中草药发酵 | 发酵的中草药到有什么不一样的?

日期:2021-09-06 18:33:13 浏览:

中草药在我国有几千年的药用历史,早在公元前2世纪,我国人民就将中草药作为畜禽饲料添加剂用于防病促生长。西汉《淮南子·万毕术》中记载有麻盐肥豕法;东汉《神农本草经》中有:“桐叶饲猪,肥大三倍,且易养”的相关记载。中草药作为天然传统药物,富含蛋白质、多糖、生物碱、皂苷、氨基酸、维生素、有机酸等多种活性物质;具有纯天然、毒副作用小和药食同源等优点,而被广泛用于疾病防治、医疗保健等日常生活中。中草药大部分为植物源性药材,其有效成分较复杂且多存在于细胞胞浆中,受到植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素等致密结构的阻碍,导致中草药活性成分难以提取、有效成分利用率低、药效不理想而造成资源浪费,在一定程度上制约了中草药发展。

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发酵是微生物在有氧或无氧条件下进行生长繁殖产生代谢产物的过程。我国早在4000多年前就将发酵用于中药炮制,最早出现的发酵中药为曲类中药,如红曲、六神曲、建曲、半夏曲等。发酵中草药是在适当的温度、湿度、酸碱度和水分等条件下,利用微生物以中草药为底物进行发酵的过程,主要依靠微生物的转化作用及微生物和中草药的协同作用,来提高中草药有效成分含量,增强其药效或产生新的活性成分,以满足临床用药需求。利用微生物发酵中草药,可促进中草药活性物质的释放,降低中草药毒性和减少毒副作用,使中草药产生抑菌活性和新活性成分。

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现代中草药发酵是在传统发酵技术的基础上建立起来的,传统发酵过程多凭经验,缺乏规范的工艺技术和指标,存在发酵过程不可控、容易污染杂菌、安全性和稳定性无法保证等问题,其发酵菌种更趋向于真菌单一发酵。现代中草药发酵更加多元化,不再局限于真菌发酵,增加到了细菌发酵和混菌发酵,如双菌口含片就是羊肚菌和产朊圆酵母混合发酵的滋补保养药物。现代发酵结合了微生物学、生物工程学及药物分析等多学科技术,在发酵过程中进行温度、湿度、酸碱度、菌种生长情况等发酵参数的实时监控,在很大程度上提升了发酵产品的质量与安全。随着科学技术的快速发展和分析技术体系的日渐完善,发酵中草药的定性定量分析及制剂药效稳定性提高具有了一定基础。在《生物产业发展“十一五”规划》中,科技部就已将微生物制造和发酵工程列入其中,中草药发酵技术为中草药的开发利用注入了新的发展动力,使其具有更广阔的发展前景和应用潜力。

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01

发酵中草药的优势

通过微生物的生长代谢和生物转化来发酵中草药,比一般的物理或化学炮制手段更具有优越性。发酵能有效提高部分中草药有效成分的含量和药效,降低毒性,减少毒副作用,产生新活性成分。


提高中草药药效

微生物具有强大的分解转化能力,微生物生长代谢过程中会产生纤维素酶、木质素酶和果胶酶等多种胞外酶,酶可以催化降解植物细胞壁,提高细胞膜通透性,增加中草药有效成分的溶出,如纤维素酶提取藕节多糖得率比不加酶的提取得率高约4%;此外,酶还可以将大分子物质降解为易被吸收的小分子物质,提高药效。据报道,中草药中的某些成分经发酵后含量增加1-4倍。发酵黄芪产生的黄芪多糖最多可达传统提取工艺的5倍,而且动物实验证明发酵黄芪的用量,仅为传统制药用量的1/28时就具有同等药效。人参经酵母菌发酵后检测人参皂苷含量,结果显示,发酵后人参皂苷20(S)-Rg3、Rh2和F2水平分别提高了269.87%、198.46%和153.98%,抗氧化活性显著增强,小鼠实验表明发酵人参可减轻肝脏脂质积聚和炎症,从而改善酒精性肝损伤。因此,微生物发酵具有提升某些中草药药效的功能。

