基于生物发酵技术的中药药渣开发应用研究进展

刘焕焕，郭枫，许文迪，邱智东，王伟楠*

（长春中医药大学药学院，吉林长春130117）

基于生物发酵技术的中药药渣开发应用研究进展

刘焕焕，郭枫，许文迪，邱智东，王伟楠*

（长春中医药大学药学院，吉林长春130117）

据不完全统计，目前我国中药材年产量约7 000万t，而在制药企业进行工业化加工生产过程中，被丢弃的药渣等固体废弃物可达3 500万t，约为药材总产量的一半，过度的资源浪费阻碍了中医药事业的稳步发展，因此中药药渣妥善处理的问题亟待解决。近年来，应用生物发酵技术手段提升中药药渣的利用价值备受关注，该文以中药药渣的生物发酵为中心，从有氧发酵和无氧发酵两个方面为切入点进行综述，为中药药渣的深度开发和中药资源的可持续利用提供了新的思路。

中药药渣；生物发酵；开发应用；研究进展

为挖掘中药资源的发展潜力，提高中药资源利用效率，国家在“十二五”规划中明确指出要对传统名贵中药进行二次开发、技术改造和临床应用再评价研究，因此中药药渣的充分利用和妥善处理意义重大。中药药渣主要来源于原料药生产、中成药生产、中药材加工与炮制、提取等过程[2-3]。我国许多药品生产企业的设备、技术等方面同国外相比，仍有很大进步空间。由于传统提取方法单一，多数中药制药过程中的有效成分提取率仅为30%～70%，而经提取后的药渣和非入药部位则被归为废料一类[4]。有报道显示，中药药渣包含植物纤维、脂类、蛋白质、多糖、黄酮、生物碱、萜类以及多种微量元素等大量可再利用的营养成分[5]，目前这些成分主要用于基质栽培、生物燃料、畜禽饲料、生物有机肥、膳食纤维保健品等[6-7]。

中药生物发酵是近年来中药现代化研究的热点问题，是现代生物技术与传统中药优势的完美结合，是改善中药药效物质基础的重要手段之一。生物发酵同化学反应相比，具有专属性强、转化率高、安全无毒等优势[8-9]。利用生物发酵手段发挥微生物的生物降解作用，增加中药药渣活性成分的释放，充分利用中药药渣的生物质资源，不失为中药药渣精细高值化利用的新途径[10]。本文着重从厌氧发酵和有氧发酵两个方面对中药药渣的微生物发酵进行简要综述，以期为中药药渣的深度开发和中药资源的可持续利用研究提供参考。

1 厌氧发酵在中药药渣开发中的应用

厌氧发酵也称厌氧消化，是指厌氧微生物菌群在厌氧条件下将固体废物中的有机物转化为CO2、CH4和自身物质能量的过程。其中不仅涉及多种菌群的相互作用，又伴随着各种生化、化学反应，且影响其反应进程的因素较多，主要包括温度、氧化还原电位、pH值、含水率等，其本身是一个复杂的有机物质微生物降解的过程[11-12]。利用药渣中残留的各种无机元素、有机酸和纤维素等可为厌氧菌群生长提供丰富的营养条件。中药药渣的厌氧发酵产物主要包括沼气、乙醇等生物质能源。如植物类中药材被提取后的中药药渣，还可为产酸菌和甲烷菌的繁殖提供富足的生长环境，是生产沼气的理想原料。徐俊虎[13]在对湖北午时药业中药渣厌氧处理的研究中，选取地黄药渣为厌氧消化原料，探索中药渣产沼气替代煤燃料提供反应器的设计依据，既能为药厂处理污染、提供清洁能源提供了一定的实践依据。习彦花等[14]选取几种不同成分的复方混合中药药渣为发酵原料，采用室内批式发酵工艺在恒温（35±1）℃条件下进行厌氧发酵，通过监测中药渣在厌氧消化产沼气过程中的各项指标，确定该复方混合药渣是厌氧消化产沼气的优质原料。张英等[15]以藿香正气水药渣为原料，在初步研究其同步糖化发酵生产乙醇的工艺时，得到的最优条件中乙醇含量可达到16.9 g/L，使中草药药渣作为一种纤维素废弃物原料，在发酵生产乙醇、解决燃料短缺方面具有潜在的应用前景。

