發(fā)酵對鐵皮石斛化學(xué)成分的影響*

申孝靈，周永強(qiáng)，趙春麗，趙亞敏 ，晏合呂

(貴州中醫(yī)藥大學(xué)，貴州 貴陽 550025)

鐵皮石斛(DendrobiumofficinaleKimura et Migo)為蘭科石斛屬草本植物的干燥莖，其最早記載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，在1000多年前成書的《道藏》中尊其為“中華九大仙草”之首，在民間也有“救命仙草”之稱，國際藥用植物界稱其為“藥界大熊貓”[1-4]。現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛中含有多糖、生物堿、茋類、酚類和木質(zhì)素等有效成分，具有增強(qiáng)免疫力、抗氧化、抗腫瘤、降血糖、抗菌、保肝、抗疲勞等多種功能活性[5]。因此鐵皮石斛在用作藥品、化妝品和保健品的原料方面，受到了高度重視。

中藥發(fā)酵技術(shù)初始記載于《神農(nóng)本草經(jīng)》[6]，是指在一定環(huán)境條件(如溫度、濕度)下，依靠微生物的作用進(jìn)行發(fā)酵，以此改變中藥原有性能、增強(qiáng)藥效或產(chǎn)生新功效的方法，進(jìn)而可擴(kuò)大用藥范圍，契合臨床用藥需求[7]。中藥發(fā)酵優(yōu)點(diǎn)在于：促進(jìn)中藥有效成分的釋放，達(dá)到增強(qiáng)藥效的目的；降低不良反應(yīng)；為修飾中藥活性成分提供新途徑；減失藥材資源浪費(fèi)，充分利用了中藥的生物資源以及保護(hù)環(huán)境等[8]。而且生物發(fā)酵比化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率更高、專屬性更強(qiáng)，且安全無毒等[9]。

鐵皮石斛的成分復(fù)雜，利用發(fā)酵技術(shù)對鐵皮石斛的化學(xué)成分和藥理作用的改變均有影響，本綜述對近幾年鐵皮石斛發(fā)酵方法及發(fā)酵后對鐵皮石斛的化學(xué)成分及藥理活性影響的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理、分析，歸納了鐵皮石斛發(fā)酵的研究進(jìn)展。

1 石斛的發(fā)酵方式

查閱文獻(xiàn)目前鐵皮石斛發(fā)酵的方法有自然發(fā)酵和接種發(fā)酵，菌種發(fā)酵分為單菌發(fā)酵和混菌發(fā)酵，其中接種發(fā)酵運(yùn)用較為廣泛。

1.1 自然發(fā)酵

自然發(fā)酵是利用自然環(huán)境中的微生物進(jìn)行的發(fā)酵過程[10]。目前主要應(yīng)用于谷物類發(fā)酵產(chǎn)酒、泡菜、酵素等方面。楊俊[11]、鄒璐等[12]以新鮮鐵皮石斛作為原料，加入紅糖密封，通過自然發(fā)酵法制備鐵皮石斛酵素。但自然發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵過程的菌群不明，風(fēng)險(xiǎn)大，發(fā)酵啟動(dòng)和終止都較困難，發(fā)酵不徹底，結(jié)果不可控[13]，所以在鐵皮石斛發(fā)酵中運(yùn)用相對較少。

1.2 接種發(fā)酵

接種發(fā)酵是對已經(jīng)滅菌的原材料，接種發(fā)酵菌進(jìn)行發(fā)酵的過程[10]。接種發(fā)酵選擇純種的菌種作為發(fā)酵菌，在發(fā)酵過程中，減少了雜菌的污染；縮短發(fā)酵周期，顯著提高了生產(chǎn)效率，更容易使產(chǎn)品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量[13]。根據(jù)接種發(fā)酵在接種時(shí)選用單個(gè)菌種或多個(gè)菌種分為單菌發(fā)酵與混菌發(fā)酵，目前兩種方法在鐵皮石斛發(fā)酵中都應(yīng)用較為廣泛。

