基于生物發(fā)酵技術(shù)的中藥藥渣開發(fā)應(yīng)用研究進(jìn)展

劉煥煥，郭楓，許文迪，邱智東，王偉楠*

（長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，吉林長春130117）

基于生物發(fā)酵技術(shù)的中藥藥渣開發(fā)應(yīng)用研究進(jìn)展

劉煥煥，郭楓，許文迪，邱智東，王偉楠*

（長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，吉林長春130117）

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國中藥材年產(chǎn)量約7 000萬t，而在制藥企業(yè)進(jìn)行工業(yè)化加工生產(chǎn)過程中，被丟棄的藥渣等固體廢棄物可達(dá)3 500萬t，約為藥材總產(chǎn)量的一半，過度的資源浪費(fèi)阻礙了中醫(yī)藥事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，因此中藥藥渣妥善處理的問題亟待解決。近年來，應(yīng)用生物發(fā)酵技術(shù)手段提升中藥藥渣的利用價值備受關(guān)注，該文以中藥藥渣的生物發(fā)酵為中心，從有氧發(fā)酵和無氧發(fā)酵兩個方面為切入點(diǎn)進(jìn)行綜述，為中藥藥渣的深度開發(fā)和中藥資源的可持續(xù)利用提供了新的思路。

中藥藥渣；生物發(fā)酵；開發(fā)應(yīng)用；研究進(jìn)展

為挖掘中藥資源的發(fā)展?jié)摿Γ岣咧兴庂Y源利用效率，國家在“十二五”規(guī)劃中明確指出要對傳統(tǒng)名貴中藥進(jìn)行二次開發(fā)、技術(shù)改造和臨床應(yīng)用再評價研究，因此中藥藥渣的充分利用和妥善處理意義重大。中藥藥渣主要來源于原料藥生產(chǎn)、中成藥生產(chǎn)、中藥材加工與炮制、提取等過程[2-3]。我國許多藥品生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備、技術(shù)等方面同國外相比，仍有很大進(jìn)步空間。由于傳統(tǒng)提取方法單一，多數(shù)中藥制藥過程中的有效成分提取率僅為30%～70%，而經(jīng)提取后的藥渣和非入藥部位則被歸為廢料一類[4]。有報道顯示，中藥藥渣包含植物纖維、脂類、蛋白質(zhì)、多糖、黃酮、生物堿、萜類以及多種微量元素等大量可再利用的營養(yǎng)成分[5]，目前這些成分主要用于基質(zhì)栽培、生物燃料、畜禽飼料、生物有機(jī)肥、膳食纖維保健品等[6-7]。

中藥生物發(fā)酵是近年來中藥現(xiàn)代化研究的熱點(diǎn)問題，是現(xiàn)代生物技術(shù)與傳統(tǒng)中藥優(yōu)勢的完美結(jié)合，是改善中藥藥效物質(zhì)基礎(chǔ)的重要手段之一。生物發(fā)酵同化學(xué)反應(yīng)相比，具有專屬性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高、安全無毒等優(yōu)勢[8-9]。利用生物發(fā)酵手段發(fā)揮微生物的生物降解作用，增加中藥藥渣活性成分的釋放，充分利用中藥藥渣的生物質(zhì)資源，不失為中藥藥渣精細(xì)高值化利用的新途徑[10]。本文著重從厭氧發(fā)酵和有氧發(fā)酵兩個方面對中藥藥渣的微生物發(fā)酵進(jìn)行簡要綜述，以期為中藥藥渣的深度開發(fā)和中藥資源的可持續(xù)利用研究提供參考。