2 有氧发酵在中药药渣开发中的应用

2.1 生物有机肥

中药渣中富含土壤所需的氮、磷、钾和有机质等，具有质轻、通气性好等特点，是一种轻基质原料。李秀颖等[16]在黄姜去皂苷后的药渣中加入有益微生物，发酵20 d后制得的生物有机肥料，经检测合格可应用于农业生产，为药渣废弃物的综合利用开辟新途径。刘金鹏等[17]以中药药渣、玉米芯和粘土为原料，木屑为发酵菌液载体，经一系列加工处理后制得的有机肥料中有机质含量较高，对改良土壤性质，提高土壤肥力，促进植物生长，避免工业化肥带来的土壤板结和土质退化等问题均有较好的作用。方练等[18]将中药药渣经干湿化处理后，适当添加粗纤维降解菌等进行混合发酵后得到中药渣有机肥料半成品，根据有机肥料中所需的氮、磷、钾含量，定量加入硫酸铵、硫酸钾或氯化钾等，制成的肥料产品中既含有有机质，且无机成分氮、磷、钾养分丰富，是一款营养全面、高效、无公害的有机肥料。

2.2 禽畜饲料或饲料添加剂

利用中药药渣进行固态发酵生产功能饲料，是中药药渣有效再利用的一大实践。戴德慧等[19]在丹参药渣发酵生产药用真菌多糖生物饲料研究中，以药用真菌为主的多菌种混合发酵丹参药渣，结果发现，发酵后可溶性多糖和真蛋白的含量与发酵前相比，均有明显提高，为以后生产富含真菌多糖生物饲料做了初步研究。周勇等[20]采用嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、乳酸芽孢杆菌（Lactobacillus sporogenes）、产朊假丝酵母菌（Candida utilis）的混合菌种对复合中药渣进行固态发酵，得到较好的发酵结果为多糖的质量分数为6.1%，菌体含量为1.5×107CFU/g。进一步说明中药渣经发酵后可开发成饲料资源的可行性。敖杨等[21]在研究金莲花药渣发酵物对未免疫肉仔鸡的影响中，以生产性能、免疫功能、抗氧化能力和抗病力为考察指标，结果发现，在饲料中添加金莲花的药渣发酵物可提高肉鸡体增质量和成活率，增加肉鸡血清中总超氧化物歧化酶（total superoxide dismutase，T-SOD）、总抗氧化能力（total antioxidant capacity，T-AOC）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）活性，具有明显的抗氧化能力，对未免疫肉鸡的抗病力和免疫功能均有增强，说明金莲花药渣发酵物可作为鸡饲料添加剂。

另外，中草药因为细胞壁的存在，大大阻碍了非草食动物对一些营养物质的吸收，所以在发酵前筛选出适合药渣转化的菌株或菌群，再针对不同动物的各生长阶段，开发具有专属性的饲料添加剂是目前研究的热点问题[22]。

2.3 发酵培养基

中药药渣中因含有微生物生长繁殖所需的碳源、氮源、生长因子、无机盐等营养物质，常作为发酵基质用于固体发酵或液体发酵中。杨丽红等[23]在中药渣固体发酵亮菌（Armillariella tabescens）产漆酶的研究中，运用正交试验法对几种不同中药渣固体发酵亮菌的培养条件进行优化，结果表明当培养基的组成为葡萄糖0.9%，白芍∶麸皮= 3∶7，含水量65.0%，接种量11.0%时，获得最高活性的漆酶。岳鹍等[24]以大黄、芍药和麻黄药渣为原材料，用毛云芝菌（Coriolus hirsutus）进行液体发酵真菌漆酶的生产工艺研究中，优化得到的大黄药渣培养基最佳组成：大黄药渣12.0%，麸皮3.0%，蛋白胨0.2%，MgSO43.0 g/L，KH2PO43.0 g/L。在该条件下，毛云芝菌发酵后的产酶酶活提高了1.4倍。贺晓玉[25]选取蛹虫草菌（Cordyceps millitaris）为发酵菌株，将五味子药渣发酵15 d后，优化得到的培养基条件为药渣基质37.0 g/L，接种量23.0%，水料比2.0∶1.0（mL∶g），所得的发酵产物中多糖含量为2.9%，虫草素含量为5.1mg/g。由此可见，五味子药渣不仅可以作为蛹虫草菌的药性基质，又是高效利用五味子药渣的理想途径。

