益生菌發酵中藥的研究現狀及產品開發

,*,*

(1.吉林農業大學生命科學學院,吉林長春 130118;2.秸稈生物學與利用教育部重點實驗室,吉林長春 130118;3.分子營養與特醫食品聯合研發中心,吉林長春 130118;4.吉林大學,吉林長春 130118)

我國有著豐富的中藥資源,種類多且產量大,中藥具有毒副作用小、藥效作用時間長、不易產生耐藥性、提高免疫力等一系列優點[1]。不同種類的中藥需要結合自身的特點進行加工處理才能入藥,傳統炮制有煎、煮、熬、煉、炒等手段,由于加工深度不夠,往往會造成有效物質難以得到充分的吸收利用的現象。為了提高提取率和利用率,增強藥效,降低毒副作用,人們開始探索一種新的炮制方法——中藥發酵。它是指在適當的溫度、水分等條件下,微生物利用自身生長代謝及生命活動對藥物產生發酵作用[2]。益生菌是一種對宿主有益的活性微生物,它存在于人體腸道和生殖系統內。益生菌和中草藥在許多方面有相得益彰的協同作用[3]。利用益生菌發酵中藥不但可以節約中藥資源,而且還可以促進中藥有效成分溶出、將大分子物質分解、降低中藥的毒副作用。利用益生菌有目的的發酵中藥已經成為目前的研究熱點。

1 中藥發酵技術

1.1 傳統中藥發酵技術

根據《本草綱目》、《本草匯言》、《中國藥典》等記載,我國發酵中藥的產生與發展已有幾千年的歷史,最早出現的發酵中藥為曲類中藥,包括紅曲、六神曲、建曲、半夏曲等[4]。傳統中藥發酵并不是有針對的對中藥進行發酵,而是利用環境中的野生微生物在環境溫度、濕度都無準確控制的條件下完成發酵過程,該過程存在許多弊端,例如菌種的純度不高、發酵條件簡陋、缺乏標準化模式。所以質量的穩定性難以保證,這種技術局限性使得發酵中藥發展緩慢[5-6]。

1.2 現代中藥發酵技術

現代中藥發酵是一種新工藝,它將發酵工程等現代工藝與傳統中藥發酵相結合,發酵過程主要是在中藥材中加入一種或多種有益菌群,利用微生物生長代謝過程中產生的酶與中藥中復雜的有效成分發生反應,這樣既能提高有效成分含量,又能利用酶的催化作用加速反應的完成[7]。

2 益生菌發酵中藥

2.1 益生菌的概念及分類

1965年,“益生菌”這個詞最早開始使用,它被用來描述一種微生物分泌對其他微生物產生促進生長作用的物質[8-9]。益生菌的種類繁多,目前為止,研究學者將已發現的益生菌大致上分成三類:乳桿菌屬、雙歧桿菌屬和革蘭氏陽性球菌屬。美國食品藥物管理局認為安全的益生菌有40種,現今我國常用于人體的益生菌有雙歧桿菌、乳桿菌、腸球菌、枯草桿菌、蠟樣芽孢桿菌、地衣芽胞桿菌和酵母等[10]。

2.2 益生菌發酵中藥的作用機理

益生菌發酵中藥的作用是相互的。以腸道菌群與中藥作用的代謝過程分析,可以發現:一方面,目前大多數中藥采用口服方式服藥,藥物在消化道內吸收、分布、轉化及排泄的過程要經過脂溶性擴散的方式[11-12],而中藥材中存在的大多數苷類物質多以結合型的形式存在,親脂性低,不易轉運到作用靶部位,腸道菌群分泌相應的酶可以水解此類物質使其脫去糖基,變為游離型苷元,增加其脂溶性,從而實現在消化道內的吸收。水解后得到的苷元經小腸吸收進入血液循環系統,從而在局部或全身發揮藥效。另一方面,苷類物質在水解過程中脫去的糖基又可作為菌群生長所需的碳源。且中藥又可為菌群生長代謝提供營養物質[13-14]。20世紀90年代初,小橋恭一提出,大黃、番瀉葉中發揮瀉下作用的蘆薈苷和番瀉葉苷不能被胃酸、膽汁、消化酶分解,只能在消化道下部經腸道菌分解酶作用下轉化成相應的苷元,才能發揮瀉下作用[15]，番瀉葉A與蘆薈苷的代謝過程見圖1，圖2。在此基礎上,張圣潔等[16]、郭娜等[17]都做了相應的后續研究,結果都支持該論點,并比較清楚地闡述了該類化合物在體內的藥代機理。