1 厭氧發(fā)酵在中藥藥渣開發(fā)中的應(yīng)用

厭氧發(fā)酵也稱厭氧消化，是指厭氧微生物菌群在厭氧條件下將固體廢物中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CO2、CH4和自身物質(zhì)能量的過程。其中不僅涉及多種菌群的相互作用，又伴隨著各種生化、化學(xué)反應(yīng)，且影響其反應(yīng)進(jìn)程的因素較多，主要包括溫度、氧化還原電位、pH值、含水率等，其本身是一個復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)微生物降解的過程[11-12]。利用藥渣中殘留的各種無機(jī)元素、有機(jī)酸和纖維素等可為厭氧菌群生長提供豐富的營養(yǎng)條件。中藥藥渣的厭氧發(fā)酵產(chǎn)物主要包括沼氣、乙醇等生物質(zhì)能源。如植物類中藥材被提取后的中藥藥渣，還可為產(chǎn)酸菌和甲烷菌的繁殖提供富足的生長環(huán)境，是生產(chǎn)沼氣的理想原料。徐俊虎[13]在對湖北午時藥業(yè)中藥渣厭氧處理的研究中，選取地黃藥渣為厭氧消化原料，探索中藥渣產(chǎn)沼氣替代煤燃料提供反應(yīng)器的設(shè)計依據(jù)，既能為藥廠處理污染、提供清潔能源提供了一定的實(shí)踐依據(jù)。習(xí)彥花等[14]選取幾種不同成分的復(fù)方混合中藥藥渣為發(fā)酵原料，采用室內(nèi)批式發(fā)酵工藝在恒溫（35±1）℃條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，通過監(jiān)測中藥渣在厭氧消化產(chǎn)沼氣過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，確定該復(fù)方混合藥渣是厭氧消化產(chǎn)沼氣的優(yōu)質(zhì)原料。張英等[15]以藿香正氣水藥渣為原料，在初步研究其同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的工藝時，得到的最優(yōu)條件中乙醇含量可達(dá)到16.9 g/L，使中草藥藥渣作為一種纖維素廢棄物原料，在發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、解決燃料短缺方面具有潛在的應(yīng)用前景。

2 有氧發(fā)酵在中藥藥渣開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 生物有機(jī)肥

中藥渣中富含土壤所需的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等，具有質(zhì)輕、通氣性好等特點(diǎn)，是一種輕基質(zhì)原料。李秀穎等[16]在黃姜去皂苷后的藥渣中加入有益微生物，發(fā)酵20 d后制得的生物有機(jī)肥料，經(jīng)檢測合格可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為藥渣廢棄物的綜合利用開辟新途徑。劉金鵬等[17]以中藥藥渣、玉米芯和粘土為原料，木屑為發(fā)酵菌液載體，經(jīng)一系列加工處理后制得的有機(jī)肥料中有機(jī)質(zhì)含量較高，對改良土壤性質(zhì)，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長，避免工業(yè)化肥帶來的土壤板結(jié)和土質(zhì)退化等問題均有較好的作用。方練等[18]將中藥藥渣經(jīng)干濕化處理后，適當(dāng)添加粗纖維降解菌等進(jìn)行混合發(fā)酵后得到中藥渣有機(jī)肥料半成品，根據(jù)有機(jī)肥料中所需的氮、磷、鉀含量，定量加入硫酸銨、硫酸鉀或氯化鉀等，制成的肥料產(chǎn)品中既含有有機(jī)質(zhì)，且無機(jī)成分氮、磷、鉀養(yǎng)分豐富，是一款營養(yǎng)全面、高效、無公害的有機(jī)肥料。

2.2 禽畜飼料或飼料添加劑

利用中藥藥渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)功能飼料，是中藥藥渣有效再利用的一大實(shí)踐。戴德慧等[19]在丹參藥渣發(fā)酵生產(chǎn)藥用真菌多糖生物飼料研究中，以藥用真菌為主的多菌種混合發(fā)酵丹參藥渣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵后可溶性多糖和真蛋白的含量與發(fā)酵前相比，均有明顯提高，為以后生產(chǎn)富含真菌多糖生物飼料做了初步研究。周勇等[20]采用嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）、乳酸芽孢桿菌（Lactobacillus sporogenes）、產(chǎn)朊假絲酵母菌（Candida utilis）的混合菌種對復(fù)合中藥渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，得到較好的發(fā)酵結(jié)果為多糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.1%，菌體含量為1.5×107CFU/g。進(jìn)一步說明中藥渣經(jīng)發(fā)酵后可開發(fā)成飼料資源的可行性。敖楊等[21]在研究金蓮花藥渣發(fā)酵物對未免疫肉仔雞的影響中，以生產(chǎn)性能、免疫功能、抗氧化能力和抗病力為考察指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加金蓮花的藥渣發(fā)酵物可提高肉雞體增質(zhì)量和成活率，增加肉雞血清中總超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，T-SOD）、總抗氧化能力（total antioxidant capacity，T-AOC）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）活性，具有明顯的抗氧化能力，對未免疫肉雞的抗病力和免疫功能均有增強(qiáng)，說明金蓮花藥渣發(fā)酵物可作為雞飼料添加劑。