微生物转化中药药渣的反应机制同转化中药材的机制基本一致，都是利用微生物把生物质中某些成分作为自身的营养物质，并利用其生长代谢过程中产生的丰富酶系，特异性地对某些活性位点进行生物转化，从而引起中药药渣中的特定成分的结构改变而获得其他结构的产物[26]。在传统的固体发酵中，发酵培养基往往是单向性为真菌提供所需的营养物质。而近年兴起的双向型固体发酵工程[27]，采用中药材或中药渣代替传统营养型培养基作为药性菌质，不仅为真菌提供所需营养物质，也在真菌代谢酶的作用下，使药性菌质中的活性成分发生量变或质变，甚至产生新的活性物质，可为中药药渣资源化的高效利用提供借鉴和引导。张庆明等[28]利用灵芝菌双向发酵玄七通痹胶囊药渣，以多糖、灵芝酸为主要的检测指标，得到当药渣温度28℃、固液比1.0∶1.5（g∶mL）时、药渣粒径60目时发酵效果最好，且在发酵前后产生的多糖及灵芝酸组分均有差异，同时根据高效液相色谱图的结果也发现了新生成的物质，具有潜在的研究价值和广阔的应用前景。姬建秀等[29]在研究酵母菌发酵金莲花药渣的实验中发现，金莲花药渣的乙醇提取物可显著抑制或杀灭真菌的作用，证明对药渣中的某些成分进行提取纯化后同样具有一定的药理活性。HSU B Y等[30-31]研究灵芝菌发酵人参萃取残渣中的人参皂苷变化时，主要考察了人参皂苷Rb1、Rc、Re、Rg1、Rg3（S）、Rh2（S）和对照CK的变化趋势。结果表明，发酵后，人参残渣中的人参皂苷Rg1、Rg3（S）和CK的水平有所增加，人参皂苷Rb1、Rc、Re和Rh2（S）出现减少的趋势。这不仅解决了人参残渣处理的问题，也为定向生物转化人参皂苷成更多的生物活性发酵产物提供了可能。WEN Y L等[32]以瓜蒌、厚朴、甘草、丹参的水提取残渣为主要原料，研究米曲霉固态发酵4种常见中草药药渣的抗氧化和抗菌活性的影响，比较发酵产物的甲醇提取物中化学组分和性质的变化。结果表明，发酵产物的抗氧化活性高于未发酵的产品，且对病原细菌有广谱抗菌活性，为生物发酵可增强中药材的活性成分的释放提供理论基础。曲墨等[33]在灵芝菌固体发酵三七药渣的工艺研究中，最终得到的发酵产物兼具药用真菌和三七药渣的物质基础，同时也对三七药渣中残留的一些活性成分进行生物转化，发现活性成分发生了变化，从一定程度上来说，提高了三七药渣的应用附加值。

另外，中药渣中的纤维空隙率高、营养充足，使得菌丝易着生和繁殖，还是食用菌的优良培养基[34-35]。

2.4 微生物絮凝剂

环境问题已是21世纪人类不容忽视的全球性问题。微生物絮凝剂是对微生物的发酵产物进行加工得到的具有安全、高效特性的新型水处理剂。王德馨[36]针对中药渣发酵生产微生物絮凝剂进行研究，以板蓝根药渣和栀子药渣为基础，分别从中药渣和淤泥中筛选出既能在药渣上培养又能产生絮凝剂的菌，根据检测结果，得到的菌种为四孢脉孢菌（Neurosporatetrasperma）、宛氏拟青霉（Paecilomyces variotii）、恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida），菌种在发酵过程中，吸收利用中药药渣中的营养物质，达到“以废治废”的目的。曹飞丽等[37]用白腐菌（Trametes versicolor）的典型菌种黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium Burdsall）对中药渣进行改性处理，制备出吸附能力更强的白腐菌改性中药渣，为解决废水中的重金属提供参考。

