基于生物發酵技術的中藥藥渣開發應用研究進展

劉煥煥，郭楓，許文迪，邱智東，王偉楠*

（長春中醫藥大學藥學院，吉林長春130117）

基于生物發酵技術的中藥藥渣開發應用研究進展

劉煥煥，郭楓，許文迪，邱智東，王偉楠*

（長春中醫藥大學藥學院，吉林長春130117）

據不完全統計，目前我國中藥材年產量約7 000萬t，而在制藥企業進行工業化加工生產過程中，被丟棄的藥渣等固體廢棄物可達3 500萬t，約為藥材總產量的一半，過度的資源浪費阻礙了中醫藥事業的穩步發展，因此中藥藥渣妥善處理的問題亟待解決。近年來，應用生物發酵技術手段提升中藥藥渣的利用價值備受關注，該文以中藥藥渣的生物發酵為中心，從有氧發酵和無氧發酵兩個方面為切入點進行綜述，為中藥藥渣的深度開發和中藥資源的可持續利用提供了新的思路。

中藥藥渣；生物發酵；開發應用；研究進展

為挖掘中藥資源的發展潛力，提高中藥資源利用效率，國家在“十二五”規劃中明確指出要對傳統名貴中藥進行二次開發、技術改造和臨床應用再評價研究，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、中成藥生產、中藥材加工與炮制、提取等過程[2-3]。我國許多藥品生產企業的設備、技術等方面同國外相比，仍有很大進步空間。由于傳統提取方法單一，多數中藥制藥過程中的有效成分提取率僅為30%～70%，而經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、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成分[5]，目前這些成分主要用于基質栽培、生物燃料、畜禽飼料、生物有機肥、膳食纖維保健品等[6-7]。

中藥生物發酵是近年來中藥現代化研究的熱點問題，是現代生物技術與傳統中藥優勢的完美結合，是改善中藥藥效物質基礎的重要手段之一。生物發酵同化學反應相比，具有專屬性強、轉化率高、安全無毒等優勢[8-9]。利用生物發酵手段發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資源，不失為中藥藥渣精細高值化利用的新途徑[10]。本文著重從厭氧發酵和有氧發酵兩個方面對中藥藥渣的微生物發酵進行簡要綜述，以期為中藥藥渣的深度開發和中藥資源的可持續利用研究提供參考。

1 厭氧發酵在中藥藥渣開發中的應用

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

2 有氧發酵在中藥藥渣開發中的應用

2.1 生物有機肥

中藥渣中富含土壤所需的氮、磷、鉀和有機質等，具有質輕、通氣性好等特點，是一種輕基質原料。李秀穎等[16]在黃姜去皂苷后的藥渣中加入有益微生物，發酵20 d后制得的生物有機肥料，經檢測合格可應用于農業生產，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，木屑為發酵菌液載體，經一系列加工處理后制得的有機肥料中有機質含量較高，對改良土壤性質，提高土壤肥力，促進植物生長，避免工業化肥帶來的土壤板結和土質退化等問題均有較好的作用。方練等[18]將中藥藥渣經干濕化處理后，適當添加粗纖維降解菌等進行混合發酵后得到中藥渣有機肥料半成品，根據有機肥料中所需的氮、磷、鉀含量，定量加入硫酸銨、硫酸鉀或氯化鉀等，制成的肥料產品中既含有有機質，且無機成分氮、磷、鉀養分豐富，是一款營養全面、高效、無公害的有機肥料。

2.2 禽畜飼料或飼料添加劑

利用中藥藥渣進行固態發酵生產功能飼料，是中藥藥渣有效再利用的一大實踐。戴德慧等[19]在丹參藥渣發酵生產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酵丹參藥渣，結果發現，發酵后可溶性多糖和真蛋白的含量與發酵前相比，均有明顯提高，為以后生產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）、產朊假絲酵母菌（Candida utilis）的混合菌種對復合中藥渣進行固態發酵，得到較好的發酵結果為多糖的質量分數為6.1%，菌體含量為1.5×107CFU/g。進一步說明中藥渣經發酵后可開發成飼料資源的可行性。敖楊等[21]在研究金蓮花藥渣發酵物對未免疫肉仔雞的影響中，以生產性能、免疫功能、抗氧化能力和抗病力為考察指標，結果發現，在飼料中添加金蓮花的藥渣發酵物可提高肉雞體增質量和成活率，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，說明金蓮花藥渣發酵物可作為雞飼料添加劑。

另外，中草藥因為細胞壁的存在，大大阻礙了非草食動物對一些營養物質的吸收，所以在發酵前篩選出適合藥渣轉化的菌株或菌群，再針對不同動物的各生長階段，開發具有專屬性的飼料添加劑是目前研究的熱點問題[22]。

2.3 發酵培養基

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、無機鹽等營養物質，常作為發酵基質用于固體發酵或液體發酵中。楊麗紅等[23]在中藥渣固體發酵亮菌（Armillariella tabescens）產漆酶的研究中，運用正交試驗法對幾種不同中藥渣固體發酵亮菌的培養條件進行優化，結果表明當培養基的組成為葡萄糖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）進行液體發酵真菌漆酶的生產工藝研究中，優化得到的大黃藥渣培養基最佳組成：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，毛云芝菌發酵后的產酶酶活提高了1.4倍。賀曉玉[25]選取蛹蟲草菌（Cordyceps millitaris）為發酵菌株，將五味子藥渣發酵15 d后，優化得到的培養基條件為藥渣基質37.0 g/L，接種量23.0%，水料比2.0∶1.0（mL∶g），所得的發酵產物中多糖含量為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，又是高效利用五味子藥渣的理想途徑。

