微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究進展

南博，游穎，王雨珊，王心哲，李萬叢，王玉華

（吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林長春130118）

微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究進展

南博，游穎，王雨珊，王心哲，李萬叢，王玉華*

（吉林農(nóng)業(yè)大學，吉林長春130118）

人參具有多種藥理功效（如抗腫瘤、抗癌、抗衰老等），除人參多糖、人參多肽等化合物外，其主要有效成分是人參皂苷。因此，通過化學法、酶法和微生物法對人參皂苷進行定向改造，水解其糖苷鍵，減少高含量人參皂苷的糖基數(shù)量，獲得具有更高藥理活性的稀有人參皂苷（如C-K，F(xiàn)2等），從而提高人參的經(jīng)濟附加值。因此對微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷研究現(xiàn)狀及進展進行了綜述，為微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的進一步研究提供相關(guān)依據(jù)。

人參；微生物轉(zhuǎn)化；人參皂苷

人參為五加科，是多年生草本植物，被人們譽為“百草之王”[1-2]，廣泛生長于我國的黑龍江、吉林、遼寧，特別是長白山地區(qū)。人參皂苷作為人參中草藥重要的有效成分，具有豐富的生物活性，如抗腫瘤（主要人參皂苷Rh2和Rg3）、抗疲勞（人參皂苷Rg1）、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)（人參皂苷 Rb1、Rd）、抗炎、抗氧化等[3-8]。

人參皂苷是人參特有成分，目前已分離出100余種[9]。人參皂苷按其皂苷元結(jié)構(gòu)的不同，可將人參皂苷分為3種類型：即達瑪烷型（Dammarane）四環(huán)三萜類皂苷，齊墩果酸（Oleanolic acid）型五環(huán)三萜皂苷和奧克梯?。∣cotillol）型皂苷。其中，達瑪烷型人參皂苷按其皂苷元的不同分為兩類：20（S）-原人參二醇（PPD型）和20（S）-原人參三醇（PPT型）[10]。因人參皂苷的糖基側(cè)鏈不同，其生物活性和藥理功能也有較大差異[11]。研究證實，二醇型皂苷與三醇型皂苷水解后的稀有皂苷和苷元具有更高的活性，進入血液從而被人體吸收利用。綜上，人參皂苷的糖鏈與它們的生物活性密切相關(guān)，通過修飾糖鏈可以顯著改變其生物學活性。由于天然皂苷（如C-K、F2、Rg3等）含量極少，因此利用化學法和生物轉(zhuǎn)化法定向改造人參皂苷，對于制備稀有人參皂苷具有深遠意義。

1 人參皂苷轉(zhuǎn)化方法

研究表明，含量豐富的人參皂苷（如Rb1、Rb2、Rc和Rd等）在C-3與C-20位上糖基的數(shù)目比稀有人參皂苷（Rg3、Rh2和C-K）多。通過減少高含量人參皂苷的糖基數(shù)量，制備糖基數(shù)量較少但具有較高生物活性的稀有人參皂苷。目前，國內(nèi)外制備稀有人參皂苷的方法為化學法和生物法（酶解法和微生物法）。但是，化學方法反應條件劇烈，要求高，副產(chǎn)物多，轉(zhuǎn)化利用的有機溶劑對人體有害，不利于醫(yī)療發(fā)展[12]；生物法又包括酶解法和微生物法轉(zhuǎn)化[12]，其中酶解法具有反應條件溫和，不易破壞皂苷結(jié)構(gòu)，反應周期短，具有高度專一性等優(yōu)點；但是也存在缺點，如易失活，反應條件不易控制等[13]。微生物法轉(zhuǎn)化具有在反應過程中條件溫和，人參皂苷的轉(zhuǎn)化效率高，試驗操作簡單方便等優(yōu)點，不會帶來二次污染，因此微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷成為國內(nèi)外科研人員關(guān)注的焦點。

