(chǎn)自動(dòng)化程度較高,物質(zhì)傳遞率高,繼承性好,能夠提高發(fā)酵中藥的均一性,理論上能夠提高發(fā)酵炮制中藥的產(chǎn)量,工業(yè)化生產(chǎn)較為容易,具有廣闊的應(yīng)用空間[3]。但與抗生素相比,大多數(shù)中藥并不具有直接的抗菌作用,在發(fā)酵過(guò)程中容易受到雜菌污染,對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的工藝要求較高。另外,在目前液體發(fā)酵工藝條件下中藥有效成分轉(zhuǎn)化率較低,相對(duì)成本較高,對(duì)藥材資源有一定浪費(fèi),需要在發(fā)酵工藝,尤其是新型發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)上進(jìn)行探索。
1.2 固體發(fā)酵
固體發(fā)酵與傳統(tǒng)中藥發(fā)酵方法相類似,是以富含營(yíng)養(yǎng)的農(nóng)副產(chǎn)品作為發(fā)酵基質(zhì),利用真菌作為發(fā)酵菌種的發(fā)酵方法。固體發(fā)酵不經(jīng)滅菌,體系開(kāi)放,易于控制溫度、濕度、酸堿度、通氣等培養(yǎng)條件,藥材有效成分轉(zhuǎn)化率高于液體發(fā)酵,能夠較大程度地提高發(fā)酵炮制中藥的質(zhì)量,但缺乏科學(xué)的發(fā)酵終點(diǎn)與觀察指標(biāo),多數(shù)依靠制藥人的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行判斷。我國(guó)幅員遼闊,中藥的應(yīng)用遍布全國(guó)各個(gè)領(lǐng)域,不同地區(qū)與企業(yè)對(duì)同樣藥材使用不同的發(fā)酵方法,缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[4]。同時(shí),開(kāi)放的體系也造成了發(fā)酵菌種的混雜,不利于發(fā)酵效果最大化,對(duì)產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量也有潛在的威脅。相對(duì)于液體發(fā)酵,固體發(fā)酵在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)上存在較大困難,從而限制了固體發(fā)酵的應(yīng)用。
1.3 藥用真菌雙向性固體發(fā)酵技術(shù)
20世紀(jì)90年代由莊毅等在研究擴(kuò)大槐耳菌質(zhì)對(duì)慢性乙肝等病毒性疾病的臨床適應(yīng)癥時(shí),依據(jù)中藥被曲霉Aspergillus sp.、青霉Penicillium sp.等污染后發(fā)酵導(dǎo)致藥性變化的原理,獨(dú)創(chuàng)了藥用真菌雙向性固體發(fā)酵技術(shù),其關(guān)鍵是將傳統(tǒng)固體發(fā)酵中使用的農(nóng)副產(chǎn)品替換為具有一定活性成分的中藥或藥渣,以形成“藥-藥”發(fā)酵體系,稱為藥用菌質(zhì)。與使用農(nóng)副產(chǎn)品作為發(fā)酵基質(zhì)的體系不同的是,藥性基質(zhì)在提供真菌發(fā)酵所需營(yíng)養(yǎng)的同時(shí),自身的組織、性狀也會(huì)受到真菌的影響,甚至產(chǎn)生新的性味與功能[5]。其優(yōu)勢(shì)在于將藥用真菌與中藥有機(jī)的結(jié)合在一起,可以產(chǎn)生大量的發(fā)酵組合,應(yīng)用前景廣闊。但目前仍缺乏科學(xué)完整的理論支撐,還有待于進(jìn)一步的研究探索。
2中藥微生態(tài)發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)與作用
中藥微生態(tài)發(fā)酵的本質(zhì)是利用微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的酶對(duì)中藥材中活性底物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的過(guò)程。因微生物種類多、酶系廣,利用微生物發(fā)酵更易于獲得活性更好的中藥組分。概括地說(shuō),中藥微生態(tài)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)有:提高藥性、增強(qiáng)藥效;降低不良反應(yīng);為中藥活性成分的修飾提供新途徑;以及節(jié)約藥材資源,保護(hù)環(huán)境等。
