中藥微生物發酵及其研究進展

　　中藥作為中國傳統醫學的重要組成部分，在世界范圍內得到了廣泛的應用和研究。中藥的療效主要依賴于其中的活性成分，而這些成分往往存在于中藥的復雜體系中，難以直接提取和利用。中藥微生物發酵是一種傳統的中藥加工方法，隨著現代發酵技術的發展，受到廣泛關注和研究，已經成為中藥研究領域的熱點之一。發酵是一種從原料或低級底物中產生高價值產品的微生物驅動過程。發酵在微生物酶的作用下分解或轉化非所需底物為可共處的成分，通過生產和改進具有生物活性的化合物，進而改善底物性質[1]。中藥微生物發酵是利用微生物菌種對中藥原料進行發酵，通過微生物的代謝活動，改變中藥中的活性成分的結構和含量，從而提高中藥的藥效和藥用價值，其應用領域非常廣泛。中藥微生物發酵在食品工業中可用于生產食品添加劑和保鮮劑，提高食品的品質和保質期。在環境保護中則可用于處理廢水和廢棄物，實現資源的循環利用。雖然中藥微生物發酵在理論和實踐上都取得了一定的進展，但仍然存在一些問題和挑戰。例如，發酵菌株的篩選和改良、發酵條件的優化、發酵過程的監測和控制等方面仍需進一步研究和改進。同時，中藥微生物發酵產物的結構與功能研究、藥理學研究以及應用研究也需要加強。因此，本文旨在系統地總結和分析中藥微生物發酵的基本原理、應用領域和研究進展，為中藥微生物發酵的進一步研究和應用提供參考和指導，推動中藥研究領域的發展和創新。

　　1 中藥微生物發酵

　　中藥微生物發酵技術是在傳統中藥發酵的基礎上，通過現代中藥發酵技術，結合發酵工程、微生態學等學科而建立起來的新的藥品研制技術，該技術運用大量的可利用纖維素酶及酶反應所需條件溫和且易調控等特點而最大效率地利用我國傳統的中藥資源[2]。發酵菌株是中藥材發酵的基礎和關鍵，生物酶技術中通過微生物發酵產生纖維素酶菌種較多，但分類不盡相同，目前研究較多的細菌主要有3類：（1）好氧滑動性菌，如噬孢菌屬；（2）好氧型，如混合纖維素弧菌、纖維素單胞菌屬、纖維弧菌屬等；（3）厭氧發酵型，如熱纖梭菌、瘤胃球菌屬、擬桿菌屬[3]。中藥發酵是利用微生物的生長代謝過程中所產生的酶，經體外生物轉化技術，將天然藥物通過微生物的作用，對其結構加以修飾和轉化，顯著增強藥效的方法[4]。借助微生物的作用，在適當的溫度、濕度、水分等條件下對藥物進行發酵，改變其原有的特性，增強或產生新的藥效，擴大應用范圍，以滿足臨床用藥。中藥發酵研究主要有對發酵工藝的優化、發酵原理探究及其質量標準制定等方面。中草藥有效成分往往不能依靠傳統的方法得到最大程度的利用，原因是中藥中的一些有效成分因為細胞壁的阻礙不能很好地被機體吸收，而通過微生物分泌的纖維素酶就可以很好地將其降解，使其中的有效成分釋放出來。邊亞彬等[5]從雞的腸道分離出可發酵黃芪多糖的菌株，可顯著提高黃芪多糖的產量。劉春輝[6]將枯草芽胞桿菌和產朊假絲酵母通過等比例制作，用于固態發酵復方中藥，結果顯示，復方中藥發酵后可顯著降低奶牛乳房炎的發病率。杜曉兵等[7]對綠色木霉Sn-9106固態發酵中藥殘渣產纖維素酶的可行性進行了研究，纖維素酶的產量提高了3倍。