1.1 化學法轉(zhuǎn)化人參皂苷

化學法轉(zhuǎn)化人參皂苷指利用化學催化劑（如酸、堿等）作用于人參皂苷的糖基，發(fā)生水解作用。利用弱酸作為化學催化劑時，反應條件溫和，水解后人參皂苷的糖苷鍵依次發(fā)生斷裂，產(chǎn)物為次生人參皂苷；但化學方法存在一定弊端，其反應條件劇烈難以控制，水解程度不易控制，其產(chǎn)物復雜多樣化，且不利于環(huán)境友好型發(fā)展[14]。

劉志輝等[15]利用醋酸水解三七總皂苷制備人參皂苷Rg3，并優(yōu)化其工藝；最佳工藝條件為：醋酸體積分數(shù)30%、水解溫度90℃、皂苷體積分數(shù)5%、水解時間1 h；本試驗所確定的最佳制備工藝制備人參皂苷Rg3的得率為30%，HPLC法檢測總轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中20（R）-人參皂苷Rg3含量達80%以上，旋光分析其光學純度為78.33%。Lee等[16]通過酸催化處理人參皂苷Rf，用核磁共振和質(zhì)譜法鑒定其化學結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生新的人參皂苷。

化學法轉(zhuǎn)化人參皂苷，由于利用有機溶劑，故對人體健康造成威脅?；瘜W法轉(zhuǎn)化人參皂苷不利于產(chǎn)物的分離和純化，因此化學法改變?nèi)藚⒃碥盏慕Y(jié)構(gòu)不夠完善，在實際操作中存在局限問題。

1.2 生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷

生物轉(zhuǎn)化法具有諸多優(yōu)點，如操作方便，反應體系復雜，代謝副產(chǎn)物少，轉(zhuǎn)化率高，后處理簡單，對環(huán)境污染小等[17]；由于生物轉(zhuǎn)化法利用微生物細胞產(chǎn)生的酶，作用于人參皂苷的糖苷鍵，使其水解后獲得稀有人參皂苷，故其具有高度專一性。

1.2.1 酶解法轉(zhuǎn)化人參皂苷

目前，國內(nèi)外已有關(guān)于此法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究。Yan等[18]從真菌（擬青霉）中分離獲得β-葡萄糖苷酶處理含量豐富的人參皂苷Rb1，經(jīng)過該酶水解作用發(fā)生糖苷鍵的斷裂，利用反相高效液相色譜法和薄層層析法分析，表明主要的代謝途徑為Rb1→Rd→F2→C-K，最終代謝產(chǎn)物為具有更高生物活性（如抗癌、抗腫瘤等）的稀有人參皂苷C-K；此外，該研究結(jié)果也表明其他代謝途徑：Rb1→XVII→F2→C-K以及Rb1→Rg3→Rh2。酶解法具有諸多優(yōu)點，例如轉(zhuǎn)化率高，選擇性高等，其次利用酶解技術(shù)后其產(chǎn)物便于分離純化，不會對環(huán)境造成污染且價格低廉。Quan等[19]從人參土壤中分離出菌株Microbacterium esteraromaticum，再從菌株Microbacterium esteraromaticum中提取重組β-葡萄糖苷酶，該酶水解糖苷鍵后獲得稀有人參皂苷Rg3。

與化學法相比，酶解法降低有害試劑的產(chǎn)生量，對環(huán)境不會造成污染，易于獲得高純度的人參皂苷單體。酶解法具有來源廣泛的特點，可以直接從土壤中獲得菌株后再提取分離。此外，基因工程技術(shù)也可轉(zhuǎn)化人參皂苷，利用基因重組技術(shù)可獲得特定基因工程菌，該工程菌可高效表達糖苷酶，此方法具有較短的發(fā)酵周期，有效轉(zhuǎn)化人參皂苷的特點[20]。

