西洋參中人參皂苷的真菌生物轉化研究進展

陳琪琪，吳晗琪，高秀君，蔡小雨，閆培生，*

（1.哈爾濱工業大學（威海）海洋科學與技術學院，山東威海264209；2.威海威高生物科技有限公司，山東威海264209）

西洋參（Panax quinquefolium L.），別名花旗參、美國人參等，系五加科人參屬植物，原產于北美的加拿大和美國，因為其化學成分豐富，生物活性廣泛，因此擁有極高的藥用價值，所以西洋參受到世界各國人民的青睞[1]。

西洋參主要活性成分是人參皂苷類，絕大多數人參皂苷是有4個反式環剛性類固醇骨架的類固醇，人參皂苷種類繁多，目前從西洋參不同部位其產品中分離得到的人參皂苷已近80種，而從西洋參莖葉中分離得到的人參皂苷也有40種左右[2]。西洋參中的人參皂苷按結構不同可分為4個類型：達瑪烷型（dammarane-type）、奧克梯隆型（ocotillol-type）、齊墩果烷型（oleanane-type）和其他類型。達瑪烷型人參皂苷水解又可以生成不同的皂苷元，據此又將其分為兩類：原人參二醇型皂苷（protopanaxadiol，PPD）（包括人參皂苷 Rb1、Rb2、Rc、Rd、Rh2、Rg3、CK 等） 和原人參三醇型皂苷（protopanaxatriol，PPT）（包括人參皂苷 Rg1、Rg2、Re、F1、Rh1等[3]）。齊墩果烷型人參皂苷主要包括人參皂苷Ro、Rh3等。西洋參與人參中的單體皂苷種類和含量不盡相同，主要區別在于西洋參中人參皂苷Re/Rg1含量比值較大，而人參中的Re/Rg1含量比值較??；人參皂苷Rf是人參中特有的，西洋參中不存在；奧克梯隆型皂苷是西洋參中特有的，而人參中不存在該種皂苷，如擬人參皂苷F11、擬人參皂苷RT5、擬人參皂苷RT4。

稀有人參皂苷更高的藥用價值更好，例如稀有人參皂苷能夠保護細胞防止其凋亡、還可以誘導白血病細胞的裂解、抑制腫瘤細胞以及免疫調節等方面具有很高的作用[4]。稀有人參皂苷在西洋參中含量非常少，研究發現，通過對普通人參皂苷的糖基進行改造可以得到稀有人參[5]。目前，可以對人參皂苷糖基進行改造的方法主要有化學法、酶法和微生物轉化法。微生物轉化法包括利用細菌和真菌進行發酵轉化，具有條件溫和、專一性強、得率高、無污染等特點，被廣泛應用[6]。

為此，通過利用不同的真菌（食藥用真菌、絲狀真菌，西洋參內生菌）對西洋參不同部位及其人參皂苷發酵進行生物轉化，轉化產物種類，成分變化及其功效等內容進行綜述，希望為西洋參高效開發利用提供一定的參考價值。

1 西洋參不同藥用部位人參皂苷的研究

西洋參的根、莖、葉等不同藥用部位的總皂苷含量和單體皂苷種類都存在一定的差異。眾多研究者從不同角度探究西洋參不同藥用部位的總皂苷以及單體皂苷的種類和含量。

例如，王健等[7]測定西洋參莖、葉、主根中皂苷的含量，結果表明西洋參莖葉和主根中所含皂苷種類相似，但三者總皂苷含量差異較大，主根中總皂苷含量約為莖的2倍～3倍，而主根中總皂苷含量僅占葉的1/4～1/3。

李義俠等[8]對不同地區（產自隴縣和留壩）、不同參齡（1年～4年）的西洋參莖、葉樣品總皂苷的含量，并與根中含量作對比。結果表明葉中總皂苷含量約為主根含量4倍。地區差異不是特別明顯，如同為3年參齡的產自隴縣的莖中總皂苷的含量為3.14%，葉中總皂苷含量為13.83%；產自留壩的莖中總皂苷的含量為2.26%，葉中總皂苷含量為13.34%，其他年限的參齡結果也相差不大。同一地區如產自隴縣的1年參齡的葉中總皂苷含量為14.73%～15.20%，2年參齡葉中總皂苷含量為13.77%～14.73%，3年～4年參齡的葉中總皂苷含量為13.16%～13.34%，由此可看出隨著參齡的增長，總皂苷的含量在逐年下降。