　　2 中藥微生物發酵的基本原理

　　2.1 微生物的選擇與培養條件

　　微生物發酵是一種利用微生物進行代謝反應的生物技術，對于中藥微生物發酵來說，微生物的選擇與培養條件至關重要。劉金桂[8]采用酵母分離培養基初步分離出37株酵母菌，通過降酸性實驗復篩得到9株具有較強降酸能力的酵母菌，對9株降酸酵母菌的菌種特性試驗表明，L7的耐膽鹽、耐乙醇、耐鹽和耐蒜香辛料性最好，且L7沒有氨基酸脫羧酶活性，有一定的蛋白酶活性，有較強的降酸能力，在酸性條件下生長特性最佳。微生物的選擇需要考慮其對中藥成分的代謝能力、生長速度以及產物的穩定性等因素。同時，合適的培養條件也能夠提高微生物的發酵效率和產物的質量。在微生物的選擇上，需要考慮到其對中藥成分的代謝能力，不同的中藥成分可能需要特定的微生物來進行代謝轉化，因此選擇具有特定代謝能力的微生物株系十分重要[9]。此外還需要考慮微生物的生長速度和產物的穩定性，較快生長速度的微生物能夠更快地完成發酵過程，提高產物的產量。而對于產物的穩定性，需要選擇能夠穩定產出目標產物的微生物株系，以避免產物的降解或變質。在微生物的培養條件上，需要提供適宜的營養物質和環境條件。營養物質包括碳源、氮源、礦物質和生長因子等，這些物質能夠提供微生物生長所需的能量和營養，選擇適宜的碳源和氮源對微生物的生長和產物的合成都有重要影響。此外，還需要控制適宜的溫度、pH值和氧氣供應等環境條件，以提供良好的生長環境和代謝活性[10]。

　　2.2 發酵過程中的代謝產物

　　發酵過程中的代謝產物是指微生物在發酵過程中產生的各種化合物。這些代謝產物包括有機酸、酶、酶促反應產物、抗生素、生物活性物質等，姚沛琳等[11]對無花果酵素自然發酵過程中代謝產物與抗氧化活性的相關性研究，結果表明無花果酵素中檢測出了13種主要有機酸，其中含量比較豐富的是乳酸、琥珀酸、蘋果酸、檸檬酸、葡萄糖醛酸和泛酸。這些代謝產物對中藥微生物發酵具有重要的意義。有機酸是中藥微生物發酵中常見的代謝產物之一，可以通過微生物的代謝活動產生，例如乳酸、醋酸、檸檬酸等。有機酸的產生可以調節發酵過程中的pH值，維持適宜的環境條件，促進微生物的生長和代謝活性。其次，酶是中藥微生物發酵中另一個重要的代謝產物。梁紅敏等[12]對不同乳酸菌發酵葡萄酵素過程中代謝產物及其抗氧化特性進行了分析，結果表明不同乳酸菌在發酵過程中總酚含量與超氧化物歧化酶（SOD）酶活變化一致，均呈先增加后減少的趨勢，綜合比較，4種乳酸菌均能提高葡萄發酵液的總酚含量和抗氧化活性，因此微生物通過產生酶來分解復雜的有機物質，釋放出營養物質供其生長和繁殖。酶在中藥微生物發酵中起到催化反應的作用，加速化學反應的進行，提高產物的產量和質量。其他生物活性物質如生物堿、多糖等也可以通過中藥微生物發酵產生，具有抗氧化、抗炎、免疫調節等生物活性。

　　2.3 中藥微生物發酵的優勢

　　中藥微生物發酵作為一種重要的生物技術手段，具有許多優勢。

　　1）可以提高中藥的藥效和療效。通過微生物發酵，許多中藥中的活性成分可以被微生物轉化或合成，從而增強其藥效。例如，一些中藥中含有的毒性物質經過微生物發酵后可以轉化為無毒或低毒的物質，使中藥更加安全有效。此外，微生物發酵還可以提高中藥的生物利用度，增強其療效[13]。

　　2）可以擴大中藥的產量。傳統中藥的采集往往依賴于天然資源，因此受到采集量的限制，而通過微生物發酵，可以大規模生產中藥活性成分，從而滿足臨床和市場的需求。Jia-Jia等[14]對半夏發酵過程中不同發酵時間點的微生物種類、數量變化及優勢菌株進行分離鑒定，結果鑒定出半夏加工過程中的優勢霉菌為Paecilomyces variotii、絲衣霉菌和Aspergillus niger，多種微生物尤其是酵母菌和霉菌在半夏發酵炮制過程中發揮作用。微生物在合適的培養條件下可以快速繁殖，且生長周期短，因此可以實現中藥的高產。

