微生物法转化人参皂苷的研究进展

南博，游颖，王雨珊，王心哲，李万丛，王玉华

（吉林农业大学，吉林长春130118）

微生物法转化人参皂苷的研究进展

南博，游颖，王雨珊，王心哲，李万丛，王玉华*

（吉林农业大学，吉林长春130118）

人参具有多种药理功效（如抗肿瘤、抗癌、抗衰老等），除人参多糖、人参多肽等化合物外，其主要有效成分是人参皂苷。因此，通过化学法、酶法和微生物法对人参皂苷进行定向改造，水解其糖苷键，减少高含量人参皂苷的糖基数量，获得具有更高药理活性的稀有人参皂苷（如C-K，F2等），从而提高人参的经济附加值。因此对微生物法转化人参皂苷研究现状及进展进行了综述，为微生物法转化人参皂苷的进一步研究提供相关依据。

人参；微生物转化；人参皂苷

人参为五加科，是多年生草本植物，被人们誉为“百草之王”[1-2]，广泛生长于我国的黑龙江、吉林、辽宁，特别是长白山地区。人参皂苷作为人参中草药重要的有效成分，具有丰富的生物活性，如抗肿瘤（主要人参皂苷Rh2和Rg3）、抗疲劳（人参皂苷Rg1）、调节免疫系统（人参皂苷 Rb1、Rd）、抗炎、抗氧化等[3-8]。

人参皂苷是人参特有成分，目前已分离出100余种[9]。人参皂苷按其皂苷元结构的不同，可将人参皂苷分为3种类型：即达玛烷型（Dammarane）四环三萜类皂苷，齐墩果酸（Oleanolic acid）型五环三萜皂苷和奥克梯隆（Ocotillol）型皂苷。其中，达玛烷型人参皂苷按其皂苷元的不同分为两类：20（S）-原人参二醇（PPD型）和20（S）-原人参三醇（PPT型）[10]。因人参皂苷的糖基侧链不同，其生物活性和药理功能也有较大差异[11]。研究证实，二醇型皂苷与三醇型皂苷水解后的稀有皂苷和苷元具有更高的活性，进入血液从而被人体吸收利用。综上，人参皂苷的糖链与它们的生物活性密切相关，通过修饰糖链可以显著改变其生物学活性。由于天然皂苷（如C-K、F2、Rg3等）含量极少，因此利用化学法和生物转化法定向改造人参皂苷，对于制备稀有人参皂苷具有深远意义。

1 人参皂苷转化方法

研究表明，含量丰富的人参皂苷（如Rb1、Rb2、Rc和Rd等）在C-3与C-20位上糖基的数目比稀有人参皂苷（Rg3、Rh2和C-K）多。通过减少高含量人参皂苷的糖基数量，制备糖基数量较少但具有较高生物活性的稀有人参皂苷。目前，国内外制备稀有人参皂苷的方法为化学法和生物法（酶解法和微生物法）。但是，化学方法反应条件剧烈，要求高，副产物多，转化利用的有机溶剂对人体有害，不利于医疗发展[12]；生物法又包括酶解法和微生物法转化[12]，其中酶解法具有反应条件温和，不易破坏皂苷结构，反应周期短，具有高度专一性等优点；但是也存在缺点，如易失活，反应条件不易控制等[13]。微生物法转化具有在反应过程中条件温和，人参皂苷的转化效率高，试验操作简单方便等优点，不会带来二次污染，因此微生物法转化人参皂苷成为国内外科研人员关注的焦点。

1.1 化学法转化人参皂苷

化学法转化人参皂苷指利用化学催化剂（如酸、碱等）作用于人参皂苷的糖基，发生水解作用。利用弱酸作为化学催化剂时，反应条件温和，水解后人参皂苷的糖苷键依次发生断裂，产物为次生人参皂苷；但化学方法存在一定弊端，其反应条件剧烈难以控制，水解程度不易控制，其产物复杂多样化，且不利于环境友好型发展[14]。

