益生菌发酵中药的研究现状及产品开发

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(1.吉林农业大学生命科学学院,吉林长春 130118;2.秸秆生物学与利用教育部重点实验室,吉林长春 130118;3.分子营养与特医食品联合研发中心,吉林长春 130118;4.吉林大学,吉林长春 130118)

我国有着丰富的中药资源,种类多且产量大,中药具有毒副作用小、药效作用时间长、不易产生耐药性、提高免疫力等一系列优点[1]。不同种类的中药需要结合自身的特点进行加工处理才能入药,传统炮制有煎、煮、熬、炼、炒等手段,由于加工深度不够,往往会造成有效物质难以得到充分的吸收利用的现象。为了提高提取率和利用率,增强药效,降低毒副作用,人们开始探索一种新的炮制方法——中药发酵。它是指在适当的温度、水分等条件下,微生物利用自身生长代谢及生命活动对药物产生发酵作用[2]。益生菌是一种对宿主有益的活性微生物,它存在于人体肠道和生殖系统内。益生菌和中草药在许多方面有相得益彰的协同作用[3]。利用益生菌发酵中药不但可以节约中药资源,而且还可以促进中药有效成分溶出、将大分子物质分解、降低中药的毒副作用。利用益生菌有目的的发酵中药已经成为目前的研究热点。

1 中药发酵技术

1.1 传统中药发酵技术

根据《本草纲目》、《本草汇言》、《中国药典》等记载,我国发酵中药的产生与发展已有几千年的历史,最早出现的发酵中药为曲类中药,包括红曲、六神曲、建曲、半夏曲等[4]。传统中药发酵并不是有针对的对中药进行发酵,而是利用环境中的野生微生物在环境温度、湿度都无准确控制的条件下完成发酵过程,该过程存在许多弊端,例如菌种的纯度不高、发酵条件简陋、缺乏标准化模式。所以质量的稳定性难以保证,这种技术局限性使得发酵中药发展缓慢[5-6]。

1.2 现代中药发酵技术

现代中药发酵是一种新工艺,它将发酵工程等现代工艺与传统中药发酵相结合,发酵过程主要是在中药材中加入一种或多种有益菌群,利用微生物生长代谢过程中产生的酶与中药中复杂的有效成分发生反应,这样既能提高有效成分含量,又能利用酶的催化作用加速反应的完成[7]。

2 益生菌发酵中药

2.1 益生菌的概念及分类

1965年,“益生菌”这个词最早开始使用,它被用来描述一种微生物分泌对其他微生物产生促进生长作用的物质[8-9]。益生菌的种类繁多,目前为止,研究学者将已发现的益生菌大致上分成三类:乳杆菌属、双歧杆菌属和革兰氏阳性球菌属。美国食品药物管理局认为安全的益生菌有40种,现今我国常用于人体的益生菌有双歧杆菌、乳杆菌、肠球菌、枯草杆菌、蜡样芽孢杆菌、地衣芽胞杆菌和酵母等[10]。

2.2 益生菌发酵中药的作用机理

益生菌发酵中药的作用是相互的。以肠道菌群与中药作用的代谢过程分析,可以发现:一方面,目前大多数中药采用口服方式服药,药物在消化道内吸收、分布、转化及排泄的过程要经过脂溶性扩散的方式[11-12],而中药材中存在的大多数苷类物质多以结合型的形式存在,亲脂性低,不易转运到作用靶部位,肠道菌群分泌相应的酶可以水解此类物质使其脱去糖基,变为游离型苷元,增加其脂溶性,从而实现在消化道内的吸收。水解后得到的苷元经小肠吸收进入血液循环系统,从而在局部或全身发挥药效。另一方面,苷类物质在水解过程中脱去的糖基又可作为菌群生长所需的碳源。且中药又可为菌群生长代谢提供营养物质[13-14]。20世纪90年代初,小桥恭一提出,大黄、番泻叶中发挥泻下作用的芦荟苷和番泻叶苷不能被胃酸、胆汁、消化酶分解,只能在消化道下部经肠道菌分解酶作用下转化成相应的苷元,才能发挥泻下作用[15]，番泻叶A与芦荟苷的代谢过程见图1，图2。在此基础上,张圣洁等[16]、郭娜等[17]都做了相应的后续研究,结果都支持该论点,并比较清楚地阐述了该类化合物在体内的药代机理。