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促使部分中草药产生新活性成分

微生物生长过程中会产生丰富的次生代谢产物,这些产物会以中草药的有效成分或非有效成分为前体,通过异构化、甲基化、乙酰化等多种生物转化对这些物质的结构进行修饰,产生新活性成分。微生物和中草药会产生协同作用,中草药的某些成分可以促进或抑制微生物的生长代谢,从而促使其产生新的代谢反应或代谢产物。玫瑰和红枣仁发酵后的镇静安神功效提高,玫瑰抗氧化活性成分提高,产生了新物质——红枣苷B。枯草芽孢杆菌发酵三七根后,在发酵产物中发现了新物质人参皂苷Rh4。因此,某些中草药经微生物发酵后具有了产生新活性的潜能。

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降低部分中草药毒性和毒副作用

部分中草药本身具有毒性,在使用这些有毒中草药时如果不重视辨证论治、用量配伍、给药途径等,可能会造成肝和肾的损伤,甚至危及性命。微生物的分解转化作用有可能降解部分中草药毒性物质,或对中草药毒性成分结构进行修饰,较大幅度地改变药性,降低毒副作用,扩大中草药临床适应症。乳酸菌发酵多种有毒中草药后未检测出急性毒性或基因毒性,说明发酵使毒性降低。由川乌、半夏、天南星等组成的化风丹药母以芽孢杆菌、片球菌和肠杆菌为主的自然发酵过程中,高毒性生物碱(乌头碱、甲乌头碱、亚甲乌头碱)在发酵过程中含量显著降低。本课题组研发了一种运用库氏毕赤酵母和融合魏斯氏菌复合发酵橡胶籽脱除其有毒氰化物的方法,复合发酵后氰化物脱除率在88.9%以上。由此可见,微生物发酵中草药用于减少中草药毒性和毒副作用是可行的。

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02

酵中草药常用微生物

发酵中草药的常用菌种主要包括真菌和细菌,其中主要为乳酸菌、芽孢杆菌、双歧杆菌、酵母菌、米曲霉、黑曲霉及各种药用真菌等,详见表1。

表1 发酵中草药常用菌种及功效

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真菌

真菌在发酵过程中可以利用中草药中的纤维、糖类、蛋白等物质产生丰富的次生代谢产物,如药用真菌羊肚菌的发酵物不仅富含蛋白质、脂肪酸、维生素、矿物质等营养成分,还富含多糖、多酚、甾醇、酶类等活性成分。发酵中草药的真菌主要分为中草药内生真菌、自然真菌和药用真菌。目前,发酵常用的自然真菌主要包括曲霉属(Aspergillus)、根霉属(Rhizopus)、酵母菌属(Saccharomyces)等真菌,治疗中风的药物化风丹,即为川乌、半夏、天南星等加入牛胆汁中自然发酵而成。根霉发酵由黄芪、白术和防风等组成的玉屏风散能增强淋巴细胞的增殖从而提升双重免疫活性,有潜力用于治疗炎症性疾病的双向免疫刺激作用。药用真菌会以中草药作为培养基质,利用中草药的活性成分,经过药用真菌丰富的酶系及代谢作用产生新的代谢产物。Son等利用灵芝菌丝体发酵青蒿,发酵产物可转化为有价值的化合物,增强特应性皮炎反应中的抗炎作用。类似的药用真菌还有茯苓、冬虫夏草、云芝、灰树花、获荃等。

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细菌

细菌较真菌生长繁殖速度更快,筛选有较强发酵能力的细菌也是现代发酵中草药的重要组成部分。目前常用的发酵细菌有乳酸菌、芽孢杆菌、双歧杆菌、丁酸梭菌、光合细菌等。枯草芽孢杆菌发酵的当归补血汤显著增加了大鼠肠道益生菌数量,对维持肠道健康发挥了重要作用。Suh等使用枯草芽孢杆菌发酵三尖杉、金银花和大豆来探究其发酵产物对高脂饮食(High-Fat Diet,HFD)小鼠的抗肥胖作用,结果显示发酵通过上调黄酮类苷元等产物提高了对胰脂肪酶的抑制能力,比未发酵中草药具有更强的抗肥胖作用。

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03

发酵中草药应用现状

中草药资源利用

中草药资源是中医药事业生存发展的物质基础,也是国家重要的战略性资源。近年来,在中成药生产、中药材加工炮制等多种中草药生产加工过程中产生了大量废弃药渣。中药渣中富含粗纤维、粗蛋白、粗脂肪及多种生理活性成分,具有较高的循环利用价值。人参药渣含有丰富的多糖、膳食纤维、蛋白质等成分,可作为有价值的功能性膳食纤维。发酵人参药渣可以提升猪肠道健康,揭示了人参药渣二次利用的可能性。发酵中药渣可以调节断奶仔猪血脂浓度,提高其生长性能、抗氧化能力和免疫力,可作为功能性饲料进行开发;中药渣富含氮、磷、钾和有机质等,具有质轻、通气性好等特点,经发酵后可作为生物有机肥来提高土壤肥力,促进农作物生长;中药渣还可作为培养基,为微生物提供生长繁殖所需的碳源、氮源。合理、充分利用中草药资源是一种极具经济效益和社会效益的资源可持续利用方式。

