基于微生物轉化的中藥渣再利用研究進展

孔文平，黃 勇,2,3，段燕文,2,3，朱湘成,2,3

(1.中南大學 湘雅國際轉化醫學聯合研究院，湖南 長沙 410083; 2.新藥組合生物合成國家地方聯合工程研究中心，湖南 長沙 410013; 3.組合生物合成與天然產物藥物湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410011)

歷史悠久的中醫藥是中華民族的瑰寶，近年來隨著中醫藥在國際上認可度的不斷提高[1]及我國政府支持力度的加大[2]，我國逐漸形成了以中藥農業為基礎、中藥工業為主體、中藥知識經濟產業為動力的大中藥產業。但在中藥產業快速增長、產值穩步提高的情況下[3]，伴隨而來的是中藥渣固體廢棄物給環境帶來的巨大壓力。據不完全統計，目前我國每年中藥材產量約為7 000萬t，而在制藥企業加工生產過程中被丟棄的中藥渣可達3 500余萬t，占藥材總產量的一半[4]。目前大部分藥廠對中藥渣的處理方式以直接排放、野外堆積、掩埋或燃燒為主[5]，或者通過高能耗的熱裂解或氣化等方式將中藥渣轉變為燃料氣[6]，不僅會污染環境，而且會造成中藥資源的極大浪費。

微生物由于其內在酶體系的多樣性，在自然界物質的循環和轉化中起著重要作用。自古以來，微生物轉化就被用于提高中藥的活性和療效或降低其毒性[7]。中藥渣富含粗蛋白、粗纖維、粗脂肪和氨基酸等營養物質以及未被充分提取的藥用活性成分[8]，為不同微生物在中藥渣基質中的生長提供了物質基礎，使其在發揮生物降解作用的同時，還能促進中藥渣營養和藥用活性成分的釋放或者轉化[9]。與中藥渣的其他處理方式相比，微生物轉化具有綠色環保、要求簡單、成本較低等優點[7]。隨著中藥資源枯竭速度的加快以及由中藥渣引起的環境問題日益凸顯，通過微生物轉化中藥渣來實現其高附加值的綠色循環利用，變廢為寶，為我國中藥產業現代化和健康可持續發展提供了新思路。

因此，本文通過對微生物轉化中藥渣資源在農業、畜牧業、環境、能源及醫藥等領域的再利用研究進行系統的分析和綜述，并展望了基于微生物轉化的中藥渣綠色循環和高附加值利用模式在資源化和可持續化應用上的前景，以期達到中藥渣綠色處理的良性循環目的。

1 微生物轉化中藥渣的物質基礎

1.1 營養成分

中藥渣中含有大量的營養成分，例如：粗纖維、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸及微量元素等(表1)。而微生物產生的多種酶系(如纖維素酶、蛋白酶、果膠酶、脂肪酶)使得其可以充分利用中藥渣的營養成分用于生長和代謝，為中藥渣的微生物轉化再利用奠定了基礎。

表1 9種常見中藥渣的主要營養成分及微量元素含量

1.2 藥用成分

由于傳統提取方法單一，多數中藥渣經一次提取后，仍然有約30%的藥用成分殘留在藥渣中[12]，因此很多中藥渣中殘留的藥用成分也往往十分豐富(表2)。這也為微生物轉化中藥渣的藥用成分提供了可能。

表2 中藥渣中殘留的藥用成分實例分析

2 微生物轉化中藥渣再利用研究現狀

2.1 在農業領域的應用

目前中藥渣的微生物轉化在農業領域最成功的應用是利用中藥渣纖維空隙率高、易于菌絲體著生和繁殖等特點[19]，將其作為優良的培養基質用于各種食用菌的栽培(表3)。多項研究和實踐充分表明，富含淀粉、纖維素、多糖、蛋白質等營養成分的中藥渣是食用菌的優良培養基[20-24]，可以節約食用菌栽培企業的生產成本，具有較大的開發前景。

表3 中藥渣栽培食用菌的實例分析

普通化肥會造成土地板結、鹽漬化而引起農作物產量減少、品質降低[25]，尋找兼顧改善土壤理化性質和提高農產品產量及品質的新型有機肥料成為研究的熱點。中藥渣中主要為植物成分，具有質輕、通氣性好等特點，是一種輕基質原料，又含有土壤所需的氮、磷、鉀和有機質等成分，是生態有機肥的潛在重要原料[26]。李秀穎等[27]以黃姜藥渣為主要原材料，添加巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)、膠質芽孢桿菌(Bacillusmucilaginosus)、圓褐固氮菌(Azotobacterchroococcum)等有益微生物，輔以腐植酸鉀和沸石粉進行固態發酵，獲得了符合標準的生態有機肥料。萬燕等[28]發現將婦科千金片復方中藥渣進行堆肥發酵制備的有機肥能促進中藥半夏的健壯生長，為半夏種植提供了一種生態、綠色的肥料來源。此外，Zhou等[29]在對食物殘渣及中藥渣共發酵制備有機堆肥的研究中發現，藥渣中的活性成分對微生物多樣性不產生明顯的影響，但可以誘導微生物的拮抗和寄生能力發生變化，從而提高中藥渣有機堆肥的抗病性。上述研究為利用微生物發酵中藥渣、開發生態有機堆肥提供了重要理論和實踐基礎。