圖1 番瀉葉A腸道菌群代謝過程Fig.1 Metabolism of sennoside A in intestinal flora

圖2 蘆薈苷腸道菌群代謝過程Fig.2 Metabolism of aloin in intestinal flora

2.3 益生菌發酵中藥的優勢

2.3.1 提高藥效 中藥有效活性物質通常存在于細胞壁內,而植物細胞壁結構致密。這就使得有效成分在向外界溶出的過程中要抵抗細胞壁的阻礙作用[18-19]。而益生菌在代謝過程中可以分泌幾十種胞外酶,有的可直接水解細胞壁中的纖維素、半纖維素等使細胞壁變得致密的物質,破環其相應結構,促進有效成分得以溶出。楊彩媚等[20]采用釀酒酵母對風柜斗草進行發酵獲得發酵提取液,研究表明風柜斗草發酵液的總黃酮含量高于同等風柜斗草水提物,總黃酮提取率分別為5.351%±0.153%、2.050%±0.127%,差異顯著。中藥經益生菌的酶系作用后,活性成分有效釋放,從而極大提高藥效。

2.3.2 更易人體吸收 中藥必須經過炮制之后才能入藥,然而由于傳統工藝加工深度不夠,往往會造成有效物質難以得到充分的吸收利用,但是益生菌在發酵過程中可以通過酶解作用將大分子物質分解,分解而成的小分子物質能更容易透過血腦屏障與人體蛋白相結合,使得吸收更快速、更完全[21]。管悅等[22]利用酵母菌和米曲霉發酵黃芪藥材,發酵后黃芩苷和漢黃芪苷的轉化率分別達到91.62%和90.02%,黃芩素和漢黃芪素的提取率分別提高了3.46倍和3.04倍。黃芩苷和漢黃芩苷被分解成黃芩素和漢黃芩素。這些經微生物發酵分解得到的小分子物質在體內可以得到充分代謝,同時避免了藥物殘留。

2.3.3 降低毒副作用 有些中藥含有有毒成分,例如川烏中的烏頭堿類物質、枇杷仁中的氰苷類物質、蒼耳子中的毒蛋白類物質以及朱砂中所含有的重金屬類物質等。而益生菌可以發揮其分解轉化作用,將有毒成分進行分解或結構修飾,降低中藥的毒副作用[23-24]。蘇建樹等[25]以黑曲霉直接對川烏、附子進行發酵,并對主要毒性成分進行提取,發酵后川烏、附子中有毒性的烏頭堿、新烏頭堿、次烏頭堿的質量分數顯著降低。中藥經過微生物發酵后,有毒有害物質被分解或進一步轉化,從而使毒性成分減少,毒性作用降低。

2.3.4 節約中藥資源 中藥材在炮制和中藥制品加工階段會剩余大量中藥渣,而企業對于中藥渣的處理通常是作為廢棄物進行堆放或者焚燒,不僅造成資源浪費,還污染環境[26-27]。中藥渣具有大量不易被消化酶分解的多糖類物質,而益生菌可以利用豐富的酶系將這種多糖類物質轉化為易于利用的小分子糖類物質,提高中藥渣的資源利用率[28]。這樣不僅高值化的利用了中藥資源,也解決處理不當帶來的環境污染問題。江蘺提取瓊脂后剩余了許多江蘺廢渣,李泳寧等[29]利用地衣芽孢桿菌、釀酒酵母和嗜酸乳桿菌對江蘺廢渣進行發酵,并且發現在基礎日糧中添加1%的發酵江蘺渣可以降低妊娠母豬便秘率,改善腸道菌群,提高仔豬初生窩重。通過益生菌對藥渣的再次發酵利用,對環境保護和藥材節約都起到了積極作用。