另外，中草藥因?yàn)榧?xì)胞壁的存在，大大阻礙了非草食動物對一些營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，所以在發(fā)酵前篩選出適合藥渣轉(zhuǎn)化的菌株或菌群，再針對不同動物的各生長階段，開發(fā)具有專屬性的飼料添加劑是目前研究的熱點(diǎn)問題[22]。

2.3 發(fā)酵培養(yǎng)基

中藥藥渣中因含有微生物生長繁殖所需的碳源、氮源、生長因子、無機(jī)鹽等營養(yǎng)物質(zhì)，常作為發(fā)酵基質(zhì)用于固體發(fā)酵或液體發(fā)酵中。楊麗紅等[23]在中藥渣固體發(fā)酵亮菌（Armillariella tabescens）產(chǎn)漆酶的研究中，運(yùn)用正交試驗(yàn)法對幾種不同中藥渣固體發(fā)酵亮菌的培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)培養(yǎng)基的組成為葡萄糖0.9%，白芍∶麩皮= 3∶7，含水量65.0%，接種量11.0%時，獲得最高活性的漆酶。岳鹍等[24]以大黃、芍藥和麻黃藥渣為原材料，用毛云芝菌（Coriolus hirsutus）進(jìn)行液體發(fā)酵真菌漆酶的生產(chǎn)工藝研究中，優(yōu)化得到的大黃藥渣培養(yǎng)基最佳組成：大黃藥渣12.0%，麩皮3.0%，蛋白胨0.2%，MgSO43.0 g/L，KH2PO43.0 g/L。在該條件下，毛云芝菌發(fā)酵后的產(chǎn)酶酶活提高了1.4倍。賀曉玉[25]選取蛹蟲草菌（Cordyceps millitaris）為發(fā)酵菌株，將五味子藥渣發(fā)酵15 d后，優(yōu)化得到的培養(yǎng)基條件為藥渣基質(zhì)37.0 g/L，接種量23.0%，水料比2.0∶1.0（mL∶g），所得的發(fā)酵產(chǎn)物中多糖含量為2.9%，蟲草素含量為5.1mg/g。由此可見，五味子藥渣不僅可以作為蛹蟲草菌的藥性基質(zhì)，又是高效利用五味子藥渣的理想途徑。

