双向发酵技术在中药渣开发利用中的研究进展
张庆明 徐云燕 王璐
摘要 中药产业的健康发展依赖于中药资源的高效利用和可持续发展。在中药资源深加工过程中不可避免产生了大量的废弃物，这些废弃物药渣的粗放低值化利用造成了资源的巨大浪费和环境污染。近年来，应用双向发酵技术提升中药药渣的利用价值备受关注。现以中药药渣的生物转化为基础，探讨药渣双向发酵技术的特点与优势，介绍了目前用于药渣双向发酵的主要微生物种类及其转化体系，并对中药渣双向发酵的发展前景进行了讨论。
关键词 中药渣;双向发酵;研究进展;循环利用;新药研制;微生物发酵;增加药效;药理
Abstract The development of Traditional Chinese Medicine （TCM） industry depended on the efficient utilization and sustainable development of Chinese medicine resources.Much waste was inevitably produced in the process of deep processing of Chinese medicine，the extensive and low-value utilization of these waste medicine residues brought a huge waste and environmental pollution.In recent years，the application of bi-directional fermentation technology on improving the utilization of Chinese medicine residue has attracted much attention.Based on the biological transformation of Chinese medicine dregs，this paper discusses the characteristics and advantages of the two-way fermentation technology of Chinese medicine dregs，introduces the main types of microorganisms currently used in the two-way fermentation of dregs and their transformation systems，and discusses the development prospects of two-way fermentation of Chinese medicine dregs.
Keywords Chinese Medicine residue; Bi-directional fermentation;Research progress; Recycling; New drug development; Microbial fermentation; Increased efficacy; Pharmacology
中圖分类号：R282文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.07.025
中药材是我国自然资源的重要组成部分，其稀缺性和有限性制约着我国中药产业的发展。在中药材深加工的过程中会产生大量废弃物，据统计，目前我国药渣的年排放量达6 000万～7 000万吨[1]，这些中药渣一般为湿物料，长期堆置不处理极易腐坏，对环境造成严重污染。此外，受提取和精制技术的限制，中药材的利用效率较低，药渣中除含有大量的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、维生素等营养物质外，还含有各类生物碱、萜类、黄酮类和醌类等生物活性物质[2]。因此，利用现代科学技术和集成技术，开展中药渣精细高值化利用的研究，并开发系列资源性产品，成为了实现中药资源高效综合利用、发展循环经济的关键。当前中药渣的再利用研究主要集中在：饲料和饲料添加剂、栽培食用菌、微生物发酵转化、催化热解制取生物油等方面[3-4]。其中，微生物发酵转化属于中药二次开发的范畴，是中药渣高值化利用的重要途径。现将对双向发酵技术在中药渣开发利用的现状进行综述。
