基于微生物转化的中药渣再利用研究进展

孔文平，黄 勇,2,3，段燕文,2,3，朱湘成,2,3

(1.中南大学 湘雅国际转化医学联合研究院，湖南 长沙 410083; 2.新药组合生物合成国家地方联合工程研究中心，湖南 长沙 410013; 3.组合生物合成与天然产物药物湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410011)

历史悠久的中医药是中华民族的瑰宝，近年来随着中医药在国际上认可度的不断提高[1]及我国政府支持力度的加大[2]，我国逐渐形成了以中药农业为基础、中药工业为主体、中药知识经济产业为动力的大中药产业。但在中药产业快速增长、产值稳步提高的情况下[3]，伴随而来的是中药渣固体废弃物给环境带来的巨大压力。据不完全统计，目前我国每年中药材产量约为7 000万t，而在制药企业加工生产过程中被丢弃的中药渣可达3 500余万t，占药材总产量的一半[4]。目前大部分药厂对中药渣的处理方式以直接排放、野外堆积、掩埋或燃烧为主[5]，或者通过高能耗的热裂解或气化等方式将中药渣转变为燃料气[6]，不仅会污染环境，而且会造成中药资源的极大浪费。

微生物由于其内在酶体系的多样性，在自然界物质的循环和转化中起着重要作用。自古以来，微生物转化就被用于提高中药的活性和疗效或降低其毒性[7]。中药渣富含粗蛋白、粗纤维、粗脂肪和氨基酸等营养物质以及未被充分提取的药用活性成分[8]，为不同微生物在中药渣基质中的生长提供了物质基础，使其在发挥生物降解作用的同时，还能促进中药渣营养和药用活性成分的释放或者转化[9]。与中药渣的其他处理方式相比，微生物转化具有绿色环保、要求简单、成本较低等优点[7]。随着中药资源枯竭速度的加快以及由中药渣引起的环境问题日益凸显，通过微生物转化中药渣来实现其高附加值的绿色循环利用，变废为宝，为我国中药产业现代化和健康可持续发展提供了新思路。

因此，本文通过对微生物转化中药渣资源在农业、畜牧业、环境、能源及医药等领域的再利用研究进行系统的分析和综述，并展望了基于微生物转化的中药渣绿色循环和高附加值利用模式在资源化和可持续化应用上的前景，以期达到中药渣绿色处理的良性循环目的。

1 微生物转化中药渣的物质基础

1.1 营养成分

中药渣中含有大量的营养成分，例如：粗纤维、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸及微量元素等(表1)。而微生物产生的多种酶系(如纤维素酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶)使得其可以充分利用中药渣的营养成分用于生长和代谢，为中药渣的微生物转化再利用奠定了基础。

表1 9种常见中药渣的主要营养成分及微量元素含量

1.2 药用成分

由于传统提取方法单一，多数中药渣经一次提取后，仍然有约30%的药用成分残留在药渣中[12]，因此很多中药渣中残留的药用成分也往往十分丰富(表2)。这也为微生物转化中药渣的药用成分提供了可能。

表2 中药渣中残留的药用成分实例分析

2 微生物转化中药渣再利用研究现状

2.1 在农业领域的应用

目前中药渣的微生物转化在农业领域最成功的应用是利用中药渣纤维空隙率高、易于菌丝体着生和繁殖等特点[19]，将其作为优良的培养基质用于各种食用菌的栽培(表3)。多项研究和实践充分表明，富含淀粉、纤维素、多糖、蛋白质等营养成分的中药渣是食用菌的优良培养基[20-24]，可以节约食用菌栽培企业的生产成本，具有较大的开发前景。

表3 中药渣栽培食用菌的实例分析

普通化肥会造成土地板结、盐渍化而引起农作物产量减少、品质降低[25]，寻找兼顾改善土壤理化性质和提高农产品产量及品质的新型有机肥料成为研究的热点。中药渣中主要为植物成分，具有质轻、通气性好等特点，是一种轻基质原料，又含有土壤所需的氮、磷、钾和有机质等成分，是生态有机肥的潜在重要原料[26]。李秀颖等[27]以黄姜药渣为主要原材料，添加巨大芽孢杆菌(Bacillusmegaterium)、胶质芽孢杆菌(Bacillusmucilaginosus)、圆褐固氮菌(Azotobacterchroococcum)等有益微生物，辅以腐植酸钾和沸石粉进行固态发酵，获得了符合标准的生态有机肥料。万燕等[28]发现将妇科千金片复方中药渣进行堆肥发酵制备的有机肥能促进中药半夏的健壮生长，为半夏种植提供了一种生态、绿色的肥料来源。此外，Zhou等[29]在对食物残渣及中药渣共发酵制备有机堆肥的研究中发现，药渣中的活性成分对微生物多样性不产生明显的影响，但可以诱导微生物的拮抗和寄生能力发生变化，从而提高中药渣有机堆肥的抗病性。上述研究为利用微生物发酵中药渣、开发生态有机堆肥提供了重要理论和实践基础。