微生物轉化中藥藥渣的反應機制同轉化中藥材的機制基本一致，都是利用微生物把生物質中某些成分作為自身的營養物質，并利用其生長代謝過程中產生的豐富酶系，特異性地對某些活性位點進行生物轉化，從而引起中藥藥渣中的特定成分的結構改變而獲得其他結構的產物[26]。在傳統的固體發酵中，發酵培養基往往是單向性為真菌提供所需的營養物質。而近年興起的雙向型固體發酵工程[27]，采用中藥材或中藥渣代替傳統營養型培養基作為藥性菌質，不僅為真菌提供所需營養物質，也在真菌代謝酶的作用下，使藥性菌質中的活性成分發生量變或質變，甚至產生新的活性物質，可為中藥藥渣資源化的高效利用提供借鑒和引導。張慶明等[28]利用靈芝菌雙向發酵玄七通痹膠囊藥渣，以多糖、靈芝酸為主要的檢測指標，得到當藥渣溫度28℃、固液比1.0∶1.5（g∶mL）時、藥渣粒徑60目時發酵效果最好，且在發酵前后產生的多糖及靈芝酸組分均有差異，同時根據高效液相色譜圖的結果也發現了新生成的物質，具有潛在的研究價值和廣闊的應用前景。姬建秀等[29]在研究酵母菌發酵金蓮花藥渣的實驗中發現，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。結果表明，發酵后，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，也為定向生物轉化人參皂苷成更多的生物活性發酵產物提供了可能。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，研究米曲霉固態發酵4種常見中草藥藥渣的抗氧化和抗菌活性的影響，比較發酵產物的甲醇提取物中化學組分和性質的變化。結果表明，發酵產物的抗氧化活性高于未發酵的產品，且對病原細菌有廣譜抗菌活性，為生物發酵可增強中藥材的活性成分的釋放提供理論基礎。曲墨等[33]在靈芝菌固體發酵三七藥渣的工藝研究中，最終得到的發酵產物兼具藥用真菌和三七藥渣的物質基礎，同時也對三七藥渣中殘留的一些活性成分進行生物轉化，發現活性成分發生了變化，從一定程度上來說，提高了三七藥渣的應用附加值。

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

2.4 微生物絮凝劑

環境問題已是21世紀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酵產物進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]針對中藥渣發酵生產微生物絮凝劑進行研究，以板藍根藥渣和梔子藥渣為基礎，分別從中藥渣和淤泥中篩選出既能在藥渣上培養又能產生絮凝劑的菌，根據檢測結果，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），菌種在發酵過程中，吸收利用中藥藥渣中的營養物質，達到“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）對中藥渣進行改性處理，制備出吸附能力更強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固態發酵中藥渣制備纖維素酶的研究中，優化得到的最適培養基條件為蛋白胨2.1 g/L、麩皮19.8 g/L及KH2PO42.9 g/L，濾紙酶活力可達12.6 IU/g，使得纖維素酶產量成倍提高。SANTOS T C D等[40]在探究黑曲霉固態發酵紅酸棗殘渣生產纖維素分解酶的實驗中，以內切葡聚糖酶和總纖維素酶為活性指標，考察發酵時間和水活性對生產纖維素分解酶的影響。研究發現內切葡聚糖酶的最佳條件是水活度0.98和93.8 h的發酵，達到3.2 U/g；而總纖維素酶是水活度0.96和79.4 h發酵，含量達到12.1 U/g，為大工業生產纖維素分解酶提供參考依據。

中藥渣的微生物發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合的飼料發酵劑中進行發酵后，產生的大量生物催化酶和有機酸，可將錳渣中的高價錳還原成二價錳離子，再經適當淋洗后，得到可回收的二價錳離子，達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，中醫藥事業是我國傳統的資源型優勢產業。隨著中藥產業的迅猛發展，工業水平的逐步提高、生產規模的不斷擴大，中藥藥渣的二次利用和深度開發，不僅能夠引導中藥產業走上綠色可持續發展的道路，真正形成“現代、集約、環保”的中藥產業新理念，同時也為社會經濟和自然環境創造最為實質的效益。通過微生物的生物發酵，轉化中藥藥渣的化學物質基礎，不失為實現中藥藥渣的精細高值化利用的有力手段；基于生物發酵技術的中藥藥渣開發，是緩解藥用物質來源不足、解決中藥渣廢棄物造成的生態環境問題的又一突破口，更是中藥資源開發合理化、健康化應用的綠色通道。近日“兩會”中有關中藥渣廢棄物處理問題的草案，預示著中藥渣的再次開發即將步入正常化、規模化的軌道，發展前景很是樂觀。但由于微生物菌種發酵過程中對菌株或菌群的篩選、轉化酶專一性的限制、中藥藥渣來源多樣性和安全性、發酵工藝的穩定性還不能滿足大工業生產等問題，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項目（20160201001YY）

劉煥煥（1992-），女，碩士研究生，研究方向為中藥藥劑學。

*通訊作者：王偉楠（1985-），男，副教授，博士，研究方向為中藥化學成分。