1.2.2 微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷

微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷其本質(zhì)是微生物細胞代謝產(chǎn)生的酶（一種或多種）水解糖苷鍵，對人參皂苷進行催化反應[13]。Gao等[21]從土壤中篩選分離獲得的菌株為病原性真菌（Penicillum oxalicum sp.68），從 Penicillum oxalicum sp.68的發(fā)酵液體中提取β-糖苷酶，轉(zhuǎn)化人參皂苷單體，如 Rb1、Rb2、Rc、Rd；其中將人參皂苷Rb1轉(zhuǎn)化為具有更高藥理活性的稀有人參皂苷Compound-K的最適條件為pH=4.0，溫度為55℃，Rb1的濃度為0.5 mg/mL，稀有人參皂苷Compound-K的轉(zhuǎn)化效率可達87.7%。Fu等[22]從種植人參土壤中分離獲得53株產(chǎn)β-糖苷酶的菌株，對不同微生物中的β-糖苷酶進行水解人參皂苷單體的測定分析，最終確定菌株GS 09能夠?qū)⑷藚⒃碥諉误w（如 Rb1、Rb2、Rc）轉(zhuǎn)化成化合物C-K，經(jīng)16S rRNA測定該菌株與Sphingomonas asaccharolytica具有100%的相似度。

微生物法轉(zhuǎn)化具有培養(yǎng)條件溫和、微生物種類繁多、酶系復雜的優(yōu)點，廣泛應用在不同領(lǐng)域，故作為生物轉(zhuǎn)化中最常見的有機體。人參發(fā)酵后稀有皂苷更易透過腸道黏膜，被機體吸收，提高了藥效。目前，我國對于微生物轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究處于起步時期，因此未發(fā)現(xiàn)合適的可食用菌種用于高效轉(zhuǎn)化人參皂苷并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

2 微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究進展

如今，人們的生活水平日漸提高，消費者更加重視飲食與身體健康，由于人參食品具有抗腫瘤、抗癌等獨特的生理特性，因此人參作為食品和藥品在銷售市場上具有廣闊的發(fā)展前景。化學方法反應條件高、副產(chǎn)物多，不適合工業(yè)生產(chǎn)，遠遠不能滿足市場需求。微生物液體發(fā)酵具有無需提純生物酶，酶液不易失活，反應條件容易控制等優(yōu)點，成為目前工業(yè)生產(chǎn)皂苷的主要發(fā)展趨勢?；瘜W法無法完成復雜的轉(zhuǎn)化反應，微生物法將一種化合物轉(zhuǎn)化，使其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物具有更高的經(jīng)濟價值。因此，篩選具有高度專一性、對人體有益的菌種，優(yōu)化其發(fā)酵方案，確定最適的發(fā)酵條件，對微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷產(chǎn)生深遠意義。目前為止，國內(nèi)外已有大量文獻報道了不同體外轉(zhuǎn)化方法（化學法和生物轉(zhuǎn)化法）轉(zhuǎn)化人參皂苷成稀有人參皂苷的條件、代謝過程以及轉(zhuǎn)化結(jié)果。其中，關(guān)于化學方法和酶解法的研究較多。

目前，國內(nèi)外關(guān)于微生物人參皂苷方面的研究還處于初期，未形成完整的體系與方法，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的目的沒有實現(xiàn)。因此，找到一種可食用并對人體健康有益的菌種，從而利用該菌種發(fā)酵人參有效提高稀有人參皂苷的含量，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，對人參食品產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥保健的發(fā)展具有重大意義。