图1 番泻叶A肠道菌群代谢过程Fig.1 Metabolism of sennoside A in intestinal flora

图2 芦荟苷肠道菌群代谢过程Fig.2 Metabolism of aloin in intestinal flora

2.3 益生菌发酵中药的优势

2.3.1 提高药效 中药有效活性物质通常存在于细胞壁内,而植物细胞壁结构致密。这就使得有效成分在向外界溶出的过程中要抵抗细胞壁的阻碍作用[18-19]。而益生菌在代谢过程中可以分泌几十种胞外酶,有的可直接水解细胞壁中的纤维素、半纤维素等使细胞壁变得致密的物质,破环其相应结构,促进有效成分得以溶出。杨彩媚等[20]采用酿酒酵母对风柜斗草进行发酵获得发酵提取液,研究表明风柜斗草发酵液的总黄酮含量高于同等风柜斗草水提物,总黄酮提取率分别为5.351%±0.153%、2.050%±0.127%,差异显著。中药经益生菌的酶系作用后,活性成分有效释放,从而极大提高药效。

2.3.2 更易人体吸收 中药必须经过炮制之后才能入药,然而由于传统工艺加工深度不够,往往会造成有效物质难以得到充分的吸收利用,但是益生菌在发酵过程中可以通过酶解作用将大分子物质分解,分解而成的小分子物质能更容易透过血脑屏障与人体蛋白相结合,使得吸收更快速、更完全[21]。管悦等[22]利用酵母菌和米曲霉发酵黄芪药材,发酵后黄芩苷和汉黄芪苷的转化率分别达到91.62%和90.02%,黄芩素和汉黄芪素的提取率分别提高了3.46倍和3.04倍。黄芩苷和汉黄芩苷被分解成黄芩素和汉黄芩素。这些经微生物发酵分解得到的小分子物质在体内可以得到充分代谢,同时避免了药物残留。

2.3.3 降低毒副作用 有些中药含有有毒成分,例如川乌中的乌头碱类物质、枇杷仁中的氰苷类物质、苍耳子中的毒蛋白类物质以及朱砂中所含有的重金属类物质等。而益生菌可以发挥其分解转化作用,将有毒成分进行分解或结构修饰,降低中药的毒副作用[23-24]。苏建树等[25]以黑曲霉直接对川乌、附子进行发酵,并对主要毒性成分进行提取,发酵后川乌、附子中有毒性的乌头碱、新乌头碱、次乌头碱的质量分数显著降低。中药经过微生物发酵后,有毒有害物质被分解或进一步转化,从而使毒性成分减少,毒性作用降低。

2.3.4 节约中药资源 中药材在炮制和中药制品加工阶段会剩余大量中药渣,而企业对于中药渣的处理通常是作为废弃物进行堆放或者焚烧,不仅造成资源浪费,还污染环境[26-27]。中药渣具有大量不易被消化酶分解的多糖类物质,而益生菌可以利用丰富的酶系将这种多糖类物质转化为易于利用的小分子糖类物质,提高中药渣的资源利用率[28]。这样不仅高值化的利用了中药资源,也解决处理不当带来的环境污染问题。江蓠提取琼脂后剩余了许多江蓠废渣,李泳宁等[29]利用地衣芽孢杆菌、酿酒酵母和嗜酸乳杆菌对江蓠废渣进行发酵,并且发现在基础日粮中添加1%的发酵江蓠渣可以降低妊娠母猪便秘率,改善肠道菌群,提高仔猪初生窝重。通过益生菌对药渣的再次发酵利用,对环境保护和药材节约都起到了积极作用。

3 益生菌发酵中药的研究现状

3.1 单一菌种发酵

由于酶具有专一性的特点,所以当仅接入一种微生物时,特定的酶可以催化特定的一种或一类中药物质成分,定向的生成纯度较高的单一性产物[30-31]。所以国内外学者常采用单一的菌种对中药进行定向的催化和改造。目前应用于中药发酵的益生菌主要有酵母菌、芽孢杆菌、乳酸菌、丁酸梭菌、黑曲霉等[32]。

3.1.1 酵母菌 酵母菌是一种单细胞真菌,无性繁殖阶段是通过芽殖或裂殖实现的,有性生殖阶段不产生子实体,酵母菌的应用广泛、历史悠久且具有重要价值[33-34]。孙玉静[35]研究发现,酵母发酵能降解熟地黄中的部分糖类成分和5-HMF,并且动物实验结果表明,发酵和未发酵熟地黄均对I型糖尿病并发症具有显著改善作用,但发酵熟地黄效果较好。李万丛等[36]利用酿酒酵母对人参进行发酵,结果发现,发酵人参的多糖得率相比未发酵的提高了6.8%,且中性糖和糖醛酸含量也有显著提高。刘鑫等[37]采用酵母对何首乌进行发酵,并用发酵液灌胃小鼠,小鼠未出现肝功能异常的表现,表明发酵后的何首乌无明显肝毒性。

