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Imeta. : 中草藥益生菌發(fā)酵研究進(jìn)展

 菌心說(shuō) 2024-06-22 發(fā)布于河南

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摘要:

幾千年來(lái),中草藥(CHM)一直被用來(lái)治療疾病。然而,中藥的生物活性成分很復(fù)雜,一些中藥天然產(chǎn)物不能被人類和動(dòng)物直接吸收。此外,中藥中大多數(shù)生物活性成分含量較低,部分天然產(chǎn)物對(duì)人體和動(dòng)物有毒。中藥發(fā)酵可增強(qiáng)中藥生物活性,降低潛在毒性。微生物的組成和功能在中藥發(fā)酵中起著至關(guān)重要的作用,可以影響最終發(fā)酵產(chǎn)物的發(fā)酵代謝產(chǎn)物和藥用活性。在中藥發(fā)酵過(guò)程中,益生菌不僅能增加生物活性天然產(chǎn)物的含量,而且對(duì)宿主腸道菌群和免疫系統(tǒng)有益。本文綜述了中藥使用益生菌發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)、發(fā)酵技術(shù)、益生菌菌株以及中藥發(fā)酵的未來(lái)發(fā)展。尖端的微生物組和合成生物學(xué)工具將利用微生物細(xì)胞工廠以低成本生產(chǎn)大量源自中藥的生物活性天然產(chǎn)物,這將有助于加快現(xiàn)代中藥生物制造。

前言:

傳統(tǒng)中醫(yī)是最古老的治療系統(tǒng)之一,包括草藥、針灸、艾灸、按摩、食物療法和其他一些治療策略。中草藥(CHM)是指天然藥物及其加工產(chǎn)品,主要由植物藥物(包括根、莖、葉和果實(shí))和礦物藥物組成。大多數(shù)中藥來(lái)源于藥用植物,在中國(guó)和其他亞洲國(guó)家,它們已被用于治療人類疾病已有數(shù)千年的歷史。根據(jù)代謝組學(xué)分析,CHM含有數(shù)百種不同的成分,具有不同的理化特性。青蒿素是一種從青蒿中提取的生物活性化合物,已被用于治療瘧疾和其他疾病。在2018年至2020年的3年中,青蒿素聯(lián)合療法已用于治療超過(guò)4.54億例瘧疾病例。此外,一些基于中藥的經(jīng)典中藥處方已被應(yīng)用于治療焦慮、失眠、認(rèn)知障礙和其他多種疑難疾病。
中藥中某些生物活性成分的含量低于1%,部分中藥成分對(duì)人體和動(dòng)物有毒。微生物發(fā)酵是傳統(tǒng)的中藥加工技術(shù)之一,在適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度和濕度條件下發(fā)生反應(yīng)。中藥發(fā)酵可以提高藥效,降低毒性,產(chǎn)生新的化學(xué)成分,保護(hù)野生草藥資源。發(fā)酵中藥及其制品的記錄見于《齊民藥》、《神農(nóng)本草經(jīng)》、《本草綱木》和《中華人民共和國(guó)藥典》,包括松科根瘤曲、神曲、劍神曲、彩云曲、陳祥曲、白藥劍和頜子黃。此外,一些發(fā)酵的中藥已被應(yīng)用于動(dòng)物飼養(yǎng),并被證明對(duì)動(dòng)物健康有益。例如,Massa Medicata Fermentata(申曲或流申曲)可改善仔豬斷奶期間的腸道穩(wěn)態(tài),益生菌發(fā)酵草本混合物可以改善沙門氏菌感染的雛雞的生長(zhǎng)性能。
通常,微生物發(fā)酵后,中藥的化學(xué)成分和含量會(huì)發(fā)生變化。CHM的一些有效成分只能被腸道微生物群轉(zhuǎn)化和吸收。由于宿主腸道菌群組成及其藥物吸收能力個(gè)體化,體外發(fā)酵可以使中藥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化,提高中藥的臨床療效。實(shí)際上,一些發(fā)酵的中藥比未發(fā)酵的中藥具有更好的藥理活性。益生菌是活的微生物,已被證明對(duì)人體健康有益。益生菌和一些中藥對(duì)人體腸道微生物、腸上皮屏障和免疫系統(tǒng)都有益,因此,用益生菌發(fā)酵一些中藥是很有意思的。
一些關(guān)于使用益生菌發(fā)酵中藥的臨床試驗(yàn)顯示出有希望的臨床效果。含有副干酪乳桿菌和中藥甘草的發(fā)酵乳對(duì)感染幽門螺桿菌的患者有益;治療組的胃腸道癥狀和生活質(zhì)量顯著改善,未觀察到嚴(yán)重不良事件。對(duì)12名日本健康受試者進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于主要人參皂苷代謝物化合物K的開放標(biāo)簽、隨機(jī)、單劑量、兩期和交叉研究,結(jié)果顯示,與非發(fā)酵人參相比,攝入發(fā)酵人參后化合物K的吸收顯著增加。此外,由副干酪乳桿菌A221發(fā)酵的人參改善了人類的初夜效應(yīng)。發(fā)酵紅參降低了空腹血糖受損或2型糖尿病患者的餐后血糖水平,并改善了常年過(guò)敏性鼻炎患者的鼻塞癥狀和生活質(zhì)量。
雖然中藥發(fā)酵已應(yīng)用于草藥制劑,但大多數(shù)中藥發(fā)酵的潛在生物轉(zhuǎn)化機(jī)制尚不清楚。因此,有必要對(duì)中藥發(fā)酵進(jìn)行全局和系統(tǒng)的分析。本文重點(diǎn)總結(jié)和探討了當(dāng)前中藥益生菌發(fā)酵的原理、中藥發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)、中藥發(fā)酵的益生菌、現(xiàn)代微生物發(fā)酵技術(shù)等。此外,還討論了未來(lái)利用益生菌進(jìn)行中藥發(fā)酵的微生物組策略以及合成生物學(xué)在中藥生物活性成分生產(chǎn)中的應(yīng)用。
益生菌發(fā)酵中藥的機(jī)理
與傳統(tǒng)的中藥加工方法相比,在溫和的加工條件下,用益生菌發(fā)酵中藥可以提高中藥的生物活性。首先,一些中藥天然產(chǎn)物難以在體內(nèi)吸收和利用。同時(shí),益生菌在CHM發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的幾種水解酶可以破壞植物細(xì)胞壁,促進(jìn)CHM中生物活性成分的釋放。乳鏈球菌能有效降解纖維素,黃芪與乳鏈球菌發(fā)酵可增加黃芪根、莖、葉中粗多糖、總黃酮和總皂苷的含量。其次,大多數(shù)草藥是口服給藥給人的,中藥成分在吸收前可以被腸道微生物群轉(zhuǎn)化。腸道益生菌分泌的酶可以水解和去除CHM天然產(chǎn)物中的糖基,從而增加其親脂性,提高胃腸道的吸收率??诜什莺?,甘草甜轉(zhuǎn)化為甘草酸,隨后被腸道菌群轉(zhuǎn)化為甘草次酸。此外,益生菌發(fā)酵可以降低或降低某些中藥的毒性。
中藥中一些有效的天然產(chǎn)物可以作為益生元,促進(jìn)有益微生物在宿主體內(nèi)的增殖。山藥的攝入顯著改變了小鼠的腸道菌群,雙歧桿菌和乳酸菌的數(shù)量在小鼠中增加。黃芪、當(dāng)歸、牛草籽、黨參、甘草和女貞子可以單獨(dú)刺激枯草芽孢桿菌、嗜酸乳桿菌和酵母菌等益生菌的增殖,與劑量相關(guān)。紅參和精液薏劑在體外促進(jìn)雙歧桿菌和乳酸菌的生長(zhǎng),改善腸道菌群,緩解體內(nèi)潰瘍性結(jié)腸炎的癥狀(圖1)。金銀花對(duì)小鼠腸道菌群失調(diào)具有顯著的調(diào)節(jié)作用,可促進(jìn)腸道菌群失調(diào)的恢復(fù)。因此,用益生菌發(fā)酵的中藥的協(xié)同作用可能會(huì)提高中藥的有效性。

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CHM益生菌發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)
促進(jìn)有效成分的釋放,提高中藥的藥理活性