2.1 增加有效成分含量
在王玉紅等的實(shí)驗(yàn)中,利用液體深層發(fā)酵的方法,向靈芝發(fā)酵培養(yǎng)基中加入黃芪,結(jié)果表明加入黃芪的量對(duì)靈芝濕重的影響呈現(xiàn)先增加后減少的單一峰,胞內(nèi)外粗多糖也在同一位置達(dá)到峰值,與對(duì)照組相比有顯著增加,推測(cè)其原因?yàn)殪`芝胞內(nèi)存在的纖維素酶系可以利用黃芪中的單糖與纖維素等組分,但過(guò)量的黃芪卻對(duì)靈芝的生長(zhǎng)起抑制作用[6]。在湯興利等的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)預(yù)發(fā)酵能夠提高盾葉薯蕷中薯蕷苷元的產(chǎn)率,通過(guò)進(jìn)一步選擇合適的發(fā)酵時(shí)間與溫度,使盾葉薯蕷中薯蕷皂苷元的產(chǎn)量提高了22.7%,但發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)于24 h后則會(huì)出現(xiàn)其他雜質(zhì)[7]。王貞佐等在研究中發(fā)現(xiàn),在蟲(chóng)草培養(yǎng)基中加入中藥對(duì)菌絲體的生長(zhǎng)有明顯的刺激作用,并能提高培養(yǎng)基中多糖的利用率:向冬蟲(chóng)夏草發(fā)酵液中加入占總體系10%且等份的黃芪、當(dāng)歸、海馬、柴胡、焦三仙等中藥后菌絲體產(chǎn)量較未加入中藥時(shí)提高了2.6倍,其有效成分甘露醇的含量提高了5.92倍[8]。蔡琨等通過(guò)提取單一發(fā)酵菌種,控制淡豆豉進(jìn)行純種發(fā)酵,將產(chǎn)物與自然狀態(tài)下發(fā)酵得到的淡豆豉進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)純種發(fā)酵的淡豆豉中,染料木素和大豆黃素的含量與自然發(fā)酵的產(chǎn)物含量存在顯著性差異[9]。
2.2 提高有效成分利用率
目前使用的中藥多為植物體或植物的部分組織,其有效成分多存在于植物細(xì)胞內(nèi)。然而植物細(xì)胞由于有細(xì)胞壁保護(hù),胞內(nèi)大分子活性物質(zhì)難以穿過(guò)細(xì)胞壁,導(dǎo)致中藥的有效成分利用率較低。在與微生物共同培養(yǎng)、發(fā)酵的過(guò)程中,微生物代謝產(chǎn)生的纖維素酶、果膠酶等能夠作用于細(xì)胞壁并將其破壞,從而使中藥的有效成分釋放到細(xì)胞外,更易被生命機(jī)體吸收利用。如徐萌萌等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)微生物能夠利用苷分子中的糖類進(jìn)行代謝,從而將牛蒡子、甘草、梔子、黃芩中的苷轉(zhuǎn)化為苷元,顯著提高藥材有效成分苷元的含量,便于人體吸收利用,從而提前起效時(shí)間,增強(qiáng)藥效——在治療急性耳廓炎時(shí),經(jīng)發(fā)酵處理的牛蒡子、甘草等藥效明顯強(qiáng)于未經(jīng)發(fā)酵的生品[10]。在馮志華等的實(shí)驗(yàn)中,使用地衣芽孢桿菌C2-13對(duì)紅花進(jìn)行發(fā)酵,利用C2-13產(chǎn)生的各種糖苷水解酶,將紅花中的糖苷類化合物水解為苷元,利用率更高,更易于被人體吸收,而且產(chǎn)物較發(fā)酵前羥自由基清除能力與肝氧化物產(chǎn)生的抑制能力均有大幅提高,同時(shí)對(duì)紅細(xì)胞溶血抑制率提高了43.75%[11]。
2.3 減輕毒副作用