　　3）可以改善中藥的質量穩定性。傳統中藥的質量往往受到生長環境、采集季節等因素的影響，因此存在質量不穩定的問題。而通過微生物發酵，可以在受控條件下進行中藥的生產，使中藥的質量更加穩定可控。

　　4）可以提高中藥的可持續性。傳統中藥的采集對天然資源的消耗較大，容易導致資源枯竭和生態環境破壞。而通過微生物發酵，可以利用低成本的培養基和廢棄物等作為原料，實現中藥的可持續生產，減少對自然資源的依賴。

　　3 中藥微生物發酵的應用領域

　　3.1 中藥微生物發酵在藥物研發中的應用

　　3.1.1 中藥微生物發酵的藥物合成

　　中藥微生物發酵技術目前已經被廣泛應用于藥物合成領域，通過選擇適宜的微生物菌株，并在合適的培養條件下進行發酵過程，可以有效地合成出具有藥用價值的化合物。屈港圓[15]利用唾液乳桿菌發酵黃芩液對雞毒支原體感染治療發現了一種能產生β-葡萄糖醛酸酶的菌種，即唾液乳桿菌，黃芩經過唾液乳桿菌發酵后，可增加黃芩素含量，提高雞體內的血藥濃度，并且可以有效增強對抗MG感染的作用。因此中藥微生物發酵的藥物合成具有以下幾個優勢：

　　1）可以利用一些難以合成的復雜化合物。有些中草藥中含有多種活性成分，其結構復雜，合成難度較大。而通過微生物發酵，可以利用微生物的代謝能力，在較短的時間內高效合成出目標化合物。

　　2）可以提高合成產物的純度。傳統的合成方法往往伴隨著副產物的生成，導致純度下降。而微生物發酵過程中，微生物菌株會選擇性地代謝底物，生成目標產物，從而提高產物的純度。

　　3）可以實現對產物結構的調控。羅德強[16]利用發酵復方中藥對肉牛生產性能、營養物質消化及血液指標進行了測定，結果表明在西門塔爾雜交肉牛日糧中添加發酵中藥可以促進肉牛生長，提高營養物質表觀消化率，改善機體的血液生化狀態，增強其免疫能力，并在維持肉牛機體健康產生積極作用。微生物發酵過程中，可以通過調節培養條件、添加特定的培養基成分等方式，對產物的結構進行調控和改良，從而獲得更具活性和穩定性的化合物。

　　目前，中藥微生物發酵已經成功合成了許多具有重要藥用價值的化合物。通過發酵過程，可以合成抗生素、抗腫瘤藥物、抗炎藥物等多種藥物。這些藥物不僅具有較高的活性和穩定性，還可以減少副作用，提高藥物的療效和安全性[17]。

　　3.1.2 中藥微生物發酵的藥物提純

　　中藥微生物發酵是一種有效的藥物研發和生產方法，通過利用微生物的代謝活性，可以合成和提取出許多具有藥用價值的化合物。劉雪丹[18]利用重組大腸桿菌對D-1,2,4-丁三醇（BT）發酵和分離純化工藝進行了研究，以實驗室合成BT能力最高的菌株MJ138k-1A為發酵菌株，優化搖瓶實驗發酵條件，得到最適發酵條件為：溫度33℃，添加10 g/L的CaCO3維持發酵液pH，裝液量為60 mL/250 mL，培養基為1.5×LB，接種量為裝液量的10%，發酵72 h BT的產量可達10.4 g/L，比優化前提高了25.3%。