2.1 國外對微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究進展

近年來，韓國研究微生物法轉(zhuǎn)化稀有人參皂苷產(chǎn)生了重大突破，并形成獨特的系統(tǒng)研究，不僅在工業(yè)上實現(xiàn)生產(chǎn)，還開發(fā)了人參系列保健產(chǎn)品并成功市售。通過采用人參稀有皂苷生物轉(zhuǎn)化技術(shù)提高人參食品的附加值，韓國在這方面走在世界前列，在國際人參品牌市場上已初步掌握了國際人參產(chǎn)業(yè)。調(diào)查表明，在韓國其煙酒可與人參產(chǎn)品（如人參含片、人參飲料等）一起銷售，人參及其產(chǎn)品已成為韓國人生活中必不可少的食品。在人參食品發(fā)展較好的韓國，90%以上的人參是通過食品形式消費，平均每人每年食用200 g人參，中國人平均每人每年不到1 g。Kim等[23]從人參表面分離獲得一系列植物乳桿菌，通過篩選確定利用植物乳桿菌M1發(fā)酵紅參，用植物乳桿菌M1發(fā)酵紅參后人參總皂苷與未發(fā)酵相比增加20.6 mg。Cui等[24]利用內(nèi)生菌轉(zhuǎn)化原人參二醇型皂苷Rb1，Rb2，Rc，Rd生成稀有人參皂苷F2和C-K，轉(zhuǎn)化原人參三醇型皂苷Rg1生成Rh1；F2的產(chǎn)率高達94.53%，C-K的產(chǎn)率達66.34%。

2.2 國內(nèi)對微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究進展

隨著科技發(fā)展，人參食品受到社會的重視，現(xiàn)有人參食品不能滿足我國積極消費者的需要。目前我國有關(guān)人參食品生產(chǎn)技術(shù)研究剛剛起步，產(chǎn)品單一，深加工產(chǎn)品少，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理?，F(xiàn)在面臨的問題是采用微生物學手段對引進人參稀有皂苷高效轉(zhuǎn)化菌種進行馴化、改良和篩選，從而獲得能夠高效轉(zhuǎn)化并適用于工業(yè)化生產(chǎn)稀有人參皂苷的微生物菌種，以人參為主要原料研究其發(fā)酵生產(chǎn)工藝，高效轉(zhuǎn)化人參皂苷。

生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷已引起研究學者的廣泛重視，多數(shù)為酶解法轉(zhuǎn)化人參皂苷，但該法成本高、不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)且酶活性難以保持；利用微生物法轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究極少，且目前研究人員關(guān)注的主要是用霉菌進行稀有人參皂苷的轉(zhuǎn)化，但是多數(shù)霉菌產(chǎn)生毒素，存在安全性問題，不適于食品生產(chǎn)。Liu等[25]利用微生物法轉(zhuǎn)化，從曲霉菌Aspergillus niger g.848中分離獲得特殊的人參皂苷酶，將西洋參中原人參二醇型皂苷轉(zhuǎn)化成稀有人參皂苷，如Compund-CMc（C-MC），Compound-Y（C-Y），F(xiàn)2 和 C-K。高娟等[26]從農(nóng)耕土壤中分離出黑曲霉Aspergillus niger sp.J7，對發(fā)酵條件進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)條件下可將人參皂苷Rb1完全轉(zhuǎn)化成人參皂苷C-K。此外，關(guān)于乳酸菌轉(zhuǎn)化提高稀有人參皂苷含量的研究也極少，研究體系不完善；陳旸等[27]利用植物乳桿菌發(fā)酵轉(zhuǎn)化人參皂苷，優(yōu)化其發(fā)酵工藝，發(fā)酵后人參總皂苷含量提高了32%，人參皂苷單體Rd含量增加4.864 mg/g。卲淇等[28]從食品中篩選出乳酸菌，對人參皂苷Rb1進行生物轉(zhuǎn)化，除菌株L2外均具有轉(zhuǎn)化能力，該結(jié)果為今后進一步研究提供基礎(chǔ)；另外，少部分發(fā)酵菌種為腸道正常菌群，Qian等[29]證實在大鼠胃腸道中氧化和去糖基化是人參皂苷主要代謝途徑，利用大鼠實驗證實腸道正常菌群可轉(zhuǎn)化人參皂苷（Rb1和Rg3），人參皂苷Rb1和人參皂苷Rg3轉(zhuǎn)化成Rh2，而人參皂苷Rb1能夠轉(zhuǎn)化成Rg3。