中藥存在的毒副作用與不良反應(yīng)是制約其廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素。中藥的毒性或副作用主要來(lái)源于藥材中含有的一些毒性大分子及其進(jìn)入機(jī)體后生成的一些刺激性物質(zhì)。經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵過(guò)程,微生物中的酶系統(tǒng)可將毒性大分子分解,或?qū)ζ浞肿咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾,達(dá)到降低中藥毒性、減輕毒副作用的效果。鄭利華等使用根霉菌與L-賴氨酸發(fā)酵的五倍子治療潰爛性結(jié)腸炎,與未經(jīng)發(fā)酵的生五倍子相比,熟五倍子在顯著提高治愈率的同時(shí),發(fā)酵生成的大量L-賴氨酸減少了鞣酸與胃腸道內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)合導(dǎo)致的消耗,提高了五倍子的收斂作用,同時(shí)促進(jìn)了蛋白質(zhì)的吸收,有效減少了大分子沉淀物對(duì)胃腸黏膜的刺激,緩解了服用五倍子后食欲不振的不良反應(yīng)[12]。
2.4 產(chǎn)生新的活性成分
在中藥微生態(tài)發(fā)酵的過(guò)程中,除了多種酶系,微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的其他初級(jí)、次級(jí)代謝產(chǎn)物也會(huì)同藥材中的活性成分甚至非活性成分發(fā)生反應(yīng),生成新的前體化合物,為中藥有效成分的人工合成與研制新藥提供了新的途徑。如李國(guó)紅等利用枯草芽孢桿菌對(duì)三七須根進(jìn)行發(fā)酵,結(jié)果在產(chǎn)物中檢出五種化合物,其中人參皂苷Rh4在三七中未見(jiàn)報(bào)道,原料藥中也未檢出,可以說(shuō)明其來(lái)自于三七須根與微生物的發(fā)酵反應(yīng)[13]。而王玉紅等在將黃芪加入靈芝發(fā)酵體系后也在產(chǎn)物中檢出了新的相對(duì)分子質(zhì)量較小的活性多糖分子,推測(cè)其為在發(fā)酵體系中加入黃芪后經(jīng)藥材間相互作用而形成的新組分[6]。
2.5 節(jié)約藥源
中藥微生態(tài)發(fā)酵不僅能夠達(dá)到增效、解毒的效果,而且可以利用中藥渣作為培養(yǎng)基質(zhì),既解決了藥渣可能對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題,又充分利用了藥渣中的蛋白質(zhì)與糖類,達(dá)到同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)成本與藥材資源的目的。而利用藥用真菌組建的發(fā)酵體系更存在著組成新型復(fù)方的可能,有希望廣泛提供新的藥用資源,成為未來(lái)中藥資源研究的熱點(diǎn)。香港中醫(yī)博士吳志勇與內(nèi)地教授林陸山合作,將黃芪發(fā)酵后使黃芪多糖的含量較傳統(tǒng)的煎、煮、水提法提高了5倍,且該發(fā)酵中藥只需1/28的量,即可與一般煎、煮、水提物1份的量發(fā)揮同等藥效,大大節(jié)省了藥材用量[14]。王兵等利用白腐菌對(duì)中藥渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,不僅降低了藥渣中纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),同時(shí)顯著提高了蛋白質(zhì)與氨基酸的含量,將原本作為污染的藥渣變?yōu)樯a(chǎn)蛋白飼料的基質(zhì)[15]。
3中藥微生態(tài)發(fā)酵技術(shù)面臨的問(wèn)題
中藥微生態(tài)發(fā)酵較之傳統(tǒng)中藥炮制工藝在產(chǎn)量、利用率及藥效等方面均有明顯進(jìn)步,是現(xiàn)階段中藥工藝創(chuàng)新的重要研究方向,但仍面臨著一些亟待解決的問(wèn)題。首先,由于中藥化學(xué)成分的復(fù)雜性和作用機(jī)理的不明確性,中藥的有效成分、某些非有效成分與發(fā)酵基質(zhì)、微生物間的相互作用還有待研究證實(shí)。如王林等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)向靈芝發(fā)酵液中加入黃芩、連翹、金銀花后,樣品生物量明顯降低,而加入麻黃、萊菔子后靈芝的生物量明顯高于對(duì)照組,說(shuō)明向發(fā)酵液中加入不同中藥及配比對(duì)靈芝生物量的影響差別很大,甚至?xí)憩F(xiàn)截然不同的效果[16]。