2.2 在畜牧業領域的應用

中藥渣中不僅含有多種營養成分，還含有如生物堿、揮發油等多種藥效成分。雖然有些中藥渣可直接加工成飼料或者飼料添加劑，但是由于植物細胞壁的存在,致使許多殘留在細胞內的營養成分無法被非草食動物很好地吸收和利用，利用微生物尤其是益生菌發酵中藥渣，可以進一步促進關鍵營養成分的轉變并改善或產生有益的活性成分，制成的動物食用飼料或飼料添加劑(表4)不僅可以在一定程度上促進動物生長發育，還能調節動物的免疫力，減少飼養過程中各類抗生素的使用，因此在減少環境污染、降低養殖企業成本和提高食品安全及經濟效益等方面均具有較大的應用潛力。

表4 微生物發酵中藥渣開發成飼料及飼料添加劑的實例

2.3 在生物能源領域的應用

隨著全球經濟的快速發展，能源問題成為人類社會所面臨的共同挑戰，大力開發新能源尤其是可再生能源是許多國家能源發展戰略的重要組成部分。由于植物來源的中藥占中藥材總量的87%以上[36]，因此大部分中藥渣富含淀粉、半纖維素和纖維素等碳水化合物，可以通過多種預處理方法得到發酵糖，進而用作制備沼氣、生物乙醇和生物油等生物能源的原料[37]。姚利等[38]對山楂、檳榔和枳實等混合藥渣進行厭氧發酵，發現通過沼液堆漚預處理可在較短的時間內高效發酵產沼氣。張云飛等[39]以天冬、防己和生地的混合藥渣為原料，利用中藥渣富集馴化的厭氧沼氣發酵菌進行預處理，可以大幅提高混合中藥渣的沼氣產率。這些應用性研究為微生物轉化中藥渣以制備清潔能源提供了實踐依據。張英等[40]利用樹干畢赤酵母(Pichiastipitis)與釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)得到的融合菌株轉化黃芪藥渣來生產生物乙醇，發現在相同工藝路線下，融合菌株生產乙醇的能力較釀酒酵母菌強，乙醇的產量最高可達20.4 g/L，揭示了微生物循環利用中藥渣來制備生物燃料的潛在應用前景。在生產生物乙醇的過程中，由于大部分中藥渣自身偏酸性，如果采用酸預處理，則后續需要消耗大量的堿液進行中和。此外，堿預處理可去除藥渣中大部分木質素，使其結構變得疏松，提高產氣效果，故一般采用堿進行預處理[38]，而玉米秸稈、大米草等生物質則更適合酸預處理，以減少纖維素、半纖維素的分解損失[41]。

2.4 在環境污染治理領域的應用

環境污染問題是21世紀全人類必須面對的問題。廢水中的重金屬嚴重影響著人類的健康，目前主要通過離子交換法、生物膜過濾法、化學沉淀法、活性炭吸附法及植物整治等技術去除水中重金屬，但這些方法存在成本高、化學試劑消耗量大等缺點，因此研究人員一直致力于尋找低成本的重金屬吸附劑[42-43]。曹飛麗等[44]通過黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)對中藥渣進行改性處理，使改性中藥渣的比表面積增大，在含有50 mg/L Cr6+的酸性廢水中(pH 2)加入5 g/L的改性中藥渣，在45 ℃下吸附20 h后對Cr6+的去除率達到99.5%，吸附量可達9.82 mg/g。王德馨等[45]利用假單胞菌(Psedudomonastrivialis)和四孢脈孢菌(Neurosporatetrasperma)對板藍根藥渣和梔子藥渣進行發酵來制備生物絮凝劑，能夠對高嶺土混懸溶液起到有效的絮凝作用。由此可見，在微生物的有效轉化和協助下，中藥渣可以被資源化利用來處理廢水，達到“以廢治廢”的效果。

2.5 在開發生物活性組分方面的應用

中藥生物發酵是近年來中藥現代化研究的熱點方向之一，是現代生物技術和傳統中藥優勢的完美結合，而微生物發酵中藥渣的反應機制同發酵中藥材的機制基本一樣。Meng等[8]通過對幾種不同益生菌的耐酸、耐鹽和抗菌篩選，選擇植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)對健胃消食片藥渣進行發酵，發現藥渣發酵的上清液在治療幽門螺桿菌(Helicobacterpylori)感染和抗生素誘導腹瀉[46]的小鼠模型中均表現出較好的活性。類似的，Zhao等[47]利用枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、米曲霉(Aspergillusoryzae)和植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)3種益生菌混合發酵健胃消食片藥渣，通過動物體內實驗表明藥渣發酵上清液可以增加小鼠腸道菌群中有益菌的數量和多樣性，從而增強宿主的免疫反應，對脾虛的治療有所幫助。竺利紅等[34]利用棘孢木霉(Trichodermaasperellum)發酵黃芪藥渣，不僅使黃芪甲苷在發酵液中的釋放量增加了4倍，而且發酵產物對變形桿菌(Proteus)、沙門氏桿菌(Salmonella)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和大腸桿菌(Escherichiacoli)等細菌表現出較強的抑制作用。Wen等[48]利用米曲霉對瓜蔞、厚樸、甘草和丹參的水提取殘渣分別進行固態發酵，發現發酵后甲醇提取物的抗氧化活性明顯提高，并且對病原細菌具有廣譜抗菌活性。上述研究證明了通過微生物轉化來增強中藥渣的生物活性成分、提升其潛在附加值的可行性。