孫平等[9]測定了西洋參莖葉總皂苷種類以及分組皂苷的含量，結果表明，西洋參莖葉中含有Rb1、Rb2、Rb3、Rc、Rd、Re、Rf、Rg1、Rg2、Rh1、Rh2、F11、RT5、F1、F2、F3等16種以上的單體皂苷，其中西洋參擬人參皂苷F11的含量最高，分組皂苷中原人參二醇型皂苷含量高于原人參三醇型皂苷。

Qu 等[10]定量測定了西洋參中 Rg1、Re、F11、Rf、Rg2、Rh1、Rb1、Rc、Rb2、Rb3、Rd、Rh2等 12 種單體皂苷并比較它們在不同部位的含量差異，結果測得總不同部位含量依次為：葉＞發根＞根＞根狀莖＞莖，表明可以把葉作為獲取西洋參人參皂苷的最佳藥用部位。

上述研究結果基本一致，在西洋參的根、莖、葉等不同的藥用部位均含有人參皂苷，一般莖葉的皂苷含量要高于根中，尤其葉中的含量最高，是獲得人參皂苷的最佳來源，而且西洋參的葉資源龐大，有效利用可以減少資源的浪費，對西洋參的高效利用具有重大意義。

2 不同真菌發酵轉化人參皂苷

2.1 食藥用真菌發酵轉化人參皂苷

蟲草菌是一種名貴食藥用真菌，具有抗腫瘤、降血糖、免疫調節以及延緩衰老等多種生物活性，眾多研究表明蟲草菌可以將一些普通人參皂苷轉化為稀有人參皂苷。

例如，馬子君等[11]用冬蟲夏草蝙蝠蛾擬青霉對人參進行固體發酵轉化，結果測得Rd含量由原來的0.20 mg/g增至0.59 mg/g，Rb1由原人參的2.00 mg/g降至0.10 mg/g，從而說明冬蟲夏草蝙蝠蛾擬青霉可以將人參皂苷Rb1轉化成稀有人參皂苷Rd。許文迪等[12]研究發現冬蟲夏草菌能夠將人參皂苷Rb1轉化為稀有皂苷F2，其轉化率能達到70.16%。

Song等[13]研究了多種蘑菇對紅參總提取物的發酵轉化，發現真菌桑黃菌絲體能夠很好的轉化紅參總皂苷，在發酵罐中發酵5 d時測定Rg3，Rg5和Rk1有最大的轉化量，由總皂苷轉化而成，具體何種皂苷有待研究。

陳爽等[14]利用大型擔子菌與西洋參進行雙向固體發酵，結果發現人參皂苷Rb1發酵前后的含量分別為5.75 mg/g和2.30 mg/g，含量明顯減少；而發酵后檢測到之前并不含有的稀有皂苷Rg3，由此說明大型擔子菌可以把西洋參中普通皂苷轉化為稀有皂苷。

綜上所述，多種食藥用真菌可以對西洋參進行發酵，能把一些普通人參皂苷轉化為稀有人參皂苷，從而可以提高西洋參中稀有人參皂苷的含量，大大提高其利用價值。

2.2 絲狀真菌發酵轉化人參皂苷

絲狀真菌作為一種應用廣泛的試驗用真菌，經研究發現很多可以產生能夠一系列酶或者其他方式，對普通人參皂苷的結構進行改造，將其轉化為稀有人參皂苷。

例如，Zhou等[15]發現絲狀真菌擬青霉菌（Paecilomyces bainier 229）能產生將人參皂苷Rb1轉化成稀有人參皂苷CK的一系列人參皂苷的β-1，4糖苷鍵葡糖水解酶，轉化率效果好，轉化率非常高。