1.2.1 單菌種發(fā)酵

李堅(jiān)[14]、安全等[15]采用微生物發(fā)酵法制備鐵皮石斛多糖，即利用乳酸菌單菌發(fā)酵提取鐵皮石斛中的多糖。江巍等[16]利用鮮鐵皮石斛、干花生仁、鮮牛乳為原料加入川秀雙歧桿菌進(jìn)行發(fā)酵制備花生鐵皮石斛功能型酸奶。潘斌等[17]以鮮鐵皮石斛、超微紅棗粉、鮮奶為主要原料，通過乳酸菌發(fā)酵進(jìn)行鐵皮石斛復(fù)合乳酸菌飲料的研制。黎敏儀等[18]以金柚幼果以及新鮮鐵皮石斛花為原料，運(yùn)用酵母單菌發(fā)酵，探究石斛花金柚幼果功能性果酒的釀造工藝。

1.2.2 混菌發(fā)酵

舒旭晨等[19]以鐵皮石斛鮮條為原料，以酵母菌、乳酸菌為混菌發(fā)酵劑，制備鐵皮石斛酵素。曾麗萍[20]、任運(yùn)紅等[21]以芽孢桿菌和釀酒酵母發(fā)酵制備鐵皮石斛酒。唐艷等[22]以水牛乳、鐵皮石斛汁為主要原料，適當(dāng)添加蔗糖及穩(wěn)定劑，選用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌作為發(fā)酵菌種，研發(fā)出一種新型功能性酸奶。

2 發(fā)酵對鐵皮石斛化學(xué)成分的影響

中藥發(fā)酵本質(zhì)上是運(yùn)用微生物生長代謝過程中產(chǎn)生的酶，對中藥活性底物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾的過程。現(xiàn)已有將中藥發(fā)酵運(yùn)用到鐵皮石斛化學(xué)成分的研究中，而且因微生物品種繁多、酶系廣，可以更容易獲得活性更好的中藥組分，利于進(jìn)一步研究鐵皮石斛的化學(xué)成分[23]。

2.1 多 糖

王丹等[24]采用6種常用菌種對鐵皮石斛進(jìn)行單菌發(fā)酵，發(fā)酵后多糖含量、還原糖含量、多糖分子量變化如表1所示。

表1 發(fā)酵后多糖含量、還原糖含量、多糖分子量變化Table 1 Changes of polysaccharide content， reducing sugar content and molecular weight of polysaccharides after fermentation

從表1可以看出，乳酸菌發(fā)酵后鐵皮石斛多糖含量明顯下降，酵母菌相較降低較少，而紅曲霉中酶系復(fù)雜，在發(fā)酵過程中將淀粉等其他物質(zhì)轉(zhuǎn)換為可溶性的糖，所以紅曲霉發(fā)酵后多糖含量增高。還原糖含量在6個(gè)菌種發(fā)酵后均減少，減少最多的是酵母菌，其次是乳酸菌，造成此現(xiàn)象的原因可能是酵母菌體內(nèi)無淀粉酶系，所以酵母菌生長直接利用還原糖，還可能是在發(fā)酵過程中酵母菌的生長代謝活動(dòng)旺盛，糖消耗速度快。多糖分子量在利用曲霉發(fā)酵后小幅度增大，但利用酵母菌和乳酸菌發(fā)酵后顯著降低，原因可能是酵母菌和乳酸菌產(chǎn)生的酶系使得大分子的多糖降解，從而使多糖分子量降低。由此可知，發(fā)酵對鐵皮石斛多糖含量影響顯著，且不同菌種發(fā)酵影響結(jié)果也不相同，可選用適宜的微生物利用發(fā)酵方法提取鐵皮石斛多糖，以此增加鐵皮石斛的多糖含量。

