中藥生物轉化技術研究進展

李 洋，邱智東，王偉楠*

（長春中醫藥大學 藥學院，吉林 長春 130000）

生物轉化是化學、生物學和生物工程學的交叉學科，是利用生命體、離體組織、細胞或酶對特定底物進行結構修飾和改造，獲得有價值的轉化產物以滿足化學品、醫藥、能源和材料等領域需要的一種技術，也是與生命和人類活動關系最為密切的自然現象之一[1-2]。生物轉化相對于化學轉化而言具有轉化效率高、專屬性強、能耗低、無污染等優勢，目前已廣泛的應用到食品和醫藥工業生產當中[3-4]。現代中藥生物轉化技術又稱中藥發酵技術，是在繼承傳統的中藥炮制發酵方法的基礎上，吸收微生態學的研究成果，并結合現代的生物轉化工程而形成的中藥制藥新技術[5]。中藥生物轉化技術主要分為液體發酵[6]和固體發酵兩種形式，而在傳統固體發酵的基礎上，又發展出了藥用真菌雙向固體發酵技術[7]。目前，國內外科研人員圍繞中藥生物轉化領域做了大量的研究，一些工作也取得了非常顯著的成果，因此，本文擬從技術應用的角度對該領域近幾年的研究進展進行綜述，并探討生物轉化技術在中藥相關產品開發中的意義和可行性。為中藥生物轉化技術的推廣提供理論支持，為大宗中藥品種及傳統經典名方的二次開發及深度利用提供新的思路和途徑。

1 傳統中藥生物轉化技術

中藥生物轉化歷史悠久，早在1 500多年前，人們就開始采用發酵的方法對中藥進行炮制。傳統中藥發酵形式一般分為兩類：一類是藥材與面粉混合發酵，如六神曲[8]、半夏曲[9]等；還有一類是藥材直接進行發酵，如紅曲、淡豆豉、百藥煎等[10]。由于傳統發酵過程多憑經驗進行，缺乏規范性的工藝技術及適宜的監控指標，發酵所得中藥產品質量差別較大，難以制定出統一的質量標準和檢驗方法，無法保證發酵中藥產品的安全性和穩定性，且存在著發酵時間長、占地面積大、勞動強度高、衛生條件差等問題，因此，隨著現代生物工程技術的發展，不斷有研究人員提出新的方法對中藥發酵工藝進行革新，而傳統的方法逐漸被淘汰或趨于規范。

2 當代中藥生物轉化技術

2.1 酶發酵技術

酶發酵技術就是利用酶所具有的生物催化功能，改變原料物理化學性質，將其轉化生成有用物質的一門技術。新鮮植物采摘之后，在自然條件下放置一段時間就會變質，導致這個過程的主要原因是植物及其內生菌所分泌的酶對原有化學成分進行了生物轉化，雖然這種轉化的結果是不可預期的，但是通過合理的體外設計，可以利用這些酶去定向改造中藥的活性成分，達到增效減毒的作用。喻春皓等[11-12]利用自制復合酶對生曬參95%乙醇提取物、人參莖葉及三七莖葉總皂苷等系列中藥有效部位進行了酶發酵，將原生苷轉化生成低極性皂苷。這些低極性皂苷具有抗癌、抗衰老、免疫調節等多種藥效作用，還具有化學穩定性高、生物利用度好等特點，因此利用這種技術研制的產品具有極大的開發潛力。曹國瓊等[13]利用神曲與α-淀粉酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶、脂肪酶、混合酶分別對化風丹藥母溶液進行發酵，測定不同組別間的雙酯型生堿類成分即化風丹藥母中毒性成分含量的變化，實現了對化風丹藥母毒性的降低。歐志敏等[14]利用β-葡萄糖苷酶轉化牛蒡子苷，希望能夠制備具有治療或預防慢性腎功能衰竭及腎纖維化、抗病毒、抗腫瘤等功效的牛蒡子苷元，結果β-葡萄糖苷酶成功地將牛蒡子苷轉化成了牛蒡子苷元，也為酶法炮制中藥牛蒡子提供可借鑒和使用的新方法。李秧針等[15]報道了單寧酶轉化沒食子酸單寧生成沒食子酸和葡萄糖的研究。沒食子酸有較強的抗病毒、抗腫瘤等功效，通過酶轉化法高效特異性的生產沒食子酸，可以為工業生產沒食子酸相關產品提供一條重要的途徑。還有報道，用酶法轉化中藥黃芩并提取黃芩的有效成分，發現所提黃芩素和漢黃芩素等苷元的含量較傳統方法提取的含量高很多，研究結果為中藥的提取方法提供了新方向[16]。酶發酵技術是現代生物轉化技術中的重要組成部分，在中藥創新研發過程中將具有舉足輕重的作用。