吳秀麗等[16]首次報道人參皂苷Re在黑曲霉產生的某種酶的作用下，使C-20位上去掉一個葡萄糖，轉化成人參皂苷Rg2。

厙守權等[17]發現紅曲霉能在以人參為發酵基質的培養基上良好的生長，且紅曲霉具有一定的轉化人參皂苷的能力，人參皂苷Rg1、Re、Rb1在發酵中發生轉化，含量降低，人參經過發酵得到稀有人參皂苷Rg3，其轉化機制尚待研究。

閆炳雄等[18]利用黑曲霉對三七藥材進行固體發酵，并分析鑒定了發酵產物的總皂苷種類及含量變化。結果發現三七皂苷R1和人參皂苷Rg1、Rb1大幅度減少，并且在三七發酵產物中檢出了稀有人參皂苷F1、Rh4、Rg3、CK、三七皂苷 Rh16和 RT5，說明黑曲霉能將普通人參皂苷轉化為稀有人參皂苷。

多種絲狀真菌可以轉化人參皂苷，由此可以推斷絲狀真菌能對西洋參進行發酵轉化，將其中一部分普通人參皂苷轉化為稀有人參皂苷，提高生物活性和應用價值。

2.3 內生真菌發酵轉化人參皂苷

內生菌是與生活在植物組織內細胞間隙與植物共生一段或全部時間的微生物，并且它的存在不會使寄主有明顯的病變，主要是細菌、真菌及放線菌。內生菌與藥用植物存在密切關系，能促進中藥材中有效成分的合成與積累。內生菌的分泌物有很高的醫用價值，能促進免疫調節，提高抗疲勞能力等。并且內生菌的宿主植物及其后代都與內生菌分泌物同樣的功效[19]。近年來，關于人參屬植物內內生菌的報道很多，眾多研究發現可以從中篩選出能轉化人參皂苷的內生菌。

例如，趙方允等[20]從三七根莖、花、種子等部位分離并篩選出兩株能夠轉化人參皂苷的真菌（根霉屬Rhizopus和毛霉屬Mucor），轉化后總皂苷含量有所增加。

李學等[21]從三七中分離并篩選出三株真菌（Fusarium oxysporum，Nodulisporium sp.，Fusarium sp.），能將普通人參皂苷 Rg1，Rh1，Rb1，Re 等轉化為稀有人參皂苷CK、人參皂苷F2、人參皂苷Rg1等和一種新化合物。

陳泠等[22]篩選出一株能夠能與人參毛狀根共生的真菌（Schizophyllum commune 3R-2），其菌絲可以促進人參皂苷Rc、人參皂苷Rg2、人參皂苷Rg3含的轉化。

內生真菌作為一種能夠轉化人參皂苷的新的菌株來源，它不僅自身具有很高的藥用價值，將其與西洋參共同發酵，通過對人參皂苷不斷地轉化，形成具有雙重功效的發酵物，從而進一步提高了西洋參的利用價值。

3 人參皂苷的生物活性

3.1 抗腫瘤作用

多種人參皂苷能預防治療多種癌癥，目前，人參皂苷Rg3已作為抗癌藥物上市銷售，Rh2及PPD已進入臨床研究階段?，F代藥理研究表明，人參皂苷的抗腫瘤作用機制如下：1）直接作用于癌細胞，通過誘導其凋亡抑制腫瘤的生長或使其分化逆轉；2）能作用于腫瘤侵襲的多個環節防止抑制腫瘤的轉移；3）降低腫瘤的抗藥性，提高化療藥物功效；4）可以影響代謝和免疫調節，提高機體抵抗能力，從而抑制腫瘤的生長。例如，李秋影等[23]發現人參皂苷Rh2可阻滯結腸癌Caco-2、HT-29細胞處于DNA復制期，從而抑制細胞增殖，達到抗癌作用；劉媛媛[24]發現Rh1和Rd能使Bcl-2表達下降Bax表達上升，激活caspase-3途徑以致抑制HeLa的細胞活性，并誘導其調亡。