3 益生菌發酵中藥的研究現狀

3.1 單一菌種發酵

由于酶具有專一性的特點,所以當僅接入一種微生物時,特定的酶可以催化特定的一種或一類中藥物質成分,定向的生成純度較高的單一性產物[30-31]。所以國內外學者常采用單一的菌種對中藥進行定向的催化和改造。目前應用于中藥發酵的益生菌主要有酵母菌、芽孢桿菌、乳酸菌、丁酸梭菌、黑曲霉等[32]。

3.1.1 酵母菌 酵母菌是一種單細胞真菌,無性繁殖階段是通過芽殖或裂殖實現的,有性生殖階段不產生子實體,酵母菌的應用廣泛、歷史悠久且具有重要價值[33-34]。孫玉靜[35]研究發現,酵母發酵能降解熟地黃中的部分糖類成分和5-HMF,并且動物實驗結果表明,發酵和未發酵熟地黃均對I型糖尿病并發癥具有顯著改善作用,但發酵熟地黃效果較好。李萬叢等[36]利用釀酒酵母對人參進行發酵,結果發現,發酵人參的多糖得率相比未發酵的提高了6.8%,且中性糖和糖醛酸含量也有顯著提高。劉鑫等[37]采用酵母對何首烏進行發酵,并用發酵液灌胃小鼠,小鼠未出現肝功能異常的表現,表明發酵后的何首烏無明顯肝毒性。

3.1.2 芽孢桿菌 芽孢桿菌是一類好氧或兼性厭氧并能夠產生具有抗逆性的內生孢子的桿狀細菌[38]。芽孢桿菌與其它常見益生菌相比,具有熱穩定性強的優點,即產品可以在室溫下以干燥的形式儲存,不會對活力產生影響[39]。劉湧濤[40]利用枯草芽孢桿菌對中藥三七進行發酵,結果發現,三七中的皂苷溶出明顯增加,同時部分皂苷發生了轉化。楊婧娟[41]將枯草芽孢桿菌作為發酵菌種,以中藥三七作為原料,發酵提取總皂苷,結果發現,在發酵過程中,部分三醇型皂苷轉化成為了稀有皂苷組分Rh1、F1。吳泊等[42]利用地衣芽抱桿菌中藥紅花進行發酵并進行小鼠血栓實驗,結果表明,在相同灌胃劑量下,紅花與芽孢桿菌共發酵組的小鼠比其他實驗組小鼠的纖溶活性更高,且對內外源性凝血系統的抑制效果更強。鄒佳妤[43]利用枯草芽孢菌對靈芝進行發酵,發酵后靈芝多糖的官能團發生了一定程度上的變化,且免疫調節和抗氧化作用增強。

3.1.3 乳酸菌 乳酸菌是指發酵糖類主要產物為乳酸的無芽孢革蘭氏陽性細菌的總稱。乳酸菌的基本特性是不形成芽孢、無運動性或極少運動、不生成色素、分解蛋白質但不產腐敗物質,脂肪分解能力較弱[44-45]。乳酸菌分布廣泛,在動植物以及人體內都有存在,在自然環境中廣泛存在。Kim等[46]利用植物乳桿菌對紅參粉進行人參皂苷的微生物轉化,經過4 d的發酵發現,人參總皂苷質量分數增加到176.8 mg/g,人參皂苷的代謝產物質量分數從38.0 mg/g增加至83.4 mg/g。谷巍等[47]發現烏梅、五倍子、蒲公英復方中藥經過嗜酸乳桿菌發酵后,其發酵物作用于腹瀉小鼠,可以改善K88所引起的腹瀉現象,且治療效果好于常規的水提液。陳旸等[48]利用植物乳桿菌發酵人參,發酵后,發酵產物中人參總皂苷含量增加了32%,且人參皂苷Rd含量比未發酵人參增加4.864 mg/g。

