生物转化技术制备稀有人参皂苷的研究进展

刘蓉，许盼盼，李仕琳，张伟,2※

（1.辽宁科技大学化学工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.辽宁省精细分离工程技术中心，辽宁 鞍山 114051）

人参皂苷是从五加科植物（西洋参、人参、高丽参等）中提取出的一种四环三萜类皂苷[1]。20世纪60年代，研究发现，人参皂苷具有抗癌活性，人参皂苷成为抗癌天然药物研究的一个热门领域。后来，研究发现，人参皂苷经过转化后的次级代谢衍生物具有更强的生物活性[2]。这种次级代谢衍生物被命名为“稀有人参皂苷”，直接从五加科植物中提取出来的人参皂苷称为“原型人参皂苷”。目前，已经发现了60多种稀有人参皂苷[3-4]，其中包括Rk2、Rg3、Rh2、Rg5、Rh1、Rh3、Rk1等多种具备不同抗癌活性的稀有人参皂苷。由于稀有人参皂苷为人参皂苷的次级代谢产物，在人参提取物中含量非常低，只能通过诸如化学反应、生物转化等手段获得这些皂苷。而化学法转化稀有皂苷存在反应条件难以控制、产物复杂、污染环境的弊端[5]。因此，生物转化法制备稀有人参皂苷的工艺和方法备受研究者持续关注。笔者通过调研近年来有关生物转化法制备稀有人参皂苷的相关研究，对生物转化手段制备稀有人参皂苷的研究成果进行总结，旨在为研究者进行稀有人参皂苷的制备提供参考。

1 稀有人参皂苷的生物转化方法

药理研究结果证实了稀有人参皂苷具有良好的药理活性，尤其是在抗肿瘤活性方面。同时人参皂苷的次级代谢产物次级苷和苷元的药理活性及生物利用度也较人参皂苷理想。目前通过生物转化手段制备稀有人参皂苷和苷元已被证实是切实可行的。生物转化法是利用细胞或细胞器以及生物酶等对人参皂苷结构单元进行修饰和水解的一种反应温和、目标明确的化学反应过程[6]。同时，生物转化法还具有选择性强、目标产物丰富、对环境危害小的优点[7]。有较多生物转化方法对人参皂苷的结构进行修饰，从而获得不同结构的稀有人参皂苷。

1.1 微生物转化法

人参皂苷的生物转化主要是利用微生物或酶对人参二醇类皂苷的C3和C20位、三醇类皂苷的C6和C20位的葡萄糖基进行水解，使其定向转化。图1为人参皂苷水解产物的转化途径[6]。微生物转化手段操作简便，副产物少，实际应用最为普遍。王毅等[7]系统讨论了肠内生物菌群与人参皂苷转化的关系，确定了生物转化人参皂苷为苷元的基本研究思路。Bae等[8]利用乳酸菌将人参皂苷水解成C-K，分别利用2种肠道菌将Rg3成功转化为Rh2和PPD。在此基础上，研究还发现，除肠道菌外，对人参皂苷水解起作用的还有曲霉属、青霉属以及毛霉属等生物霉菌[9-10]。董阿玲等[11]报道的黑曲霉和梨头霉能够将Rg1转化为Rh1，且转化率可达80.9%；包海鹰等[12]报道了一种能将Re转化为Rg1、Rg5和Rk1且转化率可达92.2%的黑根霉。之后，研究人员又转向利用同根同源理论对人参种植土壤进行研究。崔宇等[13]在人参土中分离了镰刀霉菌，实现了人参果总皂苷生物转化C-K；迟美丽等[14]则从人参土中分离出2种球菌和杆菌，实现了生物转化Rb1为Rg3；戴均贵等[15]则利用尖孢镰孢霉将Rg1转化成，2种稀有皂苷。

图1人参皂苷水解产物的转化途径Fig.1 Transformation pathway of ginsenosides hydrolysates.

目前，微生物转化制备稀有人参皂苷的微生物方法基本是利用肠道厌氧菌和土壤微生物发酵2种手段。而肠道厌氧菌菌种复杂，需进行筛选；土壤微生物转化能力较弱，需要优化发酵条件或者进行生物诱变来提高转化能力。微生物转化的基本方式为底物-菌体细胞-产物，因此，微生物转化制备稀有人参皂苷及其苷元的方法仍受以下因素影响[16-17]：菌种，不同菌种或不同菌株均对人参皂苷的转化率和产物结构起决定作用；底物，单体皂苷和混合皂苷在微生物转化中的效果不同，需要对混合皂苷纯化来提高生物利用率；温度和pH，这主要取决于微生物发酵过程的生长条件。

1.2 生物酶法

生物酶法转化制备稀有人参皂苷也是目前研究较为广泛的另一种转化方法。相对于微生物转化法，生物酶法具有生产周期短、污染小、选择性高、转化过程可控、专属性强等特点。Ko等[18]采用不同类型的糖苷水解酶对三醇型皂苷的水解过程进行研究，并分别制备了Rg2、Rh1和F1等稀有人参皂苷。之后，又分别研究了糖苷水解酶对二醇型皂苷的水解过程，制备了F2、C-K、Rd和Rg3等稀有皂苷。赵立亚等[19]、金东史等[20]开展了人参皂苷分离和生物转化研究，利用-葡萄糖苷酶制备了Rh2，利用产酶菌实现了Rh2的产业化生产，且转化率达60%，Rh2纯度达90%。Noh等[21]将 -糖苷酶基因转入大肠杆菌中，并应用于C-K的转化，转化率达100%。杨元超[22]、薛蛟等[23]表达了人参皂苷生物合成基因，深入研究了不同皂苷的生物合成过程以及参与这些过程的基因（图2）。如果能够实现对生物合成过程中关键酶的控制，就可以实现最大化的选择性合成具有较高药用价值的人参皂苷，甚至可以实现组织培养生产稀有人参皂苷。

图2人参皂苷的生物合成过程Fig.2 Biosynthetic process of ginsenoside

2 稀有人参皂苷的产业化进展

2.1 国际上稀有皂苷的产业化进展

Kim等[24]利用从多年生人参中筛选出的乳杆菌M1成功将生物转化后的人参皂苷总量增加20.6mg。Cui等[25]利用内生真菌将人参皂苷转化成稀有皂苷F2、C-K和Rh1，且F2的产率可达94.5%，C-K的产率提高到66.3%。

2.2 我国稀有皂苷产业化发展现状

2000年，我国已经批准人参皂苷Rg3为处方药，2006年，我国研发的人参皂苷 Rh2药品也已批准上市。但在稀有人参皂苷的产业化方面仍处于起步阶段，国内产业化生产高纯度人参皂苷单体的企业严重不足，具备稀有皂苷产业化生产能力的企业更少。主要原因是稀有人参皂苷不仅含量非常少，而且制备困难，分离工艺复杂，收率低[26]。未来抢先具备产业化生产稀有皂苷能力的企业必然具有市场话语权。只有积极开展稀有皂苷的生物转化研究才能对大规模产业化制备稀有皂苷提供必要的技术支持。

3 结论及展望

人参及其衍生产品需求的日益增长已成为近年来的研究热点。不仅在人参的组织培养、生物转化方面取得了一些进展，而且还利用基因组学实现了生物合成制备人参皂苷。但近年来国内、外人参稀有皂苷生物转化还存在选择性控制难、产物成分复杂、后期单体制备困难、收率偏低等不足之处。因此，只有积极开展稀有人参皂苷生物转化技术的持续研究，并结合基因组学技术，培养、驯化高转化率、高选择性的潜在菌种，对于规模化制备稀有人参皂苷具有重要意义。