3 展望

近年來，人參及其加工副產(chǎn)品備受關(guān)注。具有更高生物活性的稀有人參皂苷（如Rg3、Rh2、C-K等）不僅含量極少且制備困難，其分離提取工藝復雜且轉(zhuǎn)化效率極低，因此無法實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。微生物法轉(zhuǎn)化成為制備稀有人參皂苷的首選方法，因其具有生產(chǎn)工藝流程簡單、操作方便、價格低廉、不易污染環(huán)境等優(yōu)點。特別是采用益生菌發(fā)酵人參其效果更好，但目前缺乏高轉(zhuǎn)化率菌種，因此，積極開展稀有人參皂苷高轉(zhuǎn)化率菌種的篩選、馴化、改良及生產(chǎn)工藝，對于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)更高生物活性的稀有人參皂苷具有重大意義。

[1]錢靜,康安,狄留慶,等.不同蒸制時間對人參活性成分及其藥代動力學行為與抗炎作用的影響研究[J].中國中藥雜志,2015,40(19)：3770-3774

[2]孫亮,張美萍,王義,等.人參皂苷生物轉(zhuǎn)化及固體發(fā)酵工藝研究進展[J].食品工業(yè)科技,2013,34(15)：395-399

[3]黃月云,夏婷,趙成國,等.人參皂苷Rh2和Rg3抗腫瘤作用研究進展[J].實用中醫(yī)藥雜志,2016,32(8)：846-847

[4]黃海英.人參皂苷Rg1藥理作用研究進展[J].實用中醫(yī)藥雜志,2012,28(7)：608-609

[5]楊秋婭,李曉宇,劉皋林.人參皂苷Rb1的藥理作用研究進展[J].中國藥學雜志,2013,48(15)：1233-1237

[6]楊秀偉,富力.人參中三萜類化學成分的生物學活性和藥理學作用[J].中國現(xiàn)代中藥,2016,18(1)：36-55

[7]宋志斌,朱成琳,師方園,等.人參皂苷Re體外抗氧化能力及其對血清剝奪神經(jīng)細胞作用的研究[J].中國實驗方劑學雜志,2012,18(7)：225-228

[8]王艷,代永東,葛鋒,等.三七中高產(chǎn)人參皂苷Rd真菌的鑒定[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2012,38(9)：7-12

[9]Kim Ji Hye,Yi Young Su,Kim Mi Yeon,et al.Role of ginsenosides,the main active components of Panax ginseng,in inflammatory responses and diseases[J/OL].Journal of Ginseng Research,2016[2016-08-18].http：//www.ginsengres.org

[10]權(quán)愷,劉群,李萍,等.人參皂苷抗癌活性的最新研究進展[J].醫(yī)學研究生學報,2015,28(4)：427-431

[11]遲美麗,白龍律,武倫鵬,等.從土壤中分離微生物轉(zhuǎn)化人參皂苷Rb1為Rg3[J].人參研究,2014(2)：43-44

[12]宋學洲,高文斌,鄭毅男,等.人參皂苷生物轉(zhuǎn)化研究最新進展[J].人參研究,2012(1)：34-39

[13]李學,臧埔,張連學,等.微生物轉(zhuǎn)化法制備人參皂苷Compound K的研究進展[J].食品科學,2012,33(11)：323-327

[14]郭從亮,崔秀明,楊曉艷,等.人參皂苷生物轉(zhuǎn)化研究進展[J].中國中藥雜志,2014,39(20)：3899-3904

[15]劉志輝,李琳,錢芳.醋酸水解三七總皂苷制備人參皂苷Rg3工藝的優(yōu)選[J].中國醫(yī)院藥學雜志,2009,29(11)：881-884

[16]Lee Sang Myung.The mechanism of acid-catalyzed conversion of ginsenoside Rf and two new 25-hydroxylated ginsenosides[J].Phytochemistry Letters,2014,10：209-214

[17]楊金玲,高麗麗,朱平.人參皂苷生物合成研究進展[J].2013,48(2)：170-178

[18]Yan Qin,Zhou Wei,Shi Xunlong,et al.Biotransformation pathways of ginsenoside Rb1 to compound K by β-glucosidases in fungus Paecilomyces Bainier sp.229[J].Process Biochemostry,2010,45：1550-1556