3.1.2 芽孢杆菌 芽孢杆菌是一类好氧或兼性厌氧并能够产生具有抗逆性的内生孢子的杆状细菌[38]。芽孢杆菌与其它常见益生菌相比,具有热稳定性强的优点,即产品可以在室温下以干燥的形式储存,不会对活力产生影响[39]。刘湧涛[40]利用枯草芽孢杆菌对中药三七进行发酵,结果发现,三七中的皂苷溶出明显增加,同时部分皂苷发生了转化。杨婧娟[41]将枯草芽孢杆菌作为发酵菌种,以中药三七作为原料,发酵提取总皂苷,结果发现,在发酵过程中,部分三醇型皂苷转化成为了稀有皂苷组分Rh1、F1。吴泊等[42]利用地衣芽抱杆菌中药红花进行发酵并进行小鼠血栓实验,结果表明,在相同灌胃剂量下,红花与芽孢杆菌共发酵组的小鼠比其他实验组小鼠的纤溶活性更高,且对内外源性凝血系统的抑制效果更强。邹佳妤[43]利用枯草芽孢菌对灵芝进行发酵,发酵后灵芝多糖的官能团发生了一定程度上的变化,且免疫调节和抗氧化作用增强。

3.1.3 乳酸菌 乳酸菌是指发酵糖类主要产物为乳酸的无芽孢革兰氏阳性细菌的总称。乳酸菌的基本特性是不形成芽孢、无运动性或极少运动、不生成色素、分解蛋白质但不产腐败物质,脂肪分解能力较弱[44-45]。乳酸菌分布广泛,在动植物以及人体内都有存在,在自然环境中广泛存在。Kim等[46]利用植物乳杆菌对红参粉进行人参皂苷的微生物转化,经过4 d的发酵发现,人参总皂苷质量分数增加到176.8 mg/g,人参皂苷的代谢产物质量分数从38.0 mg/g增加至83.4 mg/g。谷巍等[47]发现乌梅、五倍子、蒲公英复方中药经过嗜酸乳杆菌发酵后,其发酵物作用于腹泻小鼠,可以改善K88所引起的腹泻现象,且治疗效果好于常规的水提液。陈旸等[48]利用植物乳杆菌发酵人参,发酵后,发酵产物中人参总皂苷含量增加了32%,且人参皂苷Rd含量比未发酵人参增加4.864 mg/g。

3.1.4 其他菌种 益生菌发酵中药除了常见的酵母菌、芽孢杆菌、乳酸菌外,还有丁酸梭菌、黑曲霉等。梁伟杰[49]利用龙眼多糖提取液与丁酸梭菌混合发酵,发酵后多糖含量比发酵前提高了464.65 mg/mL,将发酵液应用于UC小鼠模型进行药物干预试验,试验结果表明发酵液对DSS诱导的UC小鼠具有一定的保护作用。Chong等[50]利用黑曲霉转化虎杖中的虎杖苷为白藜芦醇,通过优化得到最佳转化条件为:培养温度30.3 ℃、接种量20%、转速为147 r/min,此条件下得到的转化率可达95%以上。

单一菌种发酵中药多为有目的性和方向性的,定向地对中药中某种有效成分进行分解,提高有效成分的比例及效价;利用益生菌发酵作用把原本的一种化合物转化成更具有经济效益的相关产物;利用益生菌对具有毒副作用的中药在发酵过程中进行结构修饰以达到脱毒目的。

3.2 多菌种混合发酵

不同的微生物具有不同的酶系,采用多菌种混合发酵,可以使系统的酶系多样化和互补,对于成分复杂的中药生物转化效率更高,多菌种混合发酵还可使植物组织内的功效成分及营养成分得到充分的分解、溶出和利用,提高中药材的综合利用率和生物转化率[51]。Jin等[52]以黑曲霉和酵母为发酵菌种共同发酵虎杖生产白藜芦醇,并对生物转化条件进行优化,结果表明:在30 ℃,pH6.5,液固比为12∶1的条件下发酵2 d,白藜芦醇的产率可达到33.45 mg/g。陈雷等[53]利用乳酸菌和芽孢菌发酵黄芪,并将制得的发酵液对小鼠采用灌胃方式给药,结果显示,给药30 d后,灌服发酵液的小鼠免疫因子水平显著高于灌服未发酵黄芪的对照组。吴金梅等[54]利用了两株菌,分别为屎肠球菌和地衣芽孢杆菌,将其复配后作用于党参黄芪和党参红芪进行固态发酵,通过对发酵前后多糖含量的测定以及全景法对小肽含量变化情况进行测定,可以发现,党参黄芪和党参红芪发酵前期多糖含量和小肽含量均显示增加,并且在192 h达到最高值。目前,多菌种混合发酵中药的研究报道较少,混菌发酵的最适体系和代谢产物的互作机制有待进一步研究阐明。