隨著研究的深入，很多研究者發現稀有人參皂苷比常見人參皂苷具有更強的抗腫瘤活性，C-20和C-24環氧的奧克梯隆型代謝產物可能是其體內發揮作用的真正有效成分[25]，因此，作為特有奧克梯隆型皂苷的西洋參將會成為研制治癌藥物的寶貴資源。Jin等[26]研究發現服用高溫炮制西洋參提取物，可顯著提高其臨床抗結腸癌功效。

3.2 人參皂苷對心血管系統的改善作用

人參皂苷可抑制心肌膜三磷酸腺苷酶（adenosine triphosphate，ATP）酶的活性，增強心肌收縮力，具有抗心肌缺血的作用；可以促進纖維蛋白溶解作用，使血中總膽固醇和游離膽固醇下降。

人參皂苷對心血管系統的有益作用成為了研究的熱點，張慶勇等[27]建立大鼠急性心肌缺血模型，發現添加人參皂苷Rg1各劑量組心肌梗死面積明顯減小、并呈一定劑量依賴關系，說明Rg1可以抗心肌缺血。厙守權等[17]通過對紅曲霉-人參的發酵產物進行研究發現其具有很好的降血脂功效。

3.3 人參皂苷的降血糖作用

人參皂苷有一定程度的降血糖作用，且達瑪烷型皂苷是發揮調節血糖作用的主要活性成分。張酉珍等[28]發現人參皂苷可以影響腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine 5’-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK）及其信號通路、過氧化物酶體增殖劑激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPARs 途徑、脂肪細胞葡萄糖轉運體（adipocyte glucose transporter，GLUTs）、改善胰島素抵抗以及其他等不同途徑調節血糖，從而為利用人參皂苷降血糖提供一定的參考依據。

有研究者提取西洋參莖葉中的含有人參皂苷的提取物，發現它們小鼠有調節血糖的作用，將西洋參提取物與二甲雙胍結合可降低血糖，在臨床治療方面效果不錯[29]。

3.4 影響中樞神經系統的作用

人參皂苷有安神、抗驚厥、神經保護、益智以及預防與治療老年癡呆癥等作用。例如，張云霞等[30]證實人參皂苷Rd具有神經保護作用。盧聰等[31]發現原人參三醇型苷元PPT和原人參二醇型苷元PPD對記憶的獲取、加強和再現過程都有明顯促進作用，并且對學習記憶障礙也具有很好改善作用，其作用機制尚不明確，但是兩種機制存在一定的差異。

近年來也有研究報道西洋參皂苷對記憶的改善作用和神經保護作用。Shin等[32]發現西洋參皂苷能提高腦內膽堿乙?；D位酶（choline acetyltransferase，ChAT）基因表達進而升高乙酰膽堿（acetylcholine，ACh）含量，從而提高毒性細胞所致認知障礙模型小鼠在避暗和水迷宮中的表現，說明皂苷對細胞毒性具有保護作用。

3.5 抗衰老作用

人參皂苷具有抗氧化作用，能清除體內自由基并抑制自由基產生，還可以減少過氧化物的產生，提高機體的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）等活性，從而可以在抗衰老方面具有顯著效果。人參皂苷Rd能影響還原型與氧化型谷胱甘肽的比值，從而抑制機體脂質過氧化，降低氧化作用。例如，王紅麗等[33]在進行人參皂苷抗皮膚衰老作用實驗時發現，口服人參皂苷，生成皂苷元，使D-半乳糖所致的衰老模型小鼠皮膚中SOD活力增強，從而起到抗衰老的作用。

人參皂苷還能影響細胞周期的調控因子、衰老基因表達等，以延緩衰老速度，作用機制尚不明確。周玥等[34]發現Rg1能延緩并治療造血干細胞（hematopoietic stem cells，HSCs）衰老，推測其主要是通過調節p16INK4a調控因子的表達發揮抗衰老作用。