刘志辉等[15]利用醋酸水解三七总皂苷制备人参皂苷Rg3，并优化其工艺；最佳工艺条件为：醋酸体积分数30%、水解温度90℃、皂苷体积分数5%、水解时间1 h；本试验所确定的最佳制备工艺制备人参皂苷Rg3的得率为30%，HPLC法检测总转化产物中20（R）-人参皂苷Rg3含量达80%以上，旋光分析其光学纯度为78.33%。Lee等[16]通过酸催化处理人参皂苷Rf，用核磁共振和质谱法鉴定其化学结构发现产生新的人参皂苷。

化学法转化人参皂苷，由于利用有机溶剂，故对人体健康造成威胁。化学法转化人参皂苷不利于产物的分离和纯化，因此化学法改变人参皂苷的结构不够完善，在实际操作中存在局限问题。

1.2 生物法转化人参皂苷

生物转化法具有诸多优点，如操作方便，反应体系复杂，代谢副产物少，转化率高，后处理简单，对环境污染小等[17]；由于生物转化法利用微生物细胞产生的酶，作用于人参皂苷的糖苷键，使其水解后获得稀有人参皂苷，故其具有高度专一性。

1.2.1 酶解法转化人参皂苷

目前，国内外已有关于此法转化人参皂苷的研究。Yan等[18]从真菌（拟青霉）中分离获得β-葡萄糖苷酶处理含量丰富的人参皂苷Rb1，经过该酶水解作用发生糖苷键的断裂，利用反相高效液相色谱法和薄层层析法分析，表明主要的代谢途径为Rb1→Rd→F2→C-K，最终代谢产物为具有更高生物活性（如抗癌、抗肿瘤等）的稀有人参皂苷C-K；此外，该研究结果也表明其他代谢途径：Rb1→XVII→F2→C-K以及Rb1→Rg3→Rh2。酶解法具有诸多优点，例如转化率高，选择性高等，其次利用酶解技术后其产物便于分离纯化，不会对环境造成污染且价格低廉。Quan等[19]从人参土壤中分离出菌株Microbacterium esteraromaticum，再从菌株Microbacterium esteraromaticum中提取重组β-葡萄糖苷酶，该酶水解糖苷键后获得稀有人参皂苷Rg3。

与化学法相比，酶解法降低有害试剂的产生量，对环境不会造成污染，易于获得高纯度的人参皂苷单体。酶解法具有来源广泛的特点，可以直接从土壤中获得菌株后再提取分离。此外，基因工程技术也可转化人参皂苷，利用基因重组技术可获得特定基因工程菌，该工程菌可高效表达糖苷酶，此方法具有较短的发酵周期，有效转化人参皂苷的特点[20]。

1.2.2 微生物法转化人参皂苷

微生物法转化人参皂苷其本质是微生物细胞代谢产生的酶（一种或多种）水解糖苷键，对人参皂苷进行催化反应[13]。Gao等[21]从土壤中筛选分离获得的菌株为病原性真菌（Penicillum oxalicum sp.68），从 Penicillum oxalicum sp.68的发酵液体中提取β-糖苷酶，转化人参皂苷单体，如 Rb1、Rb2、Rc、Rd；其中将人参皂苷Rb1转化为具有更高药理活性的稀有人参皂苷Compound-K的最适条件为pH=4.0，温度为55℃，Rb1的浓度为0.5 mg/mL，稀有人参皂苷Compound-K的转化效率可达87.7%。Fu等[22]从种植人参土壤中分离获得53株产β-糖苷酶的菌株，对不同微生物中的β-糖苷酶进行水解人参皂苷单体的测定分析，最终确定菌株GS 09能够将人参皂苷单体（如 Rb1、Rb2、Rc）转化成化合物C-K，经16S rRNA测定该菌株与Sphingomonas asaccharolytica具有100%的相似度。

微生物法转化具有培养条件温和、微生物种类繁多、酶系复杂的优点，广泛应用在不同领域，故作为生物转化中最常见的有机体。人参发酵后稀有皂苷更易透过肠道黏膜，被机体吸收，提高了药效。目前，我国对于微生物转化人参皂苷的研究处于起步时期，因此未发现合适的可食用菌种用于高效转化人参皂苷并实现工业化生产。