中藥的有效成分主要分布在植物生物質(zhì)的根、干、葉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)緊密,主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,阻礙了生物活性天然產(chǎn)物的釋放,導(dǎo)致中藥生物活性天然產(chǎn)物的吸收利用率低。益生菌可以產(chǎn)生多種水解酶,特別是木質(zhì)纖維素酶,以降解植物細(xì)胞壁并促進(jìn)CHM中生物活性天然產(chǎn)物的釋放(圖1A,B)。這些釋放的生物活性天然產(chǎn)物包括類黃酮、糖苷、蒽醌類、萜類化合物、生物堿和有機(jī)酸(表1)。此外,木質(zhì)纖維素酶可以幫助為人類和動(dòng)物的腸道微生物群產(chǎn)生低聚糖益生元(圖1C)。因此,益生菌發(fā)酵可以提高中藥的藥理活性。

用干酪乳桿菌、糞腸球菌、實(shí)用念珠菌等益生菌發(fā)酵中藥后,青蒿發(fā)酵中藥材的可溶性總黃酮、總生物堿、粗多糖和總皂苷含量較天然藥材分別增加55.14%、127.28%、55.42%、49.21%。戊乳桿菌發(fā)酵后,槲皮素和山奈酚提取物中槲皮素和山奈酚含量分別提高了242.9%和266.7%,提高了草本的潛在抗氧化和抗衰老功能。短雙歧桿菌菌株CCRC 14061發(fā)酵后,葛根菌中大豆苷元和染料木黃酮的含量分別增加了785%和1010%,可刺激NHEK細(xì)胞產(chǎn)生透明質(zhì)酸。用戊糖片球菌(GRC-ON89A)發(fā)酵冬蟲夏草可增強(qiáng)RAW 264.7細(xì)胞和原代培養(yǎng)的小鼠巨噬細(xì)胞的吞噬活性;軍事念珠菌免疫活性增強(qiáng)歸因于發(fā)酵后β-葡聚糖、蟲草素和短鏈脂肪酸含量的增加。微生物發(fā)酵,特別是益生菌發(fā)酵,可顯著增加生物活性天然產(chǎn)物的含量,提高中藥的藥理作用(表1)。

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減少中藥的毒性和副作用

一些中藥對(duì)人類和動(dòng)物有一定的毒性,直接經(jīng)口攝入會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的毒性作用。益生菌可以降解或改變有毒成分,從而減少CHM的毒性或副作用。共軛蒽醌是導(dǎo)致大黃嚴(yán)重腹瀉的主要成分。用Kluyveromyces marxianus KM12發(fā)酵大黃可將偶聯(lián)蒽醌轉(zhuǎn)化為游離蒽醌,并減輕大黃引起的嚴(yán)重腹瀉的副作用。與原始粗巴豆相比,用靈芝和巴西梭菌發(fā)酵可使急性口服毒性降低約4倍,且無(wú)炎癥作用和溶血作用。用靈芝發(fā)酵雷公藤降低了藤蔓的肝毒性,這是由于發(fā)酵后藤芪的減少。