2.2 組織發酵技術

藥物進入體內后，一般都要經過組織器官的轉化才能發揮治療作用，由此而衍生的將動物組織當作催化媒介的一種的生物轉化技術，即組織發酵技術。該技術多是運用組織的整個體系發揮作用，這類技術不僅為中藥的生物轉化開辟了新方向，而且也對臨床用藥具有重要的指導意義。隋志剛等[17]曾報道過，利用家兔的腸道對烏頭堿進行生物轉化，并采用高效液相色譜-電噴霧電離-串聯質譜（liquid chromatography-electrospray tandem mass spectrometry，LC-ESI-MS/MS）的方法對家兔腸道內的烏頭堿代謝產物進行分析，結果表明，烏頭堿被轉化生成毒性更小的其他生物堿類成分，起到了減毒的作用。同時，有研究表明[18]，復方丹參片經肝臟中肝藥酶轉化后，所形成的代謝產物會提高人體某種細胞色素450（cytochrome 450，CYP450）酶的活力，而這種酶存在著使致癌物質活化的潛在危險性，因此復方丹參片不宜長期使用。楊秀偉等[19-20]以人腸內細菌為實驗模型，將人腸作為轉化物質，對芍藥苷進行生物轉化，并做了一系列的對照、檢測試驗。研究結果表明，腸內菌是中藥進入腸內發生代謝的主要催化物質，起到了改變藥性、提高生物利用度等作用，不但在中藥有效成分和中藥毒性成分的發現上有重要意義，并且在腸內微生態變化相關的疾病治療上也有著重要的作用。馮培生等[18]利用大鼠腸道厭氧菌群對嘔吐毒素進行體外轉化，生成脫環氧-脫氧雪腐鐮刀菌烯醇，定量測定結果顯示，大腸中盲腸菌群代謝能力最強。劉揚子等[21]利用志愿者的糞便進行了人腸內菌叢培養及其對延胡索甲素和延胡索乙素的生物轉化，目的是在于觀察延胡索素在人腸內是否能被穩定吸收。通過研究結果表明，延胡索所含主要成分生物堿類化合物能良好地吸收進入體循環，可以作為評價和控制延胡索質量的標示物，為確定延胡索的有效成分及其效應物質提供了人腸吸收方面的科學理論依據。還有關于人體轉化中藥有毒物質的研究結果表明[22]，在受試條件下根據體內生物轉化和代謝不穩定的特性，可以判斷出服用藥物的原形化合物為毒性成分。實驗的意義在于從中藥成分的體內過程可以確定毒性效應物質，然后找到原形化合物，為保障中藥的安全性和有效性做出了貢獻。

2.3 植物細胞培養

植物細胞培養是在離體條件下，將愈傷組織細胞或其他易分散的組織細胞置于特定液體培養基中進行振蕩培養，并以擴繁后的細胞體為媒介進行目標代謝產物的合成或轉化，以達到提高活性成分含量或增加新的物質基礎等目的的一項技術。這項技術主要應用于植物有效成分的生產和生物轉化這兩個方面。隨著人口的激增和人們對自然資源不計后果的開發，很多珍貴植物資源已經滅絕或者正面臨著滅絕的危機。利用植物細胞培養來生產植物中的天然有效成分可能將會成為解決這種危機的有效方法。早在1984年日本的Mitsui石化公司就利用紫草的細胞培養技術生產紫草寧，規模達到750 L，產物最終質量濃度達到1 400 mg/L[23]。而近些年來這項技術更是廣泛被應用到中藥活性成分合成與修飾的領域中。張志強等[24]對海巴戟天細胞進行體外培養，并對培養基進行優化，使得海巴戟天懸浮細胞的生長速率明顯加快，蒽醌含量增加，實驗結果為中藥的細胞培養提供重要參考。王晗等[25]利用植物細胞培養的方法，對臺灣金線蓮進行發酵培養，獲得了藥理作用極為廣泛的金線蓮苷，為大規模發酵生產這種稀缺的野生資源奠定了理論基礎。王和勇等[26]通過水楊酸和硝酸銀的配伍誘導，實現了植物細胞培養中誘導子之間的協同作用，并成功獲得發酵產物紫杉醇39 mg/L，比兩個誘導子單獨作用時獲得紫杉醇最高含量之和還高出50%。李萍等[27]對懷牛膝懸浮細胞進行培養，并對細胞的生長情況和轉化產物進行測定，結果表明細胞培養液中的轉化產物符合用藥標準，可以作為懷牛膝藥材活性成分的替代品使用。還有研究表明，培養紫衫植物干細胞能夠獲得具有抗癌活性的松香烷型三環二萜、美麗紅豆杉素A和美麗紅豆杉素B，產率較高，為將來臨床用藥提供物質基礎[28]。利用植物細胞培養進行有效成分的合成或修飾活性成分結構，已經取得了令人矚目的成就。隨著這方面研究的不斷發展，植物細胞培養這項技術將在生產有價值的植物天然成分方面發揮越來越大的作用，將會有越來越多的天然植物成分可以實現大規模的發酵生產。