1 双向发酵技术的特点
发酵是一种传统的中药炮制方法，早在1 000多年前古人就将发酵技术用于半夏曲、红曲等中药制品的加工，但传统中药发酵制品是混合菌株开放式发酵转化的产物，整个发酵过程受环境、菌株类型影响极大。20世纪80年代庄毅等[5]提出将现代微生物转化技术与中药资源有机结合，利用药用真菌发酵具有活性成分的中药材，使得菌株的发酵过程具有“双向性”（图1），即利用微生物所产生的酶以外源性的中药化合物作为底物进行结构转化的过程。微生物中丰富多样的酶系可以对中药中皂苷类、黄酮类、生物碱及内酯类等多种化合物进行修饰和转化[6]。目前，多国研究者已利用毛霉、青霉、曲霉等微生物转化了人参皂苷、黄芩苷、葛根素、穿心莲内酯等多种化合物，具有提高化合物活性、降低毒性、稳定结构及获得新化合物等多种效果[7-8]。因此，基于双向发酵技术的中药渣开发，不仅符合当下绿色环保的发展趋势，实现药渣的循环利用，还能为中药二次开发、新药研制等开辟一条新途径，提高中药生产企业的经济效益[9]。
2 微生物发酵中药渣的优势
2.1 促进有效成分析出，提高活性物质回收利用率
植物类中药材的有效成分多存在于植物细胞质中，有效介质向提取介质中扩散时，需要克服细胞质和细胞壁的双重阻力，因此许多中药材经提取加工后，药渣中仍然残留了大量的活性物质。微生物生长过程中，能分泌出多种使细胞破裂的酶，包括蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶及果胶酶等，这些酶能破坏细胞壁的完整性和致密性，极大提高中药渣中有效成分的提取效率。周勇等[10]利用芽孢杆菌、乳酸杆菌和酵母菌的混合菌株对复合中药渣进行固态发酵，显著提高了多糖的提取效率。王兵等[11]研究表明，白腐菌在中药渣上发酵后，蛋白质的质量分数比直接提取提高了71%。韩愈杰等[12]利用3种复合菌剂发酵双黄连药渣，连翘苷的提取率提高了116%，该研究为生物发酵可增强中药渣中活性物质的释放提供了数据支持。
2.2 增加药效及产生新的活性物质
微生物利用其生长代谢中产生的丰富酶系对药渣中的某些成分可进行脱氢、羟化、环化、糖基化、乙酰化等多种反应，从而提高活性物质的药效或形成新的活性物质[13]。我们利用灵芝菌分别发酵转化玄七通痹胶囊药渣和感冒清热颗粒药渣，结果表明玄七痛痹胶囊药渣发酵前后多糖组分和灵芝酸组分都产生了新物质的生成[14]，而在感冒清热颗粒药渣的药性基质中，主要活性成分多糖和灵芝酸的含量显著增加[15]。Hsu等[16]利用灵芝菌转化人参萃取残渣，发酵后残渣中皂苷Rg1、Rg3和CK含量有所增加，而Rb1、Rc、Re和Rh2含量减少，这不仅解决了人参残渣处理的问题，还为人参皂苷的定向生物转化提供新方向。张艳聪等[17]探讨了蝉拟青霉-甘草渣双向发酵过程中生物活性物质的变化机制，结果表明，经蝉拟青霉发酵后，甘草渣中有效成分的提取率增加，且甘草渣中总黄酮类物质的分子结构发现了显著变化。竺利红等[18]利用棘孢木霉发酵黄芪药渣，研究表明黄芪药渣经发酵后，细胞壁被降解破坏，发酵产物中黄芪甲苷比原料直接提取提高了5倍，此外还产生了具有抑菌作用的新活性物质。Wen等[19]以瓜蒌、厚朴、甘草及丹参的水提残渣为原料，进行米曲霉固态发酵，研究表明发酵产物的甲醇提取物中化学组分和性质发生了变化，预示产生了新的化学物质，进一步研究发现，发酵产物的抗氧化活性高于未发酵的对照组，且对病原菌具有广谱抗菌活性。通过微生物生物发酵转化中药渣，在双向发酵作用下，往往能提高了菌质中主要活性物质的产量，提高药效，更重要的是能形成新的化合物，为有效活性物质的筛选提供新途径，在新药的研发领域具有极大的研究价值和广阔的应用前景。