3.1.4 其他菌種 益生菌發酵中藥除了常見的酵母菌、芽孢桿菌、乳酸菌外,還有丁酸梭菌、黑曲霉等。梁偉杰[49]利用龍眼多糖提取液與丁酸梭菌混合發酵,發酵后多糖含量比發酵前提高了464.65 mg/mL,將發酵液應用于UC小鼠模型進行藥物干預試驗,試驗結果表明發酵液對DSS誘導的UC小鼠具有一定的保護作用。Chong等[50]利用黑曲霉轉化虎杖中的虎杖苷為白藜蘆醇,通過優化得到最佳轉化條件為:培養溫度30.3 ℃、接種量20%、轉速為147 r/min,此條件下得到的轉化率可達95%以上。

單一菌種發酵中藥多為有目的性和方向性的,定向地對中藥中某種有效成分進行分解,提高有效成分的比例及效價;利用益生菌發酵作用把原本的一種化合物轉化成更具有經濟效益的相關產物;利用益生菌對具有毒副作用的中藥在發酵過程中進行結構修飾以達到脫毒目的。

3.2 多菌種混合發酵

不同的微生物具有不同的酶系,采用多菌種混合發酵,可以使系統的酶系多樣化和互補,對于成分復雜的中藥生物轉化效率更高,多菌種混合發酵還可使植物組織內的功效成分及營養成分得到充分的分解、溶出和利用,提高中藥材的綜合利用率和生物轉化率[51]。Jin等[52]以黑曲霉和酵母為發酵菌種共同發酵虎杖生產白藜蘆醇,并對生物轉化條件進行優化,結果表明:在30 ℃,pH6.5,液固比為12∶1的條件下發酵2 d,白藜蘆醇的產率可達到33.45 mg/g。陳雷等[53]利用乳酸菌和芽孢菌發酵黃芪,并將制得的發酵液對小鼠采用灌胃方式給藥,結果顯示,給藥30 d后,灌服發酵液的小鼠免疫因子水平顯著高于灌服未發酵黃芪的對照組。吳金梅等[54]利用了兩株菌,分別為屎腸球菌和地衣芽孢桿菌,將其復配后作用于黨參黃芪和黨參紅芪進行固態發酵,通過對發酵前后多糖含量的測定以及全景法對小肽含量變化情況進行測定,可以發現,黨參黃芪和黨參紅芪發酵前期多糖含量和小肽含量均顯示增加,并且在192 h達到最高值。目前,多菌種混合發酵中藥的研究報道較少,混菌發酵的最適體系和代謝產物的互作機制有待進一步研究闡明。

4 益生菌發酵藥食兩用中藥開發相關產品的研究進展

我國有著豐富的中藥資源,其中有不少藥食兩用中藥。它們既富含營養素,又含有有效活性成分。根據功效將其進行分類,并將具有同等或相似功效的藥食兩用中藥進行組合,利用微生物發酵技術,研制成方便消費者長期使用的產品,其特色不僅在于改善中藥苦澀的風味,還提高了中藥營養成分的生物利用度,使得活性成分具有復合型,作用具有多靶位性,易于產生更好的保健效果。