產(chǎn)生新的生物活性物質(zhì),提高中藥的生物利用度

益生菌發(fā)酵將中藥成分轉(zhuǎn)化為新的生物活性化合物,這可能會(huì)為中藥帶來(lái)新的藥理特性(圖2)。人參皂苷是人參的主要生理生物活性天然產(chǎn)物,人參皂苷Rb1、Rb2、Rc、Re和Rg1占人參總?cè)藚⒃碥盏?0%以上。一些稀有的人參皂苷,如F2和Rd,被證明具有很高的生物利用度和生物活性。然而,它們?cè)谔烊蝗藚⒅械暮繕O低,其中一些,如化合物K(CK),在人參生物量在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化后才能獲得。益生菌動(dòng)物雙歧桿菌乳酸亞種LT 19-2可有效將紅參提取物中的主要人參皂苷Rb2和Rb3轉(zhuǎn)化為Rd、Rh1、F2和Rg3的稀有人參皂苷(圖2C)。紅參益生菌發(fā)酵顯著提高了RAW 264.7細(xì)胞巨噬細(xì)胞的活性,激活了原代免疫細(xì)胞,包括脾細(xì)胞和骨髓來(lái)源的巨噬細(xì)胞,表明用乳酸芽孢桿菌LT 19-2發(fā)酵可以改善紅參的免疫調(diào)節(jié)功能。益生菌發(fā)酵的紅參顯著促進(jìn)了Th1和Treg細(xì)胞的分化,從而激活了小鼠的巨噬細(xì)胞,以緩解環(huán)磷酰胺誘導(dǎo)的免疫抑制和2,4,6-三硝基苯磺酸誘導(dǎo)的結(jié)腸炎。益生菌發(fā)酵的草本混合物可以增強(qiáng)感染支鏈球菌的雛雞的免疫能力。在另一項(xiàng)研究中,用乳雙歧桿菌和鼠李糖乳桿菌HN001發(fā)酵人參提取物,將Rb1、Rc和Rb2的人參皂苷轉(zhuǎn)化為Rd(圖2B,C)。益生菌發(fā)酵或酶催化可以產(chǎn)生具有生物活性的稀有人參皂苷(圖2)。Dioscorea opposita Thunb的發(fā)酵。與布拉氏酵母菌產(chǎn)生一系列新型低分子量多糖,這些多糖易于消化,并具有更好的抗氧化活性和輻射防護(hù)作用。益生菌能夠在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生新的生物活性物質(zhì)。對(duì)益生菌發(fā)酵中藥功能機(jī)制的進(jìn)一步了解將為合理設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵策略鋪平道路。

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降低生產(chǎn)成本,保護(hù)環(huán)境

益生菌中藥發(fā)酵可以增加有效成分的含量,減少中藥的消耗。許多天然中藥資源,如野生巴南和甘草資源,在過(guò)去幾年中減少。稀有人參皂苷已被用于生產(chǎn)抗癌藥物、食品和保健品,益生菌發(fā)酵可以減少人參的消費(fèi)和稀有人參皂苷的生產(chǎn)成本。

在中藥處理過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量的中藥殘留物,直接廢棄或焚燒殘留物會(huì)浪費(fèi)資源并產(chǎn)生環(huán)境污染。華正匯生口服液(HOL)是一種臨床抗肺癌和肝癌藥物,由35種中藥制成,用曲霉發(fā)酵HAL殘留物CB10002可產(chǎn)生有價(jià)值的蒽醌化合物。利用植物乳桿菌HM218749發(fā)酵建維霞片生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的草本殘?jiān)?,發(fā)酵上清液在小鼠中顯示出較強(qiáng)的抗幽門螺桿菌活性。由白頭翁、黃連根瘤、皮層紫薇、白術(shù)根莖、大頭根莖和花果皮組成的一種中藥配方的發(fā)酵殘?jiān)梢蕴岣邤嗄套胸i的抗氧化能力和免疫力,表明發(fā)酵殘?jiān)锌赡茉谧胸i飼喂中用作抗生素的替代品。益生菌發(fā)酵有助于減少中藥的消耗,并提供草藥殘?jiān)木G色回收策略,從而節(jié)省天然中藥來(lái)源,降低生產(chǎn)成本,保護(hù)環(huán)境。

CHM發(fā)酵中常用的益生菌

我國(guó)共有35種或亞種微生物被批準(zhǔn)為食用益生菌,其中一些已被用于發(fā)酵中藥(表2)。乳酸菌是中藥發(fā)酵中最常用的益生菌屬。乳酸菌已被用于發(fā)酵人參、大頭根瘤、Anoectochilus formosanus Hayata、L. cuneata G. Don 、丹參和一些草藥配方,包括Soshiho-tang 、Jaeumganghwa-tang 和Hwangryun-haedok-tang 。雙歧桿菌已被用于發(fā)酵葛根和早田雙歧桿菌。芽孢桿菌已被用于發(fā)酵丹參、人參種子和大頭根瘤菌(表2)。一些真菌,特別是藥用真菌,已被應(yīng)用于中藥或草藥配方發(fā)酵中。酵母菌已被用于發(fā)酵Glycyrrhiza uralensis Fisch和Gegen Qinlian湯;G. lucidum已被用于發(fā)酵毛細(xì)青蒿葉(表2)