2.4 微生物轉化技術

微生物轉化法是利用微生物在代謝過程中產生的某種或者某一系列的物質能夠對相應的中藥成分進行加工修飾，起到增效減毒，產生活性成分等作用。如口服人參皂苷類成分的腸內微生物轉化[29]。崔磊等[30]從土壤中分離得到所需菌株，對人參進行了直接液體發酵和酸處理后發酵，通過對比發酵前后稀有皂苷含量，結果顯示發酵后的稀有皂苷含量明顯增加。本研究對利用微生物轉化法提高人參的生物活性和制備抗腫瘤稀有人參皂苷均具有重要的指導意義。另有報道，白靜等[31]利用酵母菌液體發酵的方法發酵艾葉水提物，研究表明艾葉發酵物對組胺具有拮抗作用，能致豚鼠離體小腸平滑肌收縮，對未來指導臨床有著重要意義。TAO J Y等[32]采用白腐菌對6種中藥進行發酵研究，通過比較中藥發酵前后的降血脂作用的變化，發現有部分中藥經過發酵以后降血脂的功效明顯增強；戴萬生等[33]利用酵母菌發酵大黃后，測定其發酵品中的結合蒽醌的含量較原有含量有所降低，緩和了大黃的瀉下作用；朱新術等[34]報道了利用乳酸菌發酵黃芪，提高了黃芪中粗多糖的提取率；劉亮鏡等[35]研究發現，用朱紅栓菌發酵馬錢子，能達到對有毒藥材馬錢子“去毒”與“存效”并重的目的；李國紅等[36]用枯草芽孢桿菌對50種中藥進行發酵，并對發酵產物的抗菌活性進行檢測，發現部分中藥的發酵產物抗菌活性增強、部分中藥活性降低、還有部分中藥活性不變。

還有一種微生物轉化技術是利用植物內生菌對中藥進行轉化，由于內生菌的優勢在于對植物的體內環境較為熟悉，很多與寄生植物具有相同或相近的代謝系統，對絕大多數的植物代謝產物都能夠實現結構轉化，降低了中藥生物轉化菌種篩選的盲目性。江東福等[37]在研究中發現，內生真菌對龍血樹中血竭的形成具有很強的促進作用，可使血竭的產量提高，而且接種于瀕死的龍血樹同樣可促進血竭樹脂的形成和積累。付少彬等[38]報道，從藥用植物蛇足石杉中分離內生菌，篩選具有轉化烏蘇酸能力的菌株，利用內生菌對天然產物烏蘇酸進行生物轉化。結果證明植物內生菌可以對烏蘇酸的結構進行修飾，產生多種多樣的物質基礎，為進一步開發具有不同藥理活性的相關產物提供了方法和技術的支持。王園園等[39]用內生菌轉化蘆丁，并得到轉化物槲皮素-3-O-β-D-葡萄糖苷，該轉化物抗氧化能力很強，可以替代蘆丁使用。劉發貴等[40]建立了藥用植物內生菌對青藤堿的生物轉化模型，從藥用植物內生菌中篩選出5株對青藤堿具有轉化能力的菌株，得到了不同的轉化產物，其研究結果為青藤堿的結構改造和尋找活性更強的先導化合物提供了有效途徑。微生物轉化技術操作較為簡便、易于放大、微生物種類繁多、代謝譜廣，是實現中藥增效減毒和深度開發利用的關鍵技術。