微生物轉(zhuǎn)化中藥藥渣的反應(yīng)機(jī)制同轉(zhuǎn)化中藥材的機(jī)制基本一致，都是利用微生物把生物質(zhì)中某些成分作為自身的營養(yǎng)物質(zhì)，并利用其生長代謝過程中產(chǎn)生的豐富酶系，特異性地對某些活性位點(diǎn)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，從而引起中藥藥渣中的特定成分的結(jié)構(gòu)改變而獲得其他結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物[26]。在傳統(tǒng)的固體發(fā)酵中，發(fā)酵培養(yǎng)基往往是單向性為真菌提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)。而近年興起的雙向型固體發(fā)酵工程[27]，采用中藥材或中藥渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)營養(yǎng)型培養(yǎng)基作為藥性菌質(zhì)，不僅為真菌提供所需營養(yǎng)物質(zhì)，也在真菌代謝酶的作用下，使藥性菌質(zhì)中的活性成分發(fā)生量變或質(zhì)變，甚至產(chǎn)生新的活性物質(zhì)，可為中藥藥渣資源化的高效利用提供借鑒和引導(dǎo)。張慶明等[28]利用靈芝菌雙向發(fā)酵玄七通痹膠囊藥渣，以多糖、靈芝酸為主要的檢測指標(biāo)，得到當(dāng)藥渣溫度28℃、固液比1.0∶1.5（g∶mL）時、藥渣粒徑60目時發(fā)酵效果最好，且在發(fā)酵前后產(chǎn)生的多糖及靈芝酸組分均有差異，同時根據(jù)高效液相色譜圖的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了新生成的物質(zhì)，具有潛在的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。姬建秀等[29]在研究酵母菌發(fā)酵金蓮花藥渣的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，金蓮花藥渣的乙醇提取物可顯著抑制或殺滅真菌的作用，證明對藥渣中的某些成分進(jìn)行提取純化后同樣具有一定的藥理活性。HSU B Y等[30-31]研究靈芝菌發(fā)酵人參萃取殘渣中的人參皂苷變化時，主要考察了人參皂苷Rb1、Rc、Re、Rg1、Rg3（S）、Rh2（S）和對照CK的變化趨勢。結(jié)果表明，發(fā)酵后，人參殘渣中的人參皂苷Rg1、Rg3（S）和CK的水平有所增加，人參皂苷Rb1、Rc、Re和Rh2（S）出現(xiàn)減少的趨勢。這不僅解決了人參殘渣處理的問題，也為定向生物轉(zhuǎn)化人參皂苷成更多的生物活性發(fā)酵產(chǎn)物提供了可能。WEN Y L等[32]以瓜蔞、厚樸、甘草、丹參的水提取殘渣為主要原料，研究米曲霉固態(tài)發(fā)酵4種常見中草藥藥渣的抗氧化和抗菌活性的影響，比較發(fā)酵產(chǎn)物的甲醇提取物中化學(xué)組分和性質(zhì)的變化。結(jié)果表明，發(fā)酵產(chǎn)物的抗氧化活性高于未發(fā)酵的產(chǎn)品，且對病原細(xì)菌有廣譜抗菌活性，為生物發(fā)酵可增強(qiáng)中藥材的活性成分的釋放提供理論基礎(chǔ)。曲墨等[33]在靈芝菌固體發(fā)酵三七藥渣的工藝研究中，最終得到的發(fā)酵產(chǎn)物兼具藥用真菌和三七藥渣的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也對三七藥渣中殘留的一些活性成分進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)活性成分發(fā)生了變化，從一定程度上來說，提高了三七藥渣的應(yīng)用附加值。

另外，中藥渣中的纖維空隙率高、營養(yǎng)充足，使得菌絲易著生和繁殖，還是食用菌的優(yōu)良培養(yǎng)基[34-35]。

2.4 微生物絮凝劑

環(huán)境問題已是21世紀(jì)人類不容忽視的全球性問題。微生物絮凝劑是對微生物的發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行加工得到的具有安全、高效特性的新型水處理劑。王德馨[36]針對中藥渣發(fā)酵生產(chǎn)微生物絮凝劑進(jìn)行研究，以板藍(lán)根藥渣和梔子藥渣為基礎(chǔ)，分別從中藥渣和淤泥中篩選出既能在藥渣上培養(yǎng)又能產(chǎn)生絮凝劑的菌，根據(jù)檢測結(jié)果，得到的菌種為四孢脈孢菌（Neurosporatetrasperma）、宛氏擬青霉（Paecilomyces variotii）、惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida），菌種在發(fā)酵過程中，吸收利用中藥藥渣中的營養(yǎng)物質(zhì)，達(dá)到“以廢治廢”的目的。曹飛麗等[37]用白腐菌（Trametes versicolor）的典型菌種黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium Burdsall）對中藥渣進(jìn)行改性處理，制備出吸附能力更強(qiáng)的白腐菌改性中藥渣，為解決廢水中的重金屬提供參考。

2.5 其他

纖維素是中藥渣中主要的資源性化學(xué)成分，阻礙中藥材活性成分的充分溶出。除去纖維素的常用辦法有微生物降解和酶解法[38]。杜曉兵等[39]在綠色木霉（Trichoderma viride）Sn-9106固態(tài)發(fā)酵中藥渣制備纖維素酶的研究中，優(yōu)化得到的最適培養(yǎng)基條件為蛋白胨2.1 g/L、麩皮19.8 g/L及KH2PO42.9 g/L，濾紙酶活力可達(dá)12.6 IU/g，使得纖維素酶產(chǎn)量成倍提高。SANTOS T C D等[40]在探究黑曲霉固態(tài)發(fā)酵紅酸棗殘渣生產(chǎn)纖維素分解酶的實(shí)驗(yàn)中，以內(nèi)切葡聚糖酶和總纖維素酶為活性指標(biāo)，考察發(fā)酵時間和水活性對生產(chǎn)纖維素分解酶的影響。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)切葡聚糖酶的最佳條件是水活度0.98和93.8 h的發(fā)酵，達(dá)到3.2 U/g；而總纖維素酶是水活度0.96和79.4 h發(fā)酵，含量達(dá)到12.1 U/g，為大工業(yè)生產(chǎn)纖維素分解酶提供參考依據(jù)。