與中藥的微生物發酵炮制過程相似，微生物同樣可以利用生長和代謝過程中產生的豐富酶系對中藥渣的殘留藥用或活性成分進行生物轉化。Hsu等[49]利用靈芝菌(Ganodermalucidum)對人參藥渣進行固態發酵30 d后發現，靈芝菌不僅可以利用人參藥渣進行生長繁殖，同時還可以對其中殘留的人參皂苷活性成分進行生物轉化，最終使藥渣中人參皂苷Rg1、Rd、CK等具有重要藥用價值活性成分的含量均顯著升高，提高了人參藥渣的再利用附加值。類似的，在應用靈芝菌分別對玄七通痹膠囊藥渣[50]和三七藥渣[22]進行固態發酵再利用的過程中，均發現了不同活性成分的生物轉化，例如在利用玄七通痹膠囊藥渣發酵時，靈芝菌中多糖組分和靈芝酸組分都產生了新活性成分。因此，利用微生物來對一些高價值中藥的藥渣進行生物轉化，可以充分發掘和利用其中的有效成分，極大地提高了中藥渣的應用附加值。

2.6 在生物工程和食品等其他領域的應用

中藥渣還可以在生物工程和食品等領域進行再利用。例如，岳鵬等[51]在研究真菌毛云芝菌(Coriolushirsutus)生產漆酶的實踐中，發現在添加了包括大黃、麻黃和芍藥等在內的不同藥渣進行液態發酵后均能提高毛云芝菌漆酶的產量，其中使用大黃藥渣的產酶酶活可達到4 828.2 U/mL，提高了近1.4倍。賀曉玉等[52]利用蛹蟲草菌(Cordycepsmilitaris)對五味子藥渣進行固態發酵，每克藥渣可使蟲草素產量達到5.12 mg，且發酵產物中多糖含量提高了24.97%。廖湘萍等[53]綜合利用酒糟及靈芝藥渣，經酵母菌和醋酸桿菌(AcetobacteriumBalch)進行半固態發酵，生產出醋酸總量在5%～6%的保健功能型食醋，具有普通食醋的營養成分和靈芝的藥用效果，可以調整人體生理機能。

3 結語與展望

中藥渣作為一種排放量巨大、有潛在價值的生物廢棄物，其循環利用的有效與否直接關乎我國中醫藥產業的健康可持續發展，并對我國的環境保護產生深遠的影響。微生物作為自然界的“清道夫”，掌控著各類物質的循環和轉化，因此通過微生物來轉化利用中藥渣是一種切實可行、綠色環保的策略，并已在農業、畜牧業、環境、能源及醫藥等領域得到了多元化應用。但是，基于微生物轉化的中藥渣循環再利用目前仍處于探索階段，還有許多基礎性問題等待研究和開發。由于制藥企業的生產工藝和中藥產品的種類不同，導致中藥渣來源廣泛、成分復雜，很難采取單一或通用的微生物菌種進行有效處理；而現有的可應用于中藥渣再利用的微生物種類相對較少，或未進行種屬鑒定，為后續的應用開發帶來很多障礙。此外，目前微生物對中藥渣的循環再利用還存在效率較低、成本較高等問題，使得中藥企業及社會對中藥渣的再利用積極性不高，如何探索出低成本、高附加值化的循環再利用模式就顯得尤為重要。

因此，我們應加強對微生物轉化菌種的選育研究，篩選出更多能有效利用中藥渣的微生物菌種并進行合理地組合，對不同組分中藥渣的再利用潛能進行充分挖掘。同時，從分子和細胞水平闡明微生物對中藥渣的轉化機制研究，加強微生物轉化過程的優化和轉化效率的提高。在上述研究的基礎上，還可以通過合成生物學技術來構建人工的微生物體系，實現對中藥渣的高效、低成本和高附加值再利用。通過微生物的生物轉化，可以使中藥渣得到多層次、多途徑、科學化、合理化的綜合利用，將中藥材種植基地、中藥生產企業和中藥渣處理進行有機地結合，建立一種綠色、增值、可持續的資源循環模式，確保中藥資源利用價值最大化，在增加中藥產業競爭力和帶來良好經濟效益的同時，也可以取得巨大的環境和社會效益。