2 微生物法转化人参皂苷的研究进展

如今，人们的生活水平日渐提高，消费者更加重视饮食与身体健康，由于人参食品具有抗肿瘤、抗癌等独特的生理特性，因此人参作为食品和药品在销售市场上具有广阔的发展前景。化学方法反应条件高、副产物多，不适合工业生产，远远不能满足市场需求。微生物液体发酵具有无需提纯生物酶，酶液不易失活，反应条件容易控制等优点，成为目前工业生产皂苷的主要发展趋势。化学法无法完成复杂的转化反应，微生物法将一种化合物转化，使其产生的代谢产物具有更高的经济价值。因此，筛选具有高度专一性、对人体有益的菌种，优化其发酵方案，确定最适的发酵条件，对微生物法转化人参皂苷产生深远意义。目前为止，国内外已有大量文献报道了不同体外转化方法（化学法和生物转化法）转化人参皂苷成稀有人参皂苷的条件、代谢过程以及转化结果。其中，关于化学方法和酶解法的研究较多。

目前，国内外关于微生物人参皂苷方面的研究还处于初期，未形成完整的体系与方法，大规模工业化生产的目的没有实现。因此，找到一种可食用并对人体健康有益的菌种，从而利用该菌种发酵人参有效提高稀有人参皂苷的含量，实现工业化生产，对人参食品产业、医药保健的发展具有重大意义。

2.1 国外对微生物法转化人参皂苷的研究进展

近年来，韩国研究微生物法转化稀有人参皂苷产生了重大突破，并形成独特的系统研究，不仅在工业上实现生产，还开发了人参系列保健产品并成功市售。通过采用人参稀有皂苷生物转化技术提高人参食品的附加值，韩国在这方面走在世界前列，在国际人参品牌市场上已初步掌握了国际人参产业。调查表明，在韩国其烟酒可与人参产品（如人参含片、人参饮料等）一起销售，人参及其产品已成为韩国人生活中必不可少的食品。在人参食品发展较好的韩国，90%以上的人参是通过食品形式消费，平均每人每年食用200 g人参，中国人平均每人每年不到1 g。Kim等[23]从人参表面分离获得一系列植物乳杆菌，通过筛选确定利用植物乳杆菌M1发酵红参，用植物乳杆菌M1发酵红参后人参总皂苷与未发酵相比增加20.6 mg。Cui等[24]利用内生菌转化原人参二醇型皂苷Rb1，Rb2，Rc，Rd生成稀有人参皂苷F2和C-K，转化原人参三醇型皂苷Rg1生成Rh1；F2的产率高达94.53%，C-K的产率达66.34%。

2.2 国内对微生物法转化人参皂苷的研究进展

随着科技发展，人参食品受到社会的重视，现有人参食品不能满足我国积极消费者的需要。目前我国有关人参食品生产技术研究刚刚起步，产品单一，深加工产品少，产品结构不合理。现在面临的问题是采用微生物学手段对引进人参稀有皂苷高效转化菌种进行驯化、改良和筛选，从而获得能够高效转化并适用于工业化生产稀有人参皂苷的微生物菌种，以人参为主要原料研究其发酵生产工艺，高效转化人参皂苷。

生物法转化人参皂苷已引起研究学者的广泛重视，多数为酶解法转化人参皂苷，但该法成本高、不利于大规模工业化生产且酶活性难以保持；利用微生物法转化人参皂苷的研究极少，且目前研究人员关注的主要是用霉菌进行稀有人参皂苷的转化，但是多数霉菌产生毒素，存在安全性问题，不适于食品生产。Liu等[25]利用微生物法转化，从曲霉菌Aspergillus niger g.848中分离获得特殊的人参皂苷酶，将西洋参中原人参二醇型皂苷转化成稀有人参皂苷，如Compund-CMc（C-MC），Compound-Y（C-Y），F2 和 C-K。高娟等[26]从农耕土壤中分离出黑曲霉Aspergillus niger sp.J7，对发酵条件进行优化，发现在最优条件下可将人参皂苷Rb1完全转化成人参皂苷C-K。此外，关于乳酸菌转化提高稀有人参皂苷含量的研究也极少，研究体系不完善；陈旸等[27]利用植物乳杆菌发酵转化人参皂苷，优化其发酵工艺，发酵后人参总皂苷含量提高了32%，人参皂苷单体Rd含量增加4.864 mg/g。卲淇等[28]从食品中筛选出乳酸菌，对人参皂苷Rb1进行生物转化，除菌株L2外均具有转化能力，该结果为今后进一步研究提供基础；另外，少部分发酵菌种为肠道正常菌群，Qian等[29]证实在大鼠胃肠道中氧化和去糖基化是人参皂苷主要代谢途径，利用大鼠实验证实肠道正常菌群可转化人参皂苷（Rb1和Rg3），人参皂苷Rb1和人参皂苷Rg3转化成Rh2，而人参皂苷Rb1能够转化成Rg3。