2.2 總黃酮

黃振勇等[25]用植物乳酸桿菌和保加利亞乳酸菌發(fā)酵鐵皮石斛，與發(fā)酵前相比，利用植物乳桿菌發(fā)酵后總黃酮含量有顯著提高，利用保加利亞乳桿菌發(fā)酵后黃酮含量的提高無顯著差異，利用保加利亞乳桿菌與植物乳桿菌混合發(fā)酵條件下，總黃酮含量比發(fā)酵前提高了31.87%。由此可知，鐵皮石斛利用乳酸菌發(fā)酵后總黃酮含量增加，且利用植物乳酸菌發(fā)酵與保加利亞乳酸菌發(fā)酵相比，前者提高鐵皮石斛總黃酮含量效果較好，兩種菌混合發(fā)酵提高鐵皮石斛總黃酮含量效果更好。

2.3 總 酚

陳嶺等[26]將石斛花利用自然發(fā)酵法制備天然酵素，在研究中發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)酵時(shí)間的推移，石斛花酵素中的總酚含量逐漸上升，而且發(fā)酵前期總酚含量上升趨勢明顯高于后期，到發(fā)酵后期，總酚含量逐漸趨于平穩(wěn)，并且在發(fā)酵時(shí)間為42天時(shí)，石斛花酵素中的總酚含量達(dá)到最大值，其含量遠(yuǎn)高于未發(fā)酵的石斛花汁。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是：剛開始發(fā)酵時(shí)，發(fā)酵液中的微生物需要消耗大量碳源、氮源進(jìn)行繁殖，因此發(fā)酵液中釋放出許多大分子酚類物質(zhì)，經(jīng)微生物消耗逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿游镔|(zhì)，而到發(fā)酵末期，酚類物質(zhì)基本溶出完畢，所以使得初期的發(fā)酵液中總酚含量呈上升趨勢，而后期總酚含量逐漸趨于穩(wěn)定，并出現(xiàn)最大值。

黃振勇等[25]先分別運(yùn)用植物乳酸桿菌和保加利亞乳酸桿菌進(jìn)行單菌種發(fā)酵鐵皮石斛，發(fā)酵后發(fā)酵液中的總酚含量較發(fā)酵前均有所提高，植物乳酸桿菌提高了9.02%，保加利亞乳酸桿菌提高了5.62%。后同時(shí)運(yùn)用上述兩種菌對鐵皮石斛進(jìn)行混菌發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后發(fā)酵液中的總酚含量提高了24.17%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明鐵皮石斛利用乳酸菌發(fā)酵能有效提高酚類物質(zhì)的含量，而且混菌發(fā)酵效果優(yōu)于單菌種發(fā)酵。導(dǎo)致此結(jié)果的原因可能是：在繁殖過程中，乳酸菌的生理代謝會(huì)產(chǎn)生一些能分解鐵皮石斛細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的酶，使得酚類物質(zhì)更易溶解釋放出來，從而導(dǎo)致鐵皮石斛發(fā)酵后總酚含量提高。

3 發(fā)酵對鐵皮石斛活性的影響

中藥以植物類藥材為主，其活性成分多存在于細(xì)胞的胞漿中，而植物細(xì)胞的細(xì)胞壁是由結(jié)構(gòu)緊密的纖維素、半纖維素等構(gòu)成，因此活性成分釋放遇到較大阻力，從而阻礙了人體充分吸收，使生物利用度較低[27]。微生物在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生纖維素酶、果膠酶等，中藥材通過微生物發(fā)酵，微生物產(chǎn)生的胞外酶進(jìn)入培養(yǎng)基，使得中藥材的細(xì)胞破裂，活性成分釋放出來。并且在發(fā)酵過程中，微生物能產(chǎn)生將大分子活性成分降解為小分子活性成分，增強(qiáng)人體對活性成分的吸收，從而增強(qiáng)藥效，提高生物利用度[28]。鐵皮石斛作為一種植物類藥物，其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，活性物質(zhì)被包裹，藥性不能得到完全釋放，通過發(fā)酵技術(shù)可以破壞鐵皮石斛的細(xì)胞壁，促進(jìn)其活性物質(zhì)的釋放，增強(qiáng)藥理活性。