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新活性成分研究

发酵是中药炮制的一种重要方法,许多药物都经中草药发酵而成,如名贵中药虫草就是虫草菌发酵蝙蝠蛾幼虫的产物。部分中草药经微生物转化可以产生新活性,为中草药活性成分结构修饰提供新途径。由葛根、丹参、姜黄等组成的“栓通灵”经酵母菌、醋酸杆菌、乳酸杆菌发酵的产物,能降低脑缺血再灌注模型大鼠缺血脑组织中TNF-α和IL-1β含量,减轻神经功能损伤,减少脑梗死面积,保护脑组织,可作为防治脑血管疾病药物进行研发。发酵芦荟可作为加速烧伤愈合、减少炎症反应的潜在药物。乳酸菌发酵可提高姜黄中姜黄素含量,增强其特有的药理活性,突显其作为功能食品配料的潜在应用价值通过发酵可以为寻找中草药新活性成分、研发新药提供新途径。


饲料添加剂

畜牧业中抗生素的滥用对人类食品安全构成了严重威胁。许多欧洲国家已禁止在饲料中添加抗生素,中国农业农村部194号公告规定,自2020年7月1日起,饲料生产企业停止生产含有促生长类药物饲料添加剂(中药类除外)的商品饲料。中草药饲料添加剂具有促进新陈代谢、增强酶活性、提高免疫性能、增加抗病性和改善肉品质等多重功效,使其成为代替抗生素的饲料添加剂首选。


发酵中草药同时还具有益生菌的益生效果和中草药的药理活性,可以通过提高采食量、促进增重、降低料肉比和改善肉质品质等来提升动物的生长性能;通过提升免疫器官指数、抗体水平、肠道健康和淋巴细胞数量等来增强动物免疫性能和动物对饲料的消化、吸收,提高饲料利用率;某些中草药还具有补充营养、增香除臭、防霉防腐作用,可以改善饲料营养、刺激动物食欲、延长饲料保质期。发酵黄芪、党参、当归等复方中草药可以提高热应激环境中奶牛的产奶性能和免疫功能。发酵芝麻可以提高芝麻营养物质利用率,提升肉鸡生长性能,可作为肉鸡日粮中的蛋白质来源。随着社会对养殖业环保问题的持续关注,以及人们对畜牧产品品质的愈加重视,微生物发酵饲料在养殖业中将具有更加巨大的应用潜力。

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04

发酵中草药存在的问题

近年来,随着中草药优势的逐步凸显,其存在的问题也引起了人们的重视,在进行发酵中草药相关研究中发现,存在中草药农药残留、发酵中草药机理不明确、缺乏发酵中草药研究标准以及产业化程度低等问题。

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中草药农药残留

随着中草药需求的增加,中草药的种植规模和产量也不断增加。为了预防病虫害的发生,种植户会使用大量农药,导致中草药农药残留问题逐渐严重。近10年来,农药残留在中药材中的检出率一直居高不下,有机氯类、有机磷类和拟除虫菊酯类3种主要农药,在中药材中的最高检出率分别达83.4%、57.5%和69.5%,反映出中药材农药残留的普遍性和严重性。Kowalska等检测了104种中草药中的农药残留情况,结果显示72.1%的样品存在农药残留且残留农药多达16种。然而中草药活性成分一般为有机分子,沸点相对较低,在中草药发酵加热过程中,残留于其内部的农药会随即溶出,极有可能因农药残留使人及动物产生过敏、癌变和可遗传的畸形等,造成新的病症。中草药农药残留问题如果不能及时得到改善和解决,必定会影响到发酵中草药的用药安全和未来发展。

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发酵中草药机理不明确

目前,对于微生物发酵中草药的机理认识,主要以微生物产生的酶和代谢产物与中草药协同作用为主。然而中草药活性成分具有复杂性,发酵微生物种类繁多,对中草药的转化作用不尽相同,中草药中有效成分、非有效成分及其他特殊基质与微生物的相互作用机制尚不明确,虽然有部分学者对此进行了研究,但仍缺乏系统性的报道。同时,发酵过程中可能会产生的副产物、药材间的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,发酵中草药机理还需要更多深入研究。