2.5 其他

纤维素是中药渣中主要的资源性化学成分，阻碍中药材活性成分的充分溶出。除去纤维素的常用办法有微生物降解和酶解法[38]。杜晓兵等[39]在绿色木霉（Trichoderma viride）Sn-9106固态发酵中药渣制备纤维素酶的研究中，优化得到的最适培养基条件为蛋白胨2.1 g/L、麸皮19.8 g/L及KH2PO42.9 g/L，滤纸酶活力可达12.6 IU/g，使得纤维素酶产量成倍提高。SANTOS T C D等[40]在探究黑曲霉固态发酵红酸枣残渣生产纤维素分解酶的实验中，以内切葡聚糖酶和总纤维素酶为活性指标，考察发酵时间和水活性对生产纤维素分解酶的影响。研究发现内切葡聚糖酶的最佳条件是水活度0.98和93.8 h的发酵，达到3.2 U/g；而总纤维素酶是水活度0.96和79.4 h发酵，含量达到12.1 U/g，为大工业生产纤维素分解酶提供参考依据。

中药渣的微生物发酵在处理重金属污染上也有报道。张立颖等[41]将醇提过的威灵仙、败酱草、麻黄的残渣与锰渣混合后共同加入含有多菌复合的饲料发酵剂中进行发酵后，产生的大量生物催化酶和有机酸，可将锰渣中的高价锰还原成二价锰离子，再经适当淋洗后，得到可回收的二价锰离子，达到中草药残渣和电解重金属锰废渣的双重目的。

3 前景与展望

中药是中华文化的瑰宝，中医药事业是我国传统的资源型优势产业。随着中药产业的迅猛发展，工业水平的逐步提高、生产规模的不断扩大，中药药渣的二次利用和深度开发，不仅能够引导中药产业走上绿色可持续发展的道路，真正形成“现代、集约、环保”的中药产业新理念，同时也为社会经济和自然环境创造最为实质的效益。通过微生物的生物发酵，转化中药药渣的化学物质基础，不失为实现中药药渣的精细高值化利用的有力手段；基于生物发酵技术的中药药渣开发，是缓解药用物质来源不足、解决中药渣废弃物造成的生态环境问题的又一突破口，更是中药资源开发合理化、健康化应用的绿色通道。近日“两会”中有关中药渣废弃物处理问题的草案，预示着中药渣的再次开发即将步入正常化、规模化的轨道，发展前景很是乐观。但由于微生物菌种发酵过程中对菌株或菌群的筛选、转化酶专一性的限制、中药药渣来源多样性和安全性、发酵工艺的稳定性还不能满足大工业生产等问题，仍需要科研人员更深层次的探索和研究。

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Research progress on development and application of traditional Chinese medicine residues based on bio-fermentation technology

LIU Huanhuan,GUO Feng,XU Wendi,QIU Zhidong,WANG Weinan*
(School of Pharmaceutical Sciences,Changchun University of Chinese Medicine,Changchun 130117,China)

According to incomplete statistics,at present,the annual production of traditional Chinese medicine(TCM)in China is 70 million tons. During industrial production process in pharmaceutical enterprises,the abandoned solid waste(such as medicine residues etc)can be up to over 35 million tons,which is nearly half of the medicinal material total production.The excessive waste of resources has been hindering the steady development of TCM career.The problem of properly handling of TCM residues is to be solved.In recent years,the introduction of bio-fermentation technology to improve the utilization value of TCM residues has drawn much attention from the public.The bio-fermentation of TCM residues was summarized from the aspects of aerobic fermentation and anaerobic fermentation two aspects as the breakthrough point,which provided a new idea for deep development of TCM residues and sustainable utilization of TCM resources.

TCM residues;bio-fermentation;development and application;research progress

X703.1

0254-5071（2017）04-0006-04

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.04.002

2017-02-23

吉林省重大科技攻关项目（20160201001YY）

刘焕焕（1992-），女，硕士研究生，研究方向为中药药剂学。

*通讯作者：王伟楠（1985-），男，副教授，博士，研究方向为中药化学成分。