2.2 在畜牧业领域的应用

中药渣中不仅含有多种营养成分，还含有如生物碱、挥发油等多种药效成分。虽然有些中药渣可直接加工成饲料或者饲料添加剂，但是由于植物细胞壁的存在,致使许多残留在细胞内的营养成分无法被非草食动物很好地吸收和利用，利用微生物尤其是益生菌发酵中药渣，可以进一步促进关键营养成分的转变并改善或产生有益的活性成分，制成的动物食用饲料或饲料添加剂(表4)不仅可以在一定程度上促进动物生长发育，还能调节动物的免疫力，减少饲养过程中各类抗生素的使用，因此在减少环境污染、降低养殖企业成本和提高食品安全及经济效益等方面均具有较大的应用潜力。

表4 微生物发酵中药渣开发成饲料及饲料添加剂的实例

2.3 在生物能源领域的应用

随着全球经济的快速发展，能源问题成为人类社会所面临的共同挑战，大力开发新能源尤其是可再生能源是许多国家能源发展战略的重要组成部分。由于植物来源的中药占中药材总量的87%以上[36]，因此大部分中药渣富含淀粉、半纤维素和纤维素等碳水化合物，可以通过多种预处理方法得到发酵糖，进而用作制备沼气、生物乙醇和生物油等生物能源的原料[37]。姚利等[38]对山楂、槟榔和枳实等混合药渣进行厌氧发酵，发现通过沼液堆沤预处理可在较短的时间内高效发酵产沼气。张云飞等[39]以天冬、防己和生地的混合药渣为原料，利用中药渣富集驯化的厌氧沼气发酵菌进行预处理，可以大幅提高混合中药渣的沼气产率。这些应用性研究为微生物转化中药渣以制备清洁能源提供了实践依据。张英等[40]利用树干毕赤酵母(Pichiastipitis)与酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)得到的融合菌株转化黄芪药渣来生产生物乙醇，发现在相同工艺路线下，融合菌株生产乙醇的能力较酿酒酵母菌强，乙醇的产量最高可达20.4 g/L，揭示了微生物循环利用中药渣来制备生物燃料的潜在应用前景。在生产生物乙醇的过程中，由于大部分中药渣自身偏酸性，如果采用酸预处理，则后续需要消耗大量的碱液进行中和。此外，碱预处理可去除药渣中大部分木质素，使其结构变得疏松，提高产气效果，故一般采用碱进行预处理[38]，而玉米秸秆、大米草等生物质则更适合酸预处理，以减少纤维素、半纤维素的分解损失[41]。

2.4 在环境污染治理领域的应用

环境污染问题是21世纪全人类必须面对的问题。废水中的重金属严重影响着人类的健康，目前主要通过离子交换法、生物膜过滤法、化学沉淀法、活性炭吸附法及植物整治等技术去除水中重金属，但这些方法存在成本高、化学试剂消耗量大等缺点，因此研究人员一直致力于寻找低成本的重金属吸附剂[42-43]。曹飞丽等[44]通过黄孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)对中药渣进行改性处理，使改性中药渣的比表面积增大，在含有50 mg/L Cr6+的酸性废水中(pH 2)加入5 g/L的改性中药渣，在45 ℃下吸附20 h后对Cr6+的去除率达到99.5%，吸附量可达9.82 mg/g。王德馨等[45]利用假单胞菌(Psedudomonastrivialis)和四孢脉孢菌(Neurosporatetrasperma)对板蓝根药渣和栀子药渣进行发酵来制备生物絮凝剂，能够对高岭土混悬溶液起到有效的絮凝作用。由此可见，在微生物的有效转化和协助下，中药渣可以被资源化利用来处理废水，达到“以废治废”的效果。

2.5 在开发生物活性组分方面的应用

中药生物发酵是近年来中药现代化研究的热点方向之一，是现代生物技术和传统中药优势的完美结合，而微生物发酵中药渣的反应机制同发酵中药材的机制基本一样。Meng等[8]通过对几种不同益生菌的耐酸、耐盐和抗菌筛选，选择植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)对健胃消食片药渣进行发酵，发现药渣发酵的上清液在治疗幽门螺杆菌(Helicobacterpylori)感染和抗生素诱导腹泻[46]的小鼠模型中均表现出较好的活性。类似的，Zhao等[47]利用枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、米曲霉(Aspergillusoryzae)和植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)3种益生菌混合发酵健胃消食片药渣，通过动物体内实验表明药渣发酵上清液可以增加小鼠肠道菌群中有益菌的数量和多样性，从而增强宿主的免疫反应，对脾虚的治疗有所帮助。竺利红等[34]利用棘孢木霉(Trichodermaasperellum)发酵黄芪药渣，不仅使黄芪甲苷在发酵液中的释放量增加了4倍，而且发酵产物对变形杆菌(Proteus)、沙门氏杆菌(Salmonella)、枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和大肠杆菌(Escherichiacoli)等细菌表现出较强的抑制作用。Wen等[48]利用米曲霉对瓜蒌、厚朴、甘草和丹参的水提取残渣分别进行固态发酵，发现发酵后甲醇提取物的抗氧化活性明显提高，并且对病原细菌具有广谱抗菌活性。上述研究证明了通过微生物转化来增强中药渣的生物活性成分、提升其潜在附加值的可行性。