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缺乏发酵中草药研究标准

发酵中草药既可作药物直接服用,又可用于药剂生产和饲料添加等,其质量优劣严重影响其应用疗效,完善发酵中草药研究标准是保证发酵中草药质量的关键。中草药的多组分、多靶点、多效应等特点使其药代动力学具有复杂性,这为发酵中草药的研究增加了难度。在发酵中草药实验研究过程中,面临的主要问题包括以下几方面:

(1)部分中草药药理、毒理和药代学方面的研究相对较少,无法为中草药的选择提供充分的依据。

(2)发酵前中草药的灭菌与否,对中草药的药理活性的影响尚不明确。(3)发酵产物的纯化过程及纯化程度没有标准可循。

(4)发酵过程中缺乏活性成分、特异性酶等专属特征的检测指标,中草药活性成分高通量分析技术薄弱。

(5)发酵中草药安全性评价多停留在动物实验,而且没有模式动物来确定不同发酵中草药产物的质量和安全性。


发酵中草药饲料添加剂产业化程度低

自2020年7月1日开始饲料端禁用抗生素后,各养殖企业和饲料生产企业一直在寻求替代抗生素的饲料。中草药饲料添加剂具有替代饲用抗生素的潜力,已被广泛用于畜禽养殖。然而发酵中草药饲料添加剂尚处于发展初期,其作为饲料添加剂的前期探索烦琐、药效缓慢,缺乏相应的质量评价标准和中草药用量标准,发酵中草药饲料的产品质量和储存方法也需要进一步探索,相关的研究更多停留在实验阶段,未大量投入到实际的饲料生产和养殖中;企业需要相关的中草药发酵设备、场地及技术人员,近几年的中草药价格也水涨船高,导致发酵中草药饲料添加剂的成本相对较高。从中草药到发酵中草药饲料添加剂再到养殖企业的产业链尚未完全成熟,发酵中草药饲料添加剂产品的推广和宣传力度不够,社会接受度不高,产业化程度低。


05

中草药发酵的关键因素

微生物发酵中草药在新活性成分利用和饲料添加等方面具有独特优势,但目前发酵中草药的应用与研究体系还不完善,在国内和国际上尚处于发展阶段。我们可以从中草药资源利用、发酵中草药的筛选、优良菌种的选育、发酵条件的优化等关键因素入手进行更深入的研究,为发酵中草药的发展提供更多数据支持。


中草药资源可持续利用

中草药资源是现代中药产业发展与研究的基础,中草药的质量优劣主要体现在道地性、野生性、生长时间和品规性上。近年来,因受到中草药产业迅速发展、自然环境变化、人工栽培干预等因素影响,许多中药材在市场上供不应求,尤其是一些优质纯真的道地药材,如云南的三七、吉林的人参等。《中国植物红皮书》收载的濒危植物398种,药用植物达168种。以野生植物为主的100多种常用中草药资源量快速下降,许多药材品质也呈现下降趋势。25年间青藏高原的冬虫夏草产量降低90%,原分布密集区40%地块多年未见冬虫夏草;重楼的质量由原来的每头50g以上减小到目前的每头5-10g。针对这些情况,我们在使用中草药过程中,应该坚持资源可持续利用原则,减少中草药资源损耗,提升资源利用效率;通过优化种植技术、规范培育优良种质、近缘物种开发新药源、中草药质量控制、拓宽中药应用市场;通过加强野生中草药资源保护,建立中草药道地产区,进行道地药材形成机制研究,积极寻求珍稀濒危中药材替代品等方面展开中草药研究,保障中草药资源的可持续利用和中草药产业的可持续发展。


发酵中草药的筛选

中草药种类繁多、药效不一,每种中草药都存在发酵菌种、发酵条件等的特异性,不同的中草药在同一条件下发酵会产生不同的药效,乳酸菌发酵板蓝根、苦丁、甘草等5种抑菌抗病毒中草药,甘草发酵后基本无抑菌活性,其余中草药发酵后具有显著的抑菌效果。同一中药在不同配伍中,药效和给药方式可能不同。三七、地黄与雷公藤配伍,影响了雷公藤甲素和雷公藤甲素A的体内吸收和组织分布,降低了雷公藤肝肾毒性。目前还有一些中草药只能以单味药的形式来利用,如返魂草、刺五加、水飞蓟等。如果能够将这类中草药应用于传统方剂配伍和发酵中,或许可使这类中草药产生更好疗效,甚至研发新药物,从而促进中草药资源的进一步发展。筛选针对某一生理活性或功效的中草药、注重中草药的方剂配伍,是中草药研究与发展的重要内容。