3 展望

近年来，人参及其加工副产品备受关注。具有更高生物活性的稀有人参皂苷（如Rg3、Rh2、C-K等）不仅含量极少且制备困难，其分离提取工艺复杂且转化效率极低，因此无法实现大规模工业化生产。微生物法转化成为制备稀有人参皂苷的首选方法，因其具有生产工艺流程简单、操作方便、价格低廉、不易污染环境等优点。特别是采用益生菌发酵人参其效果更好，但目前缺乏高转化率菌种，因此，积极开展稀有人参皂苷高转化率菌种的筛选、驯化、改良及生产工艺，对于大规模工业化生产更高生物活性的稀有人参皂苷具有重大意义。

[1]钱静,康安,狄留庆,等.不同蒸制时间对人参活性成分及其药代动力学行为与抗炎作用的影响研究[J].中国中药杂志,2015,40(19)：3770-3774

[2]孙亮,张美萍,王义,等.人参皂苷生物转化及固体发酵工艺研究进展[J].食品工业科技,2013,34(15)：395-399

[3]黄月云,夏婷,赵成国,等.人参皂苷Rh2和Rg3抗肿瘤作用研究进展[J].实用中医药杂志,2016,32(8)：846-847

[4]黄海英.人参皂苷Rg1药理作用研究进展[J].实用中医药杂志,2012,28(7)：608-609

[5]杨秋娅,李晓宇,刘皋林.人参皂苷Rb1的药理作用研究进展[J].中国药学杂志,2013,48(15)：1233-1237

[6]杨秀伟,富力.人参中三萜类化学成分的生物学活性和药理学作用[J].中国现代中药,2016,18(1)：36-55

[7]宋志斌,朱成琳,师方园,等.人参皂苷Re体外抗氧化能力及其对血清剥夺神经细胞作用的研究[J].中国实验方剂学杂志,2012,18(7)：225-228

[8]王艳,代永东,葛锋,等.三七中高产人参皂苷Rd真菌的鉴定[J].食品与发酵工业,2012,38(9)：7-12

[9]Kim Ji Hye,Yi Young Su,Kim Mi Yeon,et al.Role of ginsenosides,the main active components of Panax ginseng,in inflammatory responses and diseases[J/OL].Journal of Ginseng Research,2016[2016-08-18].http：//www.ginsengres.org

[10]权恺,刘群,李萍,等.人参皂苷抗癌活性的最新研究进展[J].医学研究生学报,2015,28(4)：427-431

[11]迟美丽,白龙律,武伦鹏,等.从土壤中分离微生物转化人参皂苷Rb1为Rg3[J].人参研究,2014(2)：43-44

[12]宋学洲,高文斌,郑毅男,等.人参皂苷生物转化研究最新进展[J].人参研究,2012(1)：34-39

[13]李学,臧埔,张连学,等.微生物转化法制备人参皂苷Compound K的研究进展[J].食品科学,2012,33(11)：323-327

[14]郭从亮,崔秀明,杨晓艳,等.人参皂苷生物转化研究进展[J].中国中药杂志,2014,39(20)：3899-3904

[15]刘志辉,李琳,钱芳.醋酸水解三七总皂苷制备人参皂苷Rg3工艺的优选[J].中国医院药学杂志,2009,29(11)：881-884

[16]Lee Sang Myung.The mechanism of acid-catalyzed conversion of ginsenoside Rf and two new 25-hydroxylated ginsenosides[J].Phytochemistry Letters,2014,10：209-214