機體衰老的表現出一個早期癥狀就是學習記憶能力大大減退，是因為神經遞質和受體的變化使得腦細胞凋亡速度加快。而人參皂苷可以增強神經遞質和受體的之間的連接作用，從而可以改善記憶力衰退，起到益智及延緩衰老的作用。趙瑩等[35]研究發現人參皂苷可增強突觸之間的傳遞，從而能對抗衰老引起的記憶障礙。

3.6 免疫調節作用

人參皂苷能提高非特異性免疫和特異性免疫功能，通過影響免疫器官、干擾素及白細胞介素等來調節機體免疫系統，治療或輔助治療免疫功能紊亂的疾病。

任杰紅等[36]發現人參皂苷Rg1、能增加正常小鼠免疫器官脾臟和胸腺臟器指數，能促進巨噬細胞的吞噬作用，增加正常大鼠血清中白細胞介素-2（IL-2）及CD3+、CD4+含量，還能明顯提高細胞內環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP），環磷酸鳥苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）水平而提高免疫功能。人參皂苷Rd是免疫佐劑，通過影響Th1和Th2提高小鼠脾細胞中IL-2、IL-4和干擾素等。

機體免疫功能調節能增強抗疾病能力并且延緩衰老。呂夢捷等[37]研究發現Rb1能明顯抑制H2O2誘導的脾淋巴細胞死亡，并且與劑量成依賴性，是潛在的免疫抑制劑。

3.7 抗疲勞作用

運動中肌糖原減少會導致疲勞，提高肌糖原濃度可抵抗長期運動產生的疲勞；機體產生大量乳酸并堆積同樣可以導致疲勞。人參皂苷能清除氧自由基、調節能量物質、調節乳酸代謝以及調節慢性疲勞機體內單胺類物質，促進肌球蛋白三磷酸腺苦酶的生成，從而可以提高機體抗疲勞能力或者緩解疲勞。例如，唐暉等[38]發現人參皂苷能促進乳酸的清除，提高疲勞恢復速度。

血尿素是機體處于負荷時的反應指標，集體疲勞時會導致蛋白質開始分解，血尿素氮含量增加。李平靖等[39]發現西洋參中特有的奧克梯隆型人參皂苷能降低機體血乳酸和尿素氮的含量，升高乳酸脫氫酶活力和肌糖原含量，從而可以很大程度緩解疲勞。高偉博等[40]發現人參、紅參及其提取物都有抗疲勞功效。

4 結論與展望

在西洋參不同藥用部位中，總皂苷種類基本相同，但葉中含量為各藥用部位之最高，故西洋參葉可以作為人參皂苷的可靠來源，利用西洋參龐大葉資源，可高效開發利用西洋參這一名貴中藥材。

西洋參等人參屬植物中稀有人參皂苷含量很少，稀有人參皂苷的生物活性更強、更易被人體吸收利用，而且有些稀有皂苷可能就是常見的普通人參皂苷在體內的活性形式，因此，稀有人參皂苷已成為廣大科技工作者研究的熱點和商家追逐的目標。目前，用于人參皂苷糖基改造以獲取稀有人參皂苷的方法有化學法、酶法和微生物發酵法。真菌發酵法具有條件溫和、專屬性、得率高、無污染等特點，尤其是食藥用真菌，經過了人類數千年的食用和藥用驗證，不僅無毒無害，而且自身也可以產生一些生物活性成分，用于人參皂苷的發酵生物轉化制備稀有人參皂苷，應成為未來重點研究的方向。

植物內生菌是調控植物次生代謝產物的重要誘導子，而且，有些植物的活性代謝產物可由其內生菌產生，如紫杉醇，Stierle等[41]首次從短葉紅豆杉中分離到一株能產紫杉醇的內生真菌紫杉霉（Taxomyces andreanae），從此越來越多研究者開始探究植物內生菌。因此，篩選高效轉化人參皂苷，尤其是自身能合成人參皂苷的人參內生菌，將是一個十分誘人的研究方向，對擺脫土地資源的束縛和日益增加的農藥殘留，實現人參皂苷的綠色、可控、工廠化生產將具有重要的意義。