其次,對(duì)藥用微生物的研究還比較欠缺,菌種的選育是中藥發(fā)酵的關(guān)鍵,在多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究中多采用枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌或根霉菌等部分菌種,但枯草芽孢桿菌對(duì)不同的中藥發(fā)酵效果也有所不同。根據(jù)李國(guó)紅等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在經(jīng)枯草芽孢桿菌發(fā)酵后,部分中藥的發(fā)酵產(chǎn)物抗菌活性增加,而部分中藥的發(fā)酵產(chǎn)物抗菌活性卻有所降低,如何從自然界中選育、分離并純化新的藥用菌種,怎樣根據(jù)藥材自身特點(diǎn)選擇合適的發(fā)酵菌種等都還有待進(jìn)一步研究[17]。第三,確定最適發(fā)酵條件與終點(diǎn),尋找發(fā)酵過(guò)程中科學(xué)的觀測(cè)指標(biāo),建立中藥篩選模型與多維評(píng)價(jià)體系,也是中藥微生態(tài)發(fā)酵的技術(shù)難點(diǎn)之一[18]。
4中藥微生態(tài)發(fā)酵技術(shù)展望
中藥微生態(tài)發(fā)酵技術(shù)是現(xiàn)代生物技術(shù)與傳統(tǒng)中藥工藝研究的有機(jī)結(jié)合,在新藥、新獸藥開(kāi)發(fā)與中藥現(xiàn)代化、國(guó)際化過(guò)程中占有重要地位。該技術(shù)目前總體仍處于起步階段,存在著巨大的發(fā)展空間。從基礎(chǔ)理論方面看,現(xiàn)階段對(duì)中藥微生態(tài)發(fā)酵的研究局限于單一中藥與單一菌種的相互作用,缺少?gòu)纳锘瘜W(xué)及分子生物學(xué)角度將特定菌種(酶系)與其作用的有效成分(苷類、有機(jī)酸、生物堿等)按類別歸納分析的工作,而這項(xiàng)研究卻能夠作為中藥微生態(tài)發(fā)酵技術(shù)的理論綱領(lǐng),作為構(gòu)建最適發(fā)酵體系的指導(dǎo)。從藥理方面看,目前對(duì)發(fā)酵過(guò)程中藥材間相互作用機(jī)理的研究還比較欠缺,而應(yīng)用中藥微生態(tài)發(fā)酵制品的中藥單方、復(fù)方也為數(shù)不多,投入臨床觀察與生產(chǎn)的發(fā)酵新藥更是寥寥無(wú)幾,但隨著中醫(yī)藥理論與現(xiàn)代科學(xué)的接軌,將會(huì)有越來(lái)越多的中藥發(fā)酵產(chǎn)品投入臨床應(yīng)用[19]。從工藝方面看,利用發(fā)酵工程的前沿技術(shù)選育優(yōu)良工程菌,探索最優(yōu)藥材與菌種發(fā)酵組合,將會(huì)在最大限度上提高產(chǎn)率與藥效。另外,對(duì)多菌種混合發(fā)酵模式的嘗試成為近期熱點(diǎn)內(nèi)容,該技術(shù)將會(huì)極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、可控性,提高產(chǎn)品的藥效與安全性[20]。從產(chǎn)品方面看,作為微生態(tài)制劑主要成分的許多菌種,如雙歧桿菌、乳酸菌等在中藥發(fā)酵方面也有巨大的潛力,將中藥發(fā)酵與微生態(tài)制劑有機(jī)結(jié)合,形成新的集治病、防病、保健于一身的中藥微生態(tài)產(chǎn)品,而不僅僅局限于利用微生物的發(fā)酵作用,也是中藥微生態(tài)發(fā)酵的重要發(fā)展方向。我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中,積極探索開(kāi)發(fā)了部分微生態(tài)發(fā)酵的中獸藥產(chǎn)品,投放市場(chǎng)后獲得了滿意的效果,得到普遍好評(píng)。綜上所述,隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展與中藥工藝創(chuàng)新的進(jìn)步,中藥微生態(tài)發(fā)酵技術(shù)將在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,發(fā)酵中藥也將憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)為保障人類健康、防治畜禽疾病與維護(hù)食品安全做出重大貢獻(xiàn)。■(編輯:何芳)
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