4.1 益生菌中藥酸奶的研制

近年來,鑒于藥食兩用中藥的功能特性、較高的藥用及食用價值,以藥食兩用中藥為原料制作兼有廣泛的補養健身作用及營養均衡作用的中藥發酵酸奶,已成為一種發展趨勢。其符合現代消費人群和市場的需求,開發前景十分廣闊。盧倩等[55]以牛乳為主料,加入藥食兩用的枳椇子,利用瑞士乳桿菌和嗜熱鏈球菌發酵,制成了口味獨特、營養豐富的枳椇子酸奶。王曉琴等[56]利用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌對紅芪進行發酵,研制出了一款具有清淡的紅芪味和濃郁的奶香味的紅芪保健型酸奶。王允華等[57]以紅景天和鮮牛奶為主要原料,通過正交試驗優化紅景天酸奶制作工藝參數。結果表明:在紅景天濾液10 g/100 mL、白砂糖8 g/100 mL、直投式乳酸菌發酵劑0.3 g/100 mL、42 ℃發酵5 h條件下制作出了一款風味獨特的的紅景天酸奶。在日漸關注飲食健康的現狀下,功能型酸奶進入市場,將具有降血脂、降血糖、緩解疲勞的藥食兩用中藥與益生菌共同發酵研制中藥酸奶,從而增加酸奶的附加值,將具有廣闊的前景。

4.2 益生菌中藥飲料的研制

通過微生物的分解代謝,可以改善中藥酸澀的口感,掩蓋中藥無悅人風味的缺點,提高中藥營養成分的生物利用度,研究開發以藥食兩用中藥為原料的新型發酵飲料,對開發中藥資源,提高經濟價值有重要的實踐的意義。崔巍[58]以人參和乳清做為主要原料,制備人參乳清開菲爾發酵飲料,確定最佳發酵工藝為:乳清與人參提取液比例為2∶1,發酵劑接種量為5%,在36 ℃下恒溫發酵12 h。邢紫娟[59]選用保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌發酵枸杞液,研制出了一款酸甜可口,柔和細膩的枸杞發酵飲料。張玉娜等[60]以黑參和牛奶為主要原料,加入酒曲發酵后調配,開發出了一款新型的具有抗疲勞、提高機體免疫力作用的功能性飲料,并且優化得到最佳發酵工藝為:黑參添加量為1.2%,酒曲添加量為0.6%,37 ℃發酵3.5 h。劉玉冰等[61]以砂仁為原料,產乳酸芽孢桿菌為發酵劑,研制出了一款黃酮含量高達0.725 mg/g的具有保健功能的砂仁發酵飲料。中藥經過微生物的發酵作用,不僅有效物質得以溶出,還會產生許多有益于身體平衡的功能因子,將其應用于飲料,開發具有一定功能的以藥食兩用中藥為原料的新型發酵飲料,對于飲料市場結構和產品升級具有重要意義。

4.3 益生菌中藥果醋的研制

果醋能促進身體新陳代謝,降低膽固醇。因為其中富含的尼克酸能夠促進膽固醇排出,從而降低血液黏度[62]。果醋中含有豐富的維生素C,能防止細胞癌變和細胞衰老,防止胃癌、食道癌等癌癥的發生[63]。許多藥食兩用中藥能夠消食健胃、益氣生津、補腎寧心,是不可多得的保健品,而以藥食兩用中藥為原料發酵果醋則集合了二者的功效。歐陽劍等[64]以野生枳椇為原料,利用酒用活化酵母和醋酸菌釀制出的枳椇醋具有食醋清香和枳椇果香,酸味柔和、風味獨特、酸甜爽口。閆占鵬[65]以金銀花為主料,在金銀花水提液加入酵母菌和醋酸菌,研制了金銀花發酵醋,產品自由基清除率可達到92.68%,較提取液和普通發酵醋相比的保健功能顯著提升。唐道民[66]利用醋酸桿菌屬巴氏亞種對山楂浸泡酒液進行發酵,研制出了一款穩定性和透光度良好的山楂醋。目前,人們對果醋的研制不只停留于含糖量高的飲料型果醋,而是已經開始利用具有廣譜抗菌性等作用的藥食兩用中藥為原料研制具有殺菌防病的保健型果醋。