4 益生菌发酵药食两用中药开发相关产品的研究进展

我国有着丰富的中药资源,其中有不少药食两用中药。它们既富含营养素,又含有有效活性成分。根据功效将其进行分类,并将具有同等或相似功效的药食两用中药进行组合,利用微生物发酵技术,研制成方便消费者长期使用的产品,其特色不仅在于改善中药苦涩的风味,还提高了中药营养成分的生物利用度,使得活性成分具有复合型,作用具有多靶位性,易于产生更好的保健效果。

4.1 益生菌中药酸奶的研制

近年来,鉴于药食两用中药的功能特性、较高的药用及食用价值,以药食两用中药为原料制作兼有广泛的补养健身作用及营养均衡作用的中药发酵酸奶,已成为一种发展趋势。其符合现代消费人群和市场的需求,开发前景十分广阔。卢倩等[55]以牛乳为主料,加入药食两用的枳椇子,利用瑞士乳杆菌和嗜热链球菌发酵,制成了口味独特、营养丰富的枳椇子酸奶。王晓琴等[56]利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌对红芪进行发酵,研制出了一款具有清淡的红芪味和浓郁的奶香味的红芪保健型酸奶。王允华等[57]以红景天和鲜牛奶为主要原料,通过正交试验优化红景天酸奶制作工艺参数。结果表明:在红景天滤液10 g/100 mL、白砂糖8 g/100 mL、直投式乳酸菌发酵剂0.3 g/100 mL、42 ℃发酵5 h条件下制作出了一款风味独特的的红景天酸奶。在日渐关注饮食健康的现状下,功能型酸奶进入市场,将具有降血脂、降血糖、缓解疲劳的药食两用中药与益生菌共同发酵研制中药酸奶,从而增加酸奶的附加值,将具有广阔的前景。

4.2 益生菌中药饮料的研制

通过微生物的分解代谢,可以改善中药酸涩的口感,掩盖中药无悦人风味的缺点,提高中药营养成分的生物利用度,研究开发以药食两用中药为原料的新型发酵饮料,对开发中药资源,提高经济价值有重要的实践的意义。崔巍[58]以人参和乳清做为主要原料,制备人参乳清开菲尔发酵饮料,确定最佳发酵工艺为:乳清与人参提取液比例为2∶1,发酵剂接种量为5%,在36 ℃下恒温发酵12 h。邢紫娟[59]选用保加利亚乳杆菌与嗜热链球菌发酵枸杞液,研制出了一款酸甜可口,柔和细腻的枸杞发酵饮料。张玉娜等[60]以黑参和牛奶为主要原料,加入酒曲发酵后调配,开发出了一款新型的具有抗疲劳、提高机体免疫力作用的功能性饮料,并且优化得到最佳发酵工艺为:黑参添加量为1.2%,酒曲添加量为0.6%,37 ℃发酵3.5 h。刘玉冰等[61]以砂仁为原料,产乳酸芽孢杆菌为发酵剂,研制出了一款黄酮含量高达0.725 mg/g的具有保健功能的砂仁发酵饮料。中药经过微生物的发酵作用,不仅有效物质得以溶出,还会产生许多有益于身体平衡的功能因子,将其应用于饮料,开发具有一定功能的以药食两用中药为原料的新型发酵饮料,对于饮料市场结构和产品升级具有重要意义。