[17]杨金玲,高丽丽,朱平.人参皂苷生物合成研究进展[J].2013,48(2)：170-178

[18]Yan Qin,Zhou Wei,Shi Xunlong,et al.Biotransformation pathways of ginsenoside Rb1 to compound K by β-glucosidases in fungus Paecilomyces Bainier sp.229[J].Process Biochemostry,2010,45：1550-1556

[19]Quan Lin Hu,Min Jin Woo,Yang Dong Uk,et al.Enzymatic biotransformation of ginsenoside Rb1 to 20(S)-Rg3 by recombinant βglucosidase from Microbacterium esteraromaticum[J].Appl Microbiol Biotechnol,2012,94：377-384

[20]姬庆,郜玉钢,赵岩,等.酶法转化制备人参皂苷单体的研究进展[J].中草药,2014,45(22)：3356-3360

[21]Gao Juan,Xu Wenjing,Fang Qiang,et al.Efficient biotransformation for preparation of pharmaceutically active ginsenoside Compound K by Penicillium oxalicum sp.68[J].Ann Microbiol,2013,63：139-149

[22]Fu Y,Yin Z,Wu L,et al.Diversity of cultivable β-glycosidaseproducing micro-organisms isolated from the soil of a ginseng field and their ginsenosides-hydrolysing activity[J].Applied Microbiology,2013,58：138-144

[23]Kim Bong Gwan,Choi Sin Yang,Kim Mi Ryung,et al.Changes of ginsenosides in Korean red ginseng(Panax ginseng)fermented by LactobacillusplantarumM1[J].ProcessBiochemistry,2010,45：1319-1324

[24]Cui Lei,Wu Songquan,Zhao Chengai,et al.Microbial conversion of major ginsenosides in ginseng total saponins by Platycodon grandiflorum endophytes[J].JournalofGinsengResearch,2015,40(4)：366-374

[25]Liu Chunying,Zhou Ruixin,Sun Changkai,et al.Preparation of minor ginsenosides C-Mc,C-Y,F2,and C-K from American ginseng PPD-ginsenoside using special ginsenosidase type-I from Aspergillus niger g.848[J].Journal of Ginseng Research,2015,39：221-229

[26]高娟,周安东,原野,等.黑曲霉降解人参皂苷Rb1制备稀有皂苷Compound K[J].生物技术进展,2016,6(2)：98-104

[27]陈旸,王义,孙亮,等.植物乳杆菌发酵转化人参皂苷的研究[J].中国中药杂志,2014,39(8)：1435-1440

[28]卲淇,陈贺,尹成日.乳酸菌对人参皂苷Rb1的生物转化研究[J].延边大学学报(自然科学版),2016,42(2)：177-180

[29]Qian Tianxiu,Cai Zongwei.Biotransformation of ginsenosides Rb1,Rg3 and Rh2 in rat gastrointestinal tracts[J].Chinese Medicine,2010,5(19)：1-8

Research Progress on Microbial Transformation of Ginsenosides

NAN Bo，YOU Ying，WANG Yu-shan，WANG Xin-zhe，LI Wan-cong，WANG Yu-hua*
（Jilin Agricultural University，Changchun 130118，Jilin，China）

Ginseng has a variety of pharmacological effects（such as anti-cancer，anti-cancer，anti-aging），in addition to the ginseng polysaccharide，ginseng peptides and other compounds，main active ingredient is ginsenosides.Thus，directional transformation of ginsenosides is used to hydrolyze glycosidic bonds by chemical，enzymatic and microbiological methods，reducing the number of glycosylation of the high levels of ginsenosides，acquire rare ginsenosides of higher pharmacological activity（such as C-K，F2，etc.），and improve the economic value of ginseng.In this paper，the current status and progress of research on microbial transformation of ginsenosides were summarized，which provided the basis for further study of the microbial transformation of ginsenosides.

ginseng；microbial transformation；ginsenosides

2016-09-27

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.14.042

948计划项目（2015-Z56）

南博（1992—），女（汉），硕士研究生，研究方向：食品微生物与生物技术。

*通信作者：王玉华（1972—），女（汉），教授，博士，研究方向：食品微生物与功能性食品。