3.1 對抗氧化活性的影響

薛燕等[29]利用液態(tài)發(fā)酵法制備鐵皮石斛多糖，并測定發(fā)酵前后鐵皮石斛多糖清除DPPH-·、ABTS+自由基的能力，發(fā)酵前鐵皮石斛多糖對 DPPH-·、ABTS+自由基的ZC50分別為 2.226、0.79 mg/mL；發(fā)酵后鐵皮石斛多糖對 DPPH-·、ABTS+自由基的ZC50分別為 1.162、0.235 mg/mL。結(jié)果表明鐵皮石斛多糖發(fā)酵前后都具有一定的抗氧化活性，但是發(fā)酵后鐵皮石斛多糖的抗氧化活性明顯高于發(fā)酵前。王丹[30]等利用面包酵母發(fā)酵鐵皮石斛，再次證明發(fā)酵可以顯著改善鐵皮石斛的抗氧化活性，而且發(fā)酵過程可以使羥基裸露出來，所以鐵皮石斛發(fā)酵后對于OH·自由基的清除能力高于DPPH·和ABTS+自由基。

3.2 對體外降血糖的影響

α-淀粉酶有助于淀粉消化，是淀粉消化過程中的一種主要酶。α-淀粉酶能使糖尿病患者餐后的淀粉被消化水解，引起血糖升高，所以控制糖尿病可以選擇抑制α-淀粉酶，以此阻礙患者消化水解碳水化合物，可有效控制糖尿病患者餐后血糖升高[31]。α-葡萄糖苷酶可以通過調(diào)節(jié)多糖類的代謝過程對血糖加以調(diào)節(jié)[32]，控制血糖水平是II型糖尿病治療過程中的關(guān)鍵要素。α-葡萄糖苷酶抑制劑可以通過抑制小腸黏膜刷狀緣的 α-葡萄糖苷酶以延緩碳水化合物的吸收，從而達(dá)到降低餐后血糖的目的[33]。

王丹等[30]利用面包酵母發(fā)酵鐵皮石斛，并測定發(fā)酵過程中發(fā)酵液對α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的抑制率，結(jié)果顯示發(fā)酵時(shí)間在0～72 h內(nèi)，發(fā)酵液對兩種酶的抑制率均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，但是相對于未發(fā)酵的鐵皮石斛，發(fā)酵后體外降血糖活性均有提高。發(fā)酵時(shí)間48 h時(shí)，與發(fā)酵空白相比，發(fā)酵液對兩種酶的抑制率分別為α-淀粉酶抑制率提高了79.3%，α-葡萄糖苷酶抑制率提高了57.1%，因此發(fā)酵后鐵皮石斛對體外降血糖活性增強(qiáng)。

4 結(jié) 語

鐵皮石斛作為一種傳統(tǒng)的名貴中藥材，近年來，越來越多的鐵皮石斛相關(guān)原料應(yīng)用到保健食品、化妝品和藥品中，不僅促進(jìn)了鐵皮石斛資源的開發(fā)利用，還符合當(dāng)下綠色健康的理念。利用微生物發(fā)酵鐵皮石斛，既能降低鐵皮石斛的多糖分子量，增加人體對多糖的吸收；又能提高多糖、黃酮、酚類物質(zhì)的提取量，開辟新的鐵皮石斛成分的提取方法，還能增加鐵皮石斛的抗氧化活性和降血糖能力。目前鐵皮石斛在化學(xué)成分和藥理活性研究已經(jīng)比較成熟了，但是對于鐵皮石斛發(fā)酵的研究還處于初級階段，在今后研究中，可通過改變發(fā)酵菌種、發(fā)酵工藝等條件的改善和摸索，對發(fā)酵鐵皮石斛及發(fā)酵后的活性再深度研究。鐵皮石斛作為一款藥食同源的名貴中藥材，其功能活性毋庸置疑，鐵皮石斛的發(fā)酵值得研究。