2.3 发展畜禽饲料或饲料添加剂
随着畜牧业的快速发展，蛋白饲料短缺已成为世界性难题。经过提取利用后的中药渣，仍含有一定的粗蛋白、粗多糖、氨基酸、微量元素等营养物质，但由于粗纤维含量高、不易消化、适口性差等缺陷，限制了药渣在动物养殖方面的应用。利用微生物对中药渣进行低成本的发酵处理，能较好的松散纤维素结构，利于营养物质的释放，还能将纤维素和半纤维素组分降解成易利用的小分子糖类物质，同时可将药渣的组织器官转化为菌体蛋白，从而满足蛋白饲料的要求，大幅度提高药渣的利用价值[20]。如孙晓燕等[21]利用混合菌剂发酵复方中药药渣，并检测了药渣中各物质的含量，结果表明药渣经发酵后粗纤维和灰分含量降低，而粗蛋白、各种有机酸等有益组分的含量增加，有望作为发酵饲料在养殖业中替代普通饲料。陈鑫等[22]以红芪药渣为原料，利用白腐菌/酵母混合菌进行固态发酵，发酵产物中真蛋白含量提高了101%，粗纤维含量降低了34.7%，为富含多糖、蛋白的生物饲料开发提供了科学支撑。侯海锋和李茜[23]利用混合菌发酵由白头翁、黄连、黄柏、秦皮等组成的复方药渣，发酵产物替代饲用抗生素用于断奶仔猪饲料添加剂，结果表明发酵药渣能提高断奶仔猪的生长性、抗氧化能力和免疫力，效果优于抗生素。
3 中药渣双向发酵的主要菌株及其轉化体系
不同的微生物菌株具有不同的酶系特性，决定了其生理特征、代谢途径和产物类型。用于药渣双向发酵的菌株从种类上可分为细菌、酵母菌和真菌，从方式上可分为单菌发酵和混合菌发酵。
单一菌株发酵具有发酵体系易于调控和产物较为简单等多种优势，是双向发酵研究中主要采用的发酵方式。目前研究者进行单菌发酵中利用最多的是真菌，包括灵芝菌、虫草菌、康宁木霉、白腐菌和黑曲霉等[20]。灵芝菌是一种珍贵的药用真菌，其生长代谢中能产生包括多糖、灵芝酸、腺苷等多种活性物质，此外其生长过程中能产生大量的纤维素酶和半纤维素酶，对植物组织有极好的降解和结构松散作用。相对真菌而言，现在以细菌或酵母菌单一菌株发酵中药渣的研究较少，杨东川等[24]利用枯草芽孢杆菌发酵红参药渣，并探讨了发酵产物对小鼠生长和繁殖能力的影响。练高登等[25]利用酵母菌发酵转化人参药渣并初步优化发酵工艺，结果发现发酵产物对改善磷酸铵诱导的小鼠黏膜损伤和提高机体免疫力具有显著作用。
多菌种混合发酵的作用效果常常比单一菌种更好，其原因可能是多菌种间的协同效果，例如真菌与酵母菌的混菌发酵，一方面真菌具有较强的纤维素和半纤维素降解能力，为酵母菌提供良好的生长环境和碳源，即可以促进酵母菌生长又减轻了产物抑制效应，促使真菌更好生长，从而使得菌质的蛋白质含量和营养功能均得到提高。目前研究者选用康宁木霉、白腐菌、绿色木霉、产朊假丝酵母、酿酒酵母、枯草芽孢杆菌、各类乳杆菌及丁酸梭菌等微生物进行药渣混合发酵。谭显东等[26-27]针对三七药渣的利用，开展了真菌和酵母混菌发酵的系列深入的研究，所利用的真菌包括康宁木霉、绿色木霉、白腐菌、黑曲霉和米曲霉，选用的酵母包括产朊假丝酵母、酿酒酵母和热带假丝酵母，并建立了菌株生长、真蛋白含量变化及植物多糖降解的动力学曲线，证实酵母菌与真菌之间存在交互作用，混菌体系对真蛋白含量的增长作用更大。一些其他的研究则完全利用细菌组成混合菌株，进行中药渣的双向发酵，所采用的菌株基本是人肠道益生菌，具有安全无毒和强大的物质转化能力等优势。苏家宜等[28]利用含有枯草芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌和丁酸梭菌的复合菌种发酵中药渣，菌质在保护肝脏、调节血脂浓度等方面均有一定疗效。邓侃等[29]考察了益生微生物在健胃消食片药渣开发中的应用，最终发现鼠李糖乳酸杆菌和长双歧杆菌混合菌发酵药渣的菌质具有最佳的药理活性。
4 中药渣微生物转化的主要药理活性
我国中药资源丰富，药渣种类繁多，经微生物双向发酵后，最终产物兼具了药渣和微生物代谢的物质基础，往往能产生提高免疫力、抗氧化及抗菌等多种生理活性。
4.1 提高机体免疫力