2.5 雙向固體發酵技術

20世紀90年代，莊毅等[41-43]提出藥用真菌“新型”固體發酵（簡稱雙向型固體發酵）概念，即采用具有活性成分的藥材或藥渣作為基質進行藥用真菌發酵，它們之間由于真菌的生長，會產生一系列復雜的分解合成代謝，產生新成分和新功能，使發酵的作用從原來僅由農副產品構成的營養機制提供真菌生長所需要的碳、氮等養分的單向型，發展到應用真菌的生理活動使藥性基質中的有效成分發生轉化，產生新的成分，從而具有雙向型，形成了新型固體發酵。目前只有“雙向發酵工程”最能有效的被用來開發藥渣，以產生各種有用的藥性菌質，它作為一種新資源可繼續研發成新藥或保健品等[44]。

雷公藤被廣泛用于類風濕性關節炎、各種腎病、癌癥及系統性紅斑狼瘡等病癥的治療且療效顯著，然而其不良反應較大，限制了它的應用。張普照等[45-47]運用雙向性固體發酵技術，采用多種藥用真菌與雷公藤組成發酵組合，對其發酵前后的毒性進行了研究，發現發酵后雷公藤的主要毒性成分雷公藤甲素的量大幅降低，而其生物堿的量變化不大，即降低了雷公藤毒性的同時也保持了雷公藤的藥效。張李陽等[48-49]對于藥用真菌及其發酵產物對愛拔益加肉雞（AA肉雞）的免疫功能的影響進行了研究，發現藥用真菌與中藥結合的發酵產物能明顯提高肉雞的免疫能力，后期又對發酵工藝中菌質中化學成分的變化進行了研究，為相關菌質新藥的開發奠定了基礎。潘揚等[50]對馬錢子雙向固體發酵前后的生物堿的量及高效液相色譜指紋譜的變化進行了研究，也證明雙向發酵前后其類生物堿的質和量均發生了明顯的變化，為馬錢子的減毒增效物質基礎的研究做了一定的研究工作。付建國[51]采用大型食藥兼用菌，對西洋參進行固體發酵，并測定了發酵產物稀有成分人參皂苷CK、人參皂苷Rh2、人參皂苷Rg3的含量，其含量較西洋參藥材提高了幾倍至十幾倍。雙向性固體發酵工程體現了藥用真菌與中藥材之間的有機結合，二者交叉可形成大量的不同性質的發酵組合，故而雙向性固體發酵技術展現了極為美好的前景。

3 結論與展望

不同的生物轉化技術具有不同的特點，在當前技術水平下，也存在各自的問題：生命體和離體組織的轉化可以從宏觀的角度真實反映物質在體內的變化，為闡明中藥活性物質基礎和功效機理提供有力的支持，但轉化過程很難控制，很多物理、化學和生物反應參雜其中，不同生命個體轉化差異較大，轉化產物比較復雜；酶轉化法雖然條件明確、機理清晰、效率高、專屬性強，但酶的成本相對較高，對轉化條件要求也較為苛刻，很多反應只能在實驗室級別實現，故限制了其在工業上的應用；微生物轉化技術是在中藥生物轉化中應用最為成熟和廣泛的一種技術，具有成本低、污染小、效率高等特點，在合理的菌種篩選基礎上，還可以確保生產和使用的安全性，目前在中國已形成良好的產業基礎。

近些年來，中醫藥越來越被世界所認可和接受，隨著丹參等藥材的標準進入美國和歐洲藥典后，中藥國際化腳步也越來越快。在這種情況下，為了確保中藥的安全有效性，提高中藥產品質量和科技含量，對中藥進行炮制和加工顯得尤為重要。現代中藥生物轉化技術為中藥的發展帶來了新的啟發，也解決了許多傳統方法沒能解決的問題，是中藥乃至天然藥物活性成分生產與結構修飾所采用的最佳手段之一，也是利用現代生物技術助推中藥產業發展的重要途徑。通過中藥生物轉化技術的推廣，可以為藥材的深度開發、新活性成分的發現、解決藥用物質來源不足等問題提供有力的支撐，為推進我國中醫藥事業的現代化和國際化進程，提升中國民族醫藥國際競爭力注入強大的活力。

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