[19]Quan Lin Hu,Min Jin Woo,Yang Dong Uk,et al.Enzymatic biotransformation of ginsenoside Rb1 to 20(S)-Rg3 by recombinant βglucosidase from Microbacterium esteraromaticum[J].Appl Microbiol Biotechnol,2012,94：377-384

[20]姬慶,郜玉鋼,趙巖,等.酶法轉(zhuǎn)化制備人參皂苷單體的研究進展[J].中草藥,2014,45(22)：3356-3360

[21]Gao Juan,Xu Wenjing,Fang Qiang,et al.Efficient biotransformation for preparation of pharmaceutically active ginsenoside Compound K by Penicillium oxalicum sp.68[J].Ann Microbiol,2013,63：139-149

[22]Fu Y,Yin Z,Wu L,et al.Diversity of cultivable β-glycosidaseproducing micro-organisms isolated from the soil of a ginseng field and their ginsenosides-hydrolysing activity[J].Applied Microbiology,2013,58：138-144

[23]Kim Bong Gwan,Choi Sin Yang,Kim Mi Ryung,et al.Changes of ginsenosides in Korean red ginseng(Panax ginseng)fermented by LactobacillusplantarumM1[J].ProcessBiochemistry,2010,45：1319-1324

[24]Cui Lei,Wu Songquan,Zhao Chengai,et al.Microbial conversion of major ginsenosides in ginseng total saponins by Platycodon grandiflorum endophytes[J].JournalofGinsengResearch,2015,40(4)：366-374

[25]Liu Chunying,Zhou Ruixin,Sun Changkai,et al.Preparation of minor ginsenosides C-Mc,C-Y,F2,and C-K from American ginseng PPD-ginsenoside using special ginsenosidase type-I from Aspergillus niger g.848[J].Journal of Ginseng Research,2015,39：221-229

[26]高娟,周安東,原野,等.黑曲霉降解人參皂苷Rb1制備稀有皂苷Compound K[J].生物技術(shù)進展,2016,6(2)：98-104

[27]陳旸,王義,孫亮,等.植物乳桿菌發(fā)酵轉(zhuǎn)化人參皂苷的研究[J].中國中藥雜志,2014,39(8)：1435-1440

[28]卲淇,陳賀,尹成日.乳酸菌對人參皂苷Rb1的生物轉(zhuǎn)化研究[J].延邊大學學報(自然科學版),2016,42(2)：177-180

[29]Qian Tianxiu,Cai Zongwei.Biotransformation of ginsenosides Rb1,Rg3 and Rh2 in rat gastrointestinal tracts[J].Chinese Medicine,2010,5(19)：1-8

Research Progress on Microbial Transformation of Ginsenosides

NAN Bo，YOU Ying，WANG Yu-shan，WANG Xin-zhe，LI Wan-cong，WANG Yu-hua*
（Jilin Agricultural University，Changchun 130118，Jilin，China）

Ginseng has a variety of pharmacological effects（such as anti-cancer，anti-cancer，anti-aging），in addition to the ginseng polysaccharide，ginseng peptides and other compounds，main active ingredient is ginsenosides.Thus，directional transformation of ginsenosides is used to hydrolyze glycosidic bonds by chemical，enzymatic and microbiological methods，reducing the number of glycosylation of the high levels of ginsenosides，acquire rare ginsenosides of higher pharmacological activity（such as C-K，F(xiàn)2，etc.），and improve the economic value of ginseng.In this paper，the current status and progress of research on microbial transformation of ginsenosides were summarized，which provided the basis for further study of the microbial transformation of ginsenosides.

ginseng；microbial transformation；ginsenosides

2016-09-27

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.042

948計劃項目（2015-Z56）

南博（1992—），女（漢），碩士研究生，研究方向：食品微生物與生物技術(shù)。

*通信作者：王玉華（1972—），女（漢），教授，博士，研究方向：食品微生物與功能性食品。