4.4 益生菌中藥酒的研制

以藥食兩用中藥為原料研制的發酵酒具有調節情緒、提高機體免疫力等功能,不僅打破了傳統酒制品損傷肝臟的弊端,還可以減少或避免對胃粘膜的損傷[67-68]。隨著技術的不斷完善,以藥食兩用中藥為原料開發的新型發酵酒將憑借它獨特的口感和保健功效越來越多的出現在市場,它的出現也為藥食兩用中藥的開發與利用提供了一條創新的道路[69]。劉洋[70]利用甜酒曲發酵北五味子和大米,釀造出了一款棕褐色、酒精度為6.75% vol的北五味子米酒。李玉珠[71]利用酵母發酵玫瑰茄干花萼,結果發現在發酵溫度24.5 ℃,酵母添加量1.6 g/L的條件下發酵10 d,所制得玫瑰茄酒顏色呈紅寶石色,清亮透明,各理化指標均符合果酒相關標準,且具有一定的保健功效。曾麗萍等[72]以芽孢桿菌∶釀酒酵母菌=1∶10 (V/V)的比例發酵鐵皮石斛用以制備發酵酒,結果發現,在30 ℃的發酵溫度下,接種2%的菌液,發酵7 d,制得的鐵皮石斛發酵酒顏色均一,口感柔和細膩,氣味芳香宜人。目前,中藥酒劑的研制多用于口服飲用,對于外用擦涂的中藥藥酒研究稀缺,利用具有透皮吸收性的中藥為原料研制外用藥酒具有較大發展空間。

4.5 益生菌發酵藥食兩用中藥研制的其他功能型產品

目前,利用益生菌發酵藥食兩用中藥開發的相關產品多集中于酸奶、飲料、果醋、酒等食品方面的產品,但是隨著市場需要以及技術手段的創新,學者們逐漸把開發重點放在了具有一定功效的保健品和生物制劑等方面[73-75]。表1列舉了一些具有代表性的利用益生菌發酵藥食兩用中藥所研制的功能型產品。學者們在明確產品的開發目的和功效后,通常選擇兩種或兩種以上具有同等或相似功效的藥食兩用中藥,酌定用量并按照組成原則妥善配伍成一組復方組合,以其作為主要原料,利用益生菌發酵手段,開發出同時具有多種層次、多種功能的功能型產品。但是由于復方組合中化學成分復雜而且干擾因素眾多,所以研究出機制明確的功能性產品難度頗大,利用益生菌發酵復方藥食兩用中藥仍處于起步階段。

表1 益生菌發酵藥食兩用中藥研制的其他功能型產品Table 1 Other functional products of probiotics fermentation medicine and edible Chinese medicine

5 結論與展望

隨著現代生物技術和中藥加工工藝的不斷創新,利用益生菌發酵中藥已經在越來越多的領域發揮著重要作用,但益生菌發酵中藥仍處于起步時期,還面臨著一些亟待解決的問題:

a.從發酵工藝來看,目前益生菌發酵中藥更局限于單一菌種發酵,發酵效果還有一定局限性。

b.從藥理方面來看,發酵過程中藥材間相互作用機理研究還比較欠缺,投入到臨床試驗的發酵藥物研究更少,但隨著中醫學與現代醫學的接軌,將會開發出更多發酵新藥并投入臨床試驗。

c.從產品開發方面來看,益生菌發酵中藥產品多集中于食品及保健品,而研發具有對人和畜禽疾病有治療作用的微生態制劑也是今后的重要發展方向。

d.從安全性方面來看,由于益生菌發酵中藥過程中有效物質結構和成分變化較為復雜,所以無法系統的對其進行藥理學、藥效學研究,安全性評價也多停留于動物實驗,未來還應從機制入手,對其安全性進行全面且科學的評價。

綜上所述,益生菌發酵中藥為中藥發展開辟了新的研究領域,具有十分廣闊的前景,隨著科學技術的發展,益生菌發酵中藥必將在疾病防治、食品開發、藥品開發等方面做出重大貢獻。