　　中藥微生物發酵過程中，藥物的提純是非常重要的一步，它可以去除其他無關物質，提高藥物的純度和活性。中藥微生物發酵的藥物提純主要包括以下幾個步驟：首先，通過離心、過濾、沉淀等物理方法將發酵液中的微生物細胞和其他雜質分離[19]。此步驟可以去除發酵液中的固體顆粒和微生物細胞，使溶液更清澈透明。然后，利用吸附劑、離子交換樹脂等吸附材料對發酵液中的目標藥物進行吸附。這些吸附材料具有特異性吸附的特點，可以選擇性地吸附目標藥物，而不吸附其他雜質。通過洗脫的方法將吸附在吸附材料上的目標藥物進行洗脫。洗脫液的選擇要根據目標藥物的性質進行調整，可以使用酸性、堿性或有機溶劑等來洗脫目標藥物。最后，通過濃縮、結晶、干燥等方法，將洗脫得到的目標藥物進行濃縮和純化。

　　3.2 中藥微生物發酵在食品工業中的應用

　　3.2.1 中藥微生物發酵的食品添加劑

　　中藥微生物發酵在食品工業中的應用之一是作為食品添加劑。食品添加劑是指在食品生產和加工過程中添加的具有特定功能的物質，用于改善食品的質量、增加食品的營養價值、延長食品的保質期等。中藥微生物發酵產生的微生物代謝產物具有豐富的活性物質，包括多種有機酸、酶、多糖、抗氧化物質等，這些物質在食品添加劑中具有廣泛的應用前景。以下是中藥微生物發酵作為食品添加劑的幾個典型應用：

　　1）防腐劑：中藥微生物發酵產生的有機酸如乳酸、檸檬酸等具有很強的抗菌作用，可以作為天然的防腐劑，用于保護食品的品質和延長食品的保質期[20]。

　　2）抗氧化劑：中藥微生物發酵產生的多酚類物質具有很強的抗氧化活性，可以用于抑制食品中的氧化反應，延緩食品的氧化衰老過程，提高食品的穩定性和保鮮效果[21]。

　　3）增味劑：中藥微生物發酵產生的酶可以分解食材中的復雜物質，釋放出香味物質，使食品味道更加濃郁，增加食品的口感和風味[22]。

　　4）營養強化劑：中藥微生物發酵產生的多糖類物質具有很高的營養價值，可以作為食品的營養強化劑，增加食品的營養成分，提高食品的營養價值[23]。

　　中藥微生物發酵作為食品添加劑具有天然、安全、可持續等特點，與傳統的化學合成添加劑相比，更符合現代消費者對食品安全和健康的需求。然而，中藥微生物發酵作為食品添加劑的研究還處于起步階段，需要進一步深入研究和應用推廣。

　　3.2.2 中藥微生物發酵的食品保鮮

　　中藥微生物發酵技術在食品工業中還可以應用于食品保鮮。食品保鮮是指通過各種方法延長食品的保質期，防止食品變質、腐敗和微生物污染，從而保持食品的品質和安全性[24]。中藥微生物發酵技術在食品保鮮中發揮著重要的作用，具有許多優勢和潛力。

　　1）中藥微生物發酵產生的代謝產物具有抗菌活性。許多中藥微生物發酵產物具有抗菌、抑菌和抑制食品腐敗菌生長的作用。這些代謝產物可以抑制食品中的有害菌群的生長，延緩食品的腐敗過程，從而延長食品的保質期。

　　2）中藥微生物發酵可以改變食品的酸堿度和pH值。許多食品腐敗的原因是由于食品的酸堿度和pH值發生變化，導致有害菌群的生長。中藥微生物發酵產生的有機酸和其他代謝產物可以改變食品的酸堿度和pH值，抑制有害菌群的生長，從而延長食品的保質期[25]。

　　3）中藥微生物發酵還可以提高食品的營養價值。在發酵過程中，微生物可以分解食品中的復雜有機物，釋放出各種有益的營養物質，如氨基酸、維生素和酶等。這些營養物質不僅可以提高食品的營養價值，還可以改善食品的口感和風味，增加消費者對食品的喜愛度。因此，需要進一步研究和開發以推動中藥微生物發酵技術在食品保鮮中的應用。