研究表明，药渣的发酵产物往往具有提高机体免疫等作用。研究发现，黄芪药渣-酵母双向发酵产物能显著提高糖尿病大鼠体内免疫球蛋白、白细胞介素-2、胰岛素水平，在降低糖尿病大鼠空腹血糖的同时，提高了大鼠机体免疫力[30]。罗杰等[31]利用蛹虫草菌发酵五味子药渣，进而考察发酵菌质对断奶仔猪免疫力的影响，结果表明，发酵产物提高了仔猪脾脏CD3+、CD3+/CD4+值，同时脾脏淋巴细胞增殖指数和血清免疫球蛋白IgA、IgG和IgM含量均显著提高。
4.2 提高机体抗氧化能力
研究表明药渣双向发酵菌质含有大量清除自由基的活性物质，在提高机体抗氧化活性方面具有显著的应用潜力。研究发现，金莲花药渣发酵物能显著提高肉鸡血液中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，同时还能显著降低血清中丙二醛的含量，表明金莲花药渣发酵物能显著提高肉鸡的抗氧化能力[32]。复合中药渣的发酵产物能显著提高仔猪血清中的谷胱甘肽含量，增加过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性[33-34]。红参药渣通过发酵后所得产物可以增强雌性大鼠的抗氧化能力，影响脂质代谢，并能提高脾脏、胸腺指数[35]。
4.3 产生抗菌物质
随着细菌耐药性问题的日趋严重，寻找高效、低毒且抗耐药性的抗菌物质迫在眉睫。许多研究报道证实中药具有良好的抗菌作用，且不易出现耐药性。在这些发现的启示下，一些研究者关注到了药渣双向发酵菌质的抗菌作用。研究发现金莲花药渣的双向发酵产物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有明显的抑菌和杀菌作用，但是对绿脓杆菌的作用较弱[36]。金莲花药渣的发酵产物不仅能协同增强氟康唑抗白念珠菌的作用，其本身也对白念珠菌具有较强的抑杀作用[37]。
5 展望
双向发酵技术在药渣的增效资源化利用领域具有广阔的应用前景。但绝大部分研究工作仍停留在实验室阶段，缺乏现实工业化生产的应用，仍需要在以下几方面开展深入研究。1）拓展菌种应用种类、强化菌株选育。优良的微生物菌种是中药渣双向发酵体系高效转化的关键和基础。目前应用于中药渣转化的微生物主要集中在药用真菌包括灵芝菌和虫草菌，真菌的曲霉属、根霉属、毛霉属以及细菌的枯草芽孢杆菌、乳酸菌和丁酸菌和酵母菌，应用的微生物种类相对较少，应用更多不同的微生物，将丰富中药渣的转化体系和产物类型，拓展转化菌质的应用领域。2）中药渣利用种类的拓展。中成药往往是多种药材共同煎煮，这使得药渣组成复杂，而即使同一种中成药，其加工方式不同，药材来源不同，药渣性质也不尽相同。现阶段对药渣的转化利用基本针对某种单味中成药的中药渣进行研究，体系相对较为简单，因此针对复合中药渣开展微生物转化研究，将拓宽双向发酵技术在中药渣资源化利用中的应用。3）微生物转化机制的研究。中药渣成分复杂，既含有纤维素、半纤维素、蛋白质等营养物质，又含有萜类、黄酮类、生物碱类等活性物质，系统研究微生物在中药渣上的生长规律、代谢特性和转化类型，阐明中药渣活性成分和转化产物间的对应关系，确定参与转化的关键酶，从细胞和分子水平阐明微生物对中药渣转化机制，将为中药渣高效转化以及定向合成转化产物奠定基础，同时为药渣的高值化利用提供指导。4）双向发酵转化体系调控技术的研究。在微生物转化中药渣的过程中，环境因素如温度、pH、转化时间以及培养基组成等都会对转化效果产生较大影响，尤其是在复合菌株转化体系中，如何实现不同微生物的协同高效生长转化尤为重要，通过对培养方式、培养设备、转化体系调控技术等研究，建立中药渣高效、低成本的转化技术将为中药渣规模化、高值化利用奠定基础。
综上所述，中药渣的微生物发酵转化是一项涉及多领域、多学科的集成性工程。面向不同中药渣的理化性质和化学组成，科学合理的构建其双向发酵体系，对衍生中药资源的经济产业链和实现我国中药产业的可持续发展具有重要理论和现实意义。
参考文献
[1]王明威，周林，刘顺会，等.中药渣资源化利用探讨[J].广东药科大学学报，2017，33（1）：140-143.