与中药的微生物发酵炮制过程相似，微生物同样可以利用生长和代谢过程中产生的丰富酶系对中药渣的残留药用或活性成分进行生物转化。Hsu等[49]利用灵芝菌(Ganodermalucidum)对人参药渣进行固态发酵30 d后发现，灵芝菌不仅可以利用人参药渣进行生长繁殖，同时还可以对其中残留的人参皂苷活性成分进行生物转化，最终使药渣中人参皂苷Rg1、Rd、CK等具有重要药用价值活性成分的含量均显著升高，提高了人参药渣的再利用附加值。类似的，在应用灵芝菌分别对玄七通痹胶囊药渣[50]和三七药渣[22]进行固态发酵再利用的过程中，均发现了不同活性成分的生物转化，例如在利用玄七通痹胶囊药渣发酵时，灵芝菌中多糖组分和灵芝酸组分都产生了新活性成分。因此，利用微生物来对一些高价值中药的药渣进行生物转化，可以充分发掘和利用其中的有效成分，极大地提高了中药渣的应用附加值。

2.6 在生物工程和食品等其他领域的应用

中药渣还可以在生物工程和食品等领域进行再利用。例如，岳鹏等[51]在研究真菌毛云芝菌(Coriolushirsutus)生产漆酶的实践中，发现在添加了包括大黄、麻黄和芍药等在内的不同药渣进行液态发酵后均能提高毛云芝菌漆酶的产量，其中使用大黄药渣的产酶酶活可达到4 828.2 U/mL，提高了近1.4倍。贺晓玉等[52]利用蛹虫草菌(Cordycepsmilitaris)对五味子药渣进行固态发酵，每克药渣可使虫草素产量达到5.12 mg，且发酵产物中多糖含量提高了24.97%。廖湘萍等[53]综合利用酒糟及灵芝药渣，经酵母菌和醋酸杆菌(AcetobacteriumBalch)进行半固态发酵，生产出醋酸总量在5%～6%的保健功能型食醋，具有普通食醋的营养成分和灵芝的药用效果，可以调整人体生理机能。

3 结语与展望

中药渣作为一种排放量巨大、有潜在价值的生物废弃物，其循环利用的有效与否直接关乎我国中医药产业的健康可持续发展，并对我国的环境保护产生深远的影响。微生物作为自然界的“清道夫”，掌控着各类物质的循环和转化，因此通过微生物来转化利用中药渣是一种切实可行、绿色环保的策略，并已在农业、畜牧业、环境、能源及医药等领域得到了多元化应用。但是，基于微生物转化的中药渣循环再利用目前仍处于探索阶段，还有许多基础性问题等待研究和开发。由于制药企业的生产工艺和中药产品的种类不同，导致中药渣来源广泛、成分复杂，很难采取单一或通用的微生物菌种进行有效处理；而现有的可应用于中药渣再利用的微生物种类相对较少，或未进行种属鉴定，为后续的应用开发带来很多障碍。此外，目前微生物对中药渣的循环再利用还存在效率较低、成本较高等问题，使得中药企业及社会对中药渣的再利用积极性不高，如何探索出低成本、高附加值化的循环再利用模式就显得尤为重要。

因此，我们应加强对微生物转化菌种的选育研究，筛选出更多能有效利用中药渣的微生物菌种并进行合理地组合，对不同组分中药渣的再利用潜能进行充分挖掘。同时，从分子和细胞水平阐明微生物对中药渣的转化机制研究，加强微生物转化过程的优化和转化效率的提高。在上述研究的基础上，还可以通过合成生物学技术来构建人工的微生物体系，实现对中药渣的高效、低成本和高附加值再利用。通过微生物的生物转化，可以使中药渣得到多层次、多途径、科学化、合理化的综合利用，将中药材种植基地、中药生产企业和中药渣处理进行有机地结合，建立一种绿色、增值、可持续的资源循环模式，确保中药资源利用价值最大化，在增加中药产业竞争力和带来良好经济效益的同时，也可以取得巨大的环境和社会效益。