　　4 中藥微生物發酵研究進展

　　Yang等[26]研究了培養基組成和培養條件對蛹蟲草CGMCC 2909菌絲、胞內多糖、腺苷、甘露醇產率的影響，以期用函數的方法和響應面方法（RSM）優化培養基成分，結果顯示在最優培養基條件下，菌絲產量為12.19 g/L，胞內多糖產量為0.60 g/L，腺苷產量為61.84 mg/L，甘露醇產量為1.38 g/L,D值為0.77產量都有所上升。Ren等[27]采用響應面法（RSM）研究了蟬肉多糖（PCPS）固態發酵的培養條件。通過對回歸方程和響應面等值線圖的分析，發現相對濕度56.07%、接菌量13.51 mL/100 g和溫度27.09℃是PCPS生產的最佳關鍵參數。在優化條件下，PCPS的最大預測收率為10.76 mg/g。Lin等[28]采用紫外誘變原生質體的方法，以蛹蟲草SU5-08菌株為起始菌株，優化培養條件下蛹蟲草SU5-08胞外多糖（EPS）的提取工藝。EPS的提取率為165.27 mg/L，比C.militaris SU5的提取率高120.38±11.36%。Wang等[29]從這3種典型烏龍茶發酵中分別分離得到TTPS、FTPS和DTPS3種多糖，研究了TTPS、FTPS和DTPS的理化特性、體外抗氧化活性和糖苷酶抑制作用。對其化學成分（蛋白質、腐中性糖、尿酸）的分析表明，均屬于與蛋白質結合的酸性雜多糖。目前發酵黃芪主要有單一菌種發酵和混合菌種發酵，其中單一菌種有益生菌、食用真菌和一些霉菌和鏈球菌；混合菌種主要有嗜酸乳桿菌和糞鏈球菌混合，嗜熱鏈球菌、保加利亞乳桿菌和青春雙岐乳桿菌聯合，乳酸菌和芽胞桿菌混合，黑曲霉和芽胞桿菌混合[30]。發酵形式有液體發酵和固體發酵，發酵工藝優化，主要有單因素試驗、正交試驗、相應面優化和其他優化方法，但在實際研究中發酵工藝只是單獨進行，沒有相互結合，不利于發酵工藝的優化。

　　5 討論

　　目前，利用微生物發酵進行生物轉化已經在畜牧養殖、醫療保健、食品行業等成為研究熱點，通過微生物發酵中藥能促進有效成分的分解轉化，在保護中藥成分免受物理工藝造成破壞的同時，增強中藥藥效、提高中藥有效成分析出效果，并能降低其毒性，減少毒副作用，甚至產生新活性物質。但中藥微生物發酵作為一種新型制劑，理論和實際生產工藝方面并不完善，從中藥成分角度研究發酵中藥其機理依然不清楚。中藥微生物發酵作用機理不明確，由于中藥發酵菌種是關鍵，但微生物種類繁多，并且其產生的酶系各不相同，代謝物質也不相同，這對優良菌種的選擇增加了難度。在中藥發酵中不是所有的藥材都適合發酵，有的發酵后藥物活性增加，有的發酵后藥物活性卻顯著下降，因此需要在大量篩選中藥的基礎上才能確定為發酵原料。中藥微生物發酵工藝包含很多的物理參數、生物參數和化學參數，怎樣確定這些參數作為發酵中藥的最適合點，成為微生物發酵工藝的難點。對不同發酵菌、發酵產物以及中藥有效成分進行研究來篩選不同中藥材和不同發酵菌種組合進行發酵，在大幅度減少成本的同時還增加中藥藥效，是未來中藥發酵的新途徑，可實現中藥與微生物最優組合的應用[31]，這是中藥發酵模型的篩選和建立的關鍵點之一。

　　6 結論

　　中藥微生物發酵是一種重要的生物技術方法，通過利用微生物的代謝活性，可以改變中藥的藥效、提高藥物的純度和產量，還可以在食品工業和環境保護領域發揮重要作用。此外，益生菌發酵中藥安全高效、綠色環保的優點奠定了其在畜牧生產中廣泛應用的基礎，益生菌發酵中藥將會成為抗生素的首選替代品。隨著現代科學技術的發展，中藥微生物發酵已成為中藥研究和開發的重要手段，對提高中藥的藥效、改善中藥的品質和開發新的藥物具有重要意義。