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优良菌种的选育

优质、高效、安全的发酵菌种是发酵中草药的基础和关键,不同的发酵菌种会产生不同的药效。中草药通常使用单一菌种发酵,其优势在于发酵条件更简单,菌种单一易于操作,但存在产酶种类单一、产酶能力较弱等方面不足。然而混合菌种的发酵效果普遍优于单一菌种,混菌发酵可以实现发酵体系中多菌及酶的相互作用。黑曲霉、枯草芽孢杆菌、产朊假丝酵母混合发酵辣木,可改善其营养品质,提高其抗氧化活性。除了目前发酵中草药常用的安全高效细菌、真菌外,还可以综合利用物理化学诱变技术、原生质体融合技术或基因工程技术等进行优良菌种的改造及选育。现阶段,原生质体融合技术已被广泛运用于酿酒酵母的菌种改良,改良后的菌种产香能力和发酵能力均优于原菌种。双歧杆菌和酿酒酵母经原生质体融合育种后,融合子兼具2株菌的菌种特性。中草药种类繁多,如何为中草药发酵筛选最优的发酵菌种和菌种配比,还需要更多的实验研究和数据支持。

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中草药发酵条件的优化

酵是多因素综合作用的过程,不同的中草药和菌种,在不同发酵条件下存在巨大的差异。郭舒等发酵马齿苋、黄芪、党参等复方中草药时,发现接菌量为2%、4%、6%时药物多糖含量呈递增趋势,接菌量为6%、8%、10%、12%时药物多糖含量呈递减趋势,在单因素条件下6%为最佳接菌量。汪青波等利用响应面优化法进行了连翘发酵条件的优化,结果表明在含水量50%、30°C下发酵100min,连翘叶中的连翘苷可有效转化为连翘脂素,而且连翘脂素含量从1.67mg/g提高到46.40mg/g。筛选最佳的发酵条件可以发挥中草药最佳的药用价值,运用现代生物技术和发酵技术助推中草药产业发展具有广阔的市场前景。

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展望

目前,发酵中草药的研究主要集中在中草药资源开发利用、新活性成分研究和饲料添加剂等方面,有望通过解决发酵中草药现存的中草药农药残留、发酵中草药机理不明确、缺少发酵中草药研究标准以及产业化程度低等问题,为发酵中草药寻求新的发展方向。

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首先,我们可以通过完善中草药种植农药使用标准、加强监督力度、运用中草药病虫害防治的生物技术手段、利用基因工程构建农药高效降解菌株[53]和抗病中草药的方法,加快对中药材中农药残留现状的改善;建立相应的中草药质量控制标准、确立发酵中草药标准化研究方法,促进中草药的现代化发展。其次,我们应该加强对发酵中草药的发酵机理、各类发酵微生物、发酵产物及特性的研究,建立不同中草药或活性成分选择不同发酵菌的标准。与此同时,可以为发酵中草药选择合适的药理模型[56]。这样可以大幅减少发酵中草药的开发研究成本,不失为发酵中草药开发的新途径。

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中国农业农村部禁抗饲料公告的发布标志着无抗养殖时代的到来,但目前发酵中草药饲料的发展尚处于初期阶段,技术和体系都不够成熟,缺少相应的质量控制标准,产业化程度低。在发酵中草药饲料添加剂后续的研究中,应该更注重产学研结合,运用科学的技术和方法对发酵中草药饲料添加剂进行更多深入研究,例如对于菌种特异性和中草药特异性在动物生产中的影响,以及饲料中中草药药效的稳定、杂菌污染的预防和发酵饲料的存储等方面进行研究。发酵中草药饲料的发展将加快发酵中草药现代化发展的步伐。在今后的实验研究过程中,不断地发现问题和解决问题是进行发酵中草药研究的重点内容,以期为发酵中草药的研究提供更多实验数据和科研成果。中草药发酵技术是现代生物技术、微生物学、中医药学研究的完美结合,微生物发酵与中草药研究的紧密联系,必将为中草药的研究开发开辟新的道路、拓宽新的发展空间。

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免责声明:本文来源—李秋月等《微生物发酵中草药的研究现状》。此文仅为分享知识,如有侵权,请联系删除。