中藥渣的微生物發(fā)酵在處理重金屬污染上也有報道。張立穎等[41]將醇提過的威靈仙、敗醬草、麻黃的殘渣與錳渣混合后共同加入含有多菌復(fù)合的飼料發(fā)酵劑中進(jìn)行發(fā)酵后，產(chǎn)生的大量生物催化酶和有機(jī)酸，可將錳渣中的高價錳還原成二價錳離子，再經(jīng)適當(dāng)淋洗后，得到可回收的二價錳離子，達(dá)到中草藥殘渣和電解重金屬錳廢渣的雙重目的。

3 前景與展望

中藥是中華文化的瑰寶，中醫(yī)藥事業(yè)是我國傳統(tǒng)的資源型優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。隨著中藥產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)水平的逐步提高、生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，中藥藥渣的二次利用和深度開發(fā)，不僅能夠引導(dǎo)中藥產(chǎn)業(yè)走上綠色可持續(xù)發(fā)展的道路，真正形成“現(xiàn)代、集約、環(huán)?！钡闹兴幃a(chǎn)業(yè)新理念，同時也為社會經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境創(chuàng)造最為實(shí)質(zhì)的效益。通過微生物的生物發(fā)酵，轉(zhuǎn)化中藥藥渣的化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)，不失為實(shí)現(xiàn)中藥藥渣的精細(xì)高值化利用的有力手段；基于生物發(fā)酵技術(shù)的中藥藥渣開發(fā)，是緩解藥用物質(zhì)來源不足、解決中藥渣廢棄物造成的生態(tài)環(huán)境問題的又一突破口，更是中藥資源開發(fā)合理化、健康化應(yīng)用的綠色通道。近日“兩會”中有關(guān)中藥渣廢棄物處理問題的草案，預(yù)示著中藥渣的再次開發(fā)即將步入正?；?、規(guī)模化的軌道，發(fā)展前景很是樂觀。但由于微生物菌種發(fā)酵過程中對菌株或菌群的篩選、轉(zhuǎn)化酶專一性的限制、中藥藥渣來源多樣性和安全性、發(fā)酵工藝的穩(wěn)定性還不能滿足大工業(yè)生產(chǎn)等問題，仍需要科研人員更深層次的探索和研究。

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Research progress on development and application of traditional Chinese medicine residues based on bio-fermentation technology

LIU Huanhuan,GUO Feng,XU Wendi,QIU Zhidong,WANG Weinan*
(School of Pharmaceutical Sciences,Changchun University of Chinese Medicine,Changchun 130117,China)

According to incomplete statistics,at present,the annual production of traditional Chinese medicine(TCM)in China is 70 million tons. During industrial production process in pharmaceutical enterprises,the abandoned solid waste(such as medicine residues etc)can be up to over 35 million tons,which is nearly half of the medicinal material total production.The excessive waste of resources has been hindering the steady development of TCM career.The problem of properly handling of TCM residues is to be solved.In recent years,the introduction of bio-fermentation technology to improve the utilization value of TCM residues has drawn much attention from the public.The bio-fermentation of TCM residues was summarized from the aspects of aerobic fermentation and anaerobic fermentation two aspects as the breakthrough point,which provided a new idea for deep development of TCM residues and sustainable utilization of TCM resources.

TCM residues;bio-fermentation;development and application;research progress

X703.1

0254-5071（2017）04-0006-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.04.002

2017-02-23

吉林省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（20160201001YY）

劉煥煥（1992-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹兴幩巹W(xué)。

*通訊作者：王偉楠（1985-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)橹兴幓瘜W(xué)成分。