4.3 益生菌中药果醋的研制

果醋能促进身体新陈代谢,降低胆固醇。因为其中富含的尼克酸能够促进胆固醇排出,从而降低血液黏度[62]。果醋中含有丰富的维生素C,能防止细胞癌变和细胞衰老,防止胃癌、食道癌等癌症的发生[63]。许多药食两用中药能够消食健胃、益气生津、补肾宁心,是不可多得的保健品,而以药食两用中药为原料发酵果醋则集合了二者的功效。欧阳剑等[64]以野生枳椇为原料,利用酒用活化酵母和醋酸菌酿制出的枳椇醋具有食醋清香和枳椇果香,酸味柔和、风味独特、酸甜爽口。闫占鹏[65]以金银花为主料,在金银花水提液加入酵母菌和醋酸菌,研制了金银花发酵醋,产品自由基清除率可达到92.68%,较提取液和普通发酵醋相比的保健功能显著提升。唐道民[66]利用醋酸杆菌属巴氏亚种对山楂浸泡酒液进行发酵,研制出了一款稳定性和透光度良好的山楂醋。目前,人们对果醋的研制不只停留于含糖量高的饮料型果醋,而是已经开始利用具有广谱抗菌性等作用的药食两用中药为原料研制具有杀菌防病的保健型果醋。

4.4 益生菌中药酒的研制

以药食两用中药为原料研制的发酵酒具有调节情绪、提高机体免疫力等功能,不仅打破了传统酒制品损伤肝脏的弊端,还可以减少或避免对胃粘膜的损伤[67-68]。随着技术的不断完善,以药食两用中药为原料开发的新型发酵酒将凭借它独特的口感和保健功效越来越多的出现在市场,它的出现也为药食两用中药的开发与利用提供了一条创新的道路[69]。刘洋[70]利用甜酒曲发酵北五味子和大米,酿造出了一款棕褐色、酒精度为6.75% vol的北五味子米酒。李玉珠[71]利用酵母发酵玫瑰茄干花萼,结果发现在发酵温度24.5 ℃,酵母添加量1.6 g/L的条件下发酵10 d,所制得玫瑰茄酒颜色呈红宝石色,清亮透明,各理化指标均符合果酒相关标准,且具有一定的保健功效。曾丽萍等[72]以芽孢杆菌∶酿酒酵母菌=1∶10 (V/V)的比例发酵铁皮石斛用以制备发酵酒,结果发现,在30 ℃的发酵温度下,接种2%的菌液,发酵7 d,制得的铁皮石斛发酵酒颜色均一,口感柔和细腻,气味芳香宜人。目前,中药酒剂的研制多用于口服饮用,对于外用擦涂的中药药酒研究稀缺,利用具有透皮吸收性的中药为原料研制外用药酒具有较大发展空间。

4.5 益生菌发酵药食两用中药研制的其他功能型产品

目前,利用益生菌发酵药食两用中药开发的相关产品多集中于酸奶、饮料、果醋、酒等食品方面的产品,但是随着市场需要以及技术手段的创新,学者们逐渐把开发重点放在了具有一定功效的保健品和生物制剂等方面[73-75]。表1列举了一些具有代表性的利用益生菌发酵药食两用中药所研制的功能型产品。学者们在明确产品的开发目的和功效后,通常选择两种或两种以上具有同等或相似功效的药食两用中药,酌定用量并按照组成原则妥善配伍成一组复方组合,以其作为主要原料,利用益生菌发酵手段,开发出同时具有多种层次、多种功能的功能型产品。但是由于复方组合中化学成分复杂而且干扰因素众多,所以研究出机制明确的功能性产品难度颇大,利用益生菌发酵复方药食两用中药仍处于起步阶段。

表1 益生菌发酵药食两用中药研制的其他功能型产品Table 1 Other functional products of probiotics fermentation medicine and edible Chinese medicine

5 结论与展望

随着现代生物技术和中药加工工艺的不断创新,利用益生菌发酵中药已经在越来越多的领域发挥着重要作用,但益生菌发酵中药仍处于起步时期,还面临着一些亟待解决的问题:

a.从发酵工艺来看,目前益生菌发酵中药更局限于单一菌种发酵,发酵效果还有一定局限性。

b.从药理方面来看,发酵过程中药材间相互作用机理研究还比较欠缺,投入到临床试验的发酵药物研究更少,但随着中医学与现代医学的接轨,将会开发出更多发酵新药并投入临床试验。

c.从产品开发方面来看,益生菌发酵中药产品多集中于食品及保健品,而研发具有对人和畜禽疾病有治疗作用的微生态制剂也是今后的重要发展方向。

d.从安全性方面来看,由于益生菌发酵中药过程中有效物质结构和成分变化较为复杂,所以无法系统的对其进行药理学、药效学研究,安全性评价也多停留于动物实验,未来还应从机制入手,对其安全性进行全面且科学的评价。

综上所述,益生菌发酵中药为中药发展开辟了新的研究领域,具有十分广阔的前景,随着科学技术的发展,益生菌发酵中药必将在疾病防治、食品开发、药品开发等方面做出重大贡献。