[2]潘华峰，邓乔丹，冯毅种，等.中药渣综合利用的可行性分析[J].时珍国医国药，2011，22（8）：2026-2027.
[3]段金廒，张伯礼，宿树兰，等.基于循环经济理论的中药资源循环利用策略与模式探讨[J].中草药，2015，46（12）：1715-1722.
[4]陈鑫，安志刚，车树理，等.中药渣的资源化利用[J].中兽医医药杂志，2017，36（4）：83-85.
[5]庄毅，潘扬，谢小梅，等.药用真菌“双向发酵”的起源、发展及其优势与潜力[J].中国食用菌，2007，26（2）：3-6.
[6]李艳，周剑，何东贤，等.微生物转化在现代中药研发中的应用[J].中国抗生素杂志，2020，45（5）：418-422.
[7]Zhuang Y，Xie X.Primary studies of toxicity-reducing and efficacy-maintaining action of fungal fermentative products in Tripterygium wilfordii by a novel bi-directional solidstate fungal fermentation[J].Zhongguo Zhong Yao Za Zhi，2009，34（16）：2083-2087.
[8]张志龙，郜玉钢，臧埔，等.真菌转化中药活性成分研究進展[J].中草药，2019，50（11）：2736-2742.
[9]涂霞，潘扬.双向发酵——毒性中药炮制减毒的新途径[J].菌物研究，2010，8（1）：52-56.
[10]周勇，金鑫，谢蓝华，等.复合中药渣发酵功能饲料的研究[J].中国酿造，2011，30（12）：122-125.
[11]王兵，王向东，秦岭，等.中药渣固态发酵生产蛋白饲料[J].食品与生物技术学报，2007，26（4）：77-82.
[12]韩愈杰，郭立佳，李定刚.双黄连药渣发酵菌筛选及发酵条件优化[J].黑龙江畜牧兽医（上半月），2016，59（11）：205-207.
[13]赵崇妍，杨芳，屈青松，等.蝉拟青霉/黄芪双向发酵体系建立及成分研究[J].世界中医药，2018，13（12）：3195-3198.
[14]张庆明，徐云燕，顾宁宁，等.灵芝菌-玄七通痹胶囊药渣双向发酵工艺的研究[J].东南国防医药，2016，18（6）：585-590.
[15]张庆明，徐云燕，陈美惠，等.灵芝菌固体发酵感冒清热颗粒药渣的主要活性物质变化研究[J].东南国防医药，2019，21（6）：616-620.
[16]Hsu BY，Lu TJ，Chen CH，et al.Biotransformation of ginsenoside Rd in the ginseng extraction residue by fermentation with lingzhi（Ganoderma lucidum）[J].Food Chem，2013，141（4）：4186-4193.
[17]张艳聪，马维维，张洪梅，等.蝉拟青霉-甘草渣双向发酵过程中成分含量变化的研究[J].中华中医药学刊，2017，35（7）：1902-1904.
[18]竺利红，焦巧芳，尹小良，等.发酵法制备黄芪药渣饲料添加剂活性物质[J].浙江农业科学，2015，56（10）：1651-1653.
[19]Wen YL，Yan LP，Chen CS.Effects of fermentation treatment on antioxidant and antimicrobial activities of four common Chinese herbal medicinal residues by Aspergillus oryzae[J].J Food Drug Anal，2013，21（2）：219-226.
[20]李芳蓉，李宏伟，田永峰，等.中药渣固态发酵生产蛋白饲料研究与应用[J].饲料研究，2019，42（4）：94-99.
[21]孙晓燕，任杰，葛亚中，等.中药渣制备发酵饲料生产工艺的研究[J].中国食物与营养，2017，23（11）：41-44.
[22]陈鑫，李芳蓉，张建军，等.红芪药渣固态发酵生产蛋白饲料工艺条件优化[J].中国酿造，2019，38（6）：176-180.
[23]侯海锋，李茜.发酵中药渣对断奶仔猪生长性能、血液生化指标、抗氧化能力及免疫功能的影响[J].中国畜牧兽医，2018，45（4）：947-952.
[24]杨东川，古江，昝述海，等.枯草芽孢杆菌发酵红参药渣产物对小鼠生长和繁殖性能的影响[J].四川农业大学学报，2014，32（4）：446-450.
[25]练高登，谢辉，冯佳婷，等.酵母菌发酵人参药渣产物对肠道黏膜损伤小鼠肠道IgA分泌的影响[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2015，31（6）：99-103.
[26]谭显东，王君君，许汝锋，等.混菌发酵三七渣生产蛋白饲料的菌种组合优化研究[J].中国酿造，2012，31（9）：79-81.
[27]谭显东，段娅宁，王君君，等.三七渣固态发酵生产蛋白饲料的动力学[J].食品与生物技术学报，2013，32（11）：1188-1193.
[28]苏家宜，孔祥峰，胡诚军，等.芪楂口服液药渣发酵前后对断奶仔猪血浆生化参数和抗氧化能力的影响[J].动物营养学报，2017，29（6）：2092-2099.
[29]邓侃，李祖旭，姜玫秀，等.益生微生物在健胃消食片药渣开发中的应用[J].江西农业大学学报，2015，37（4）：738-742.
[30]刘必旺，许凯霞，郭羽，等.黄芪药渣发酵产物富硒酵母对免疫低下糖尿病大鼠的影响[J].中国实验方剂学杂志，2014，20（6）：136-139.
[31]罗杰，黄朝翔，贺晓玉，等.蛹虫草菌发酵五味子药渣菌质的免疫活性[J].食品工业科技，2014，35（8）：355-358.
[32]敖杨，高华君，刘文涛，等.金莲花药渣发酵物对肉仔鸡生产性能、抗氧化指标及免疫功能的影响[J].饲料研究，2014，37（11）：38-43.
[33]邱首哲，曾飞，张森，等.丹参药渣等不同类型中药固废发酵产纤维素酶研究[J].中国中药杂志，2020，45（4）：890-895.
[34]祝倩，解培峰，李华伟，等.中藥渣发酵物对母猪繁殖性能和血浆指标的影响[J].天然产物研究与开发，2017，29（12）：2141-2146，2162.
[35]黄树平，古江，杨茜茜，等.枯草芽孢杆菌发酵红参药渣对雌性大鼠血清生化指标及部分实质器官的影响[J].中国兽医杂志，2017，53（7）：89-91，中插3，封3.
[36]王建行，韩婷，姜妍，等.金莲花药渣发酵提取物体外抗菌的研究[J].时珍国医国药，2015，26（10）：2519-2520.
[37]姬建秀，姜妍，韩淑英.金莲花药渣发酵物体外增强氟康唑抗白念珠菌作用的影响[J].河北联合大学学报：医学版，2015，17（5）：90-92.
（2020-04-27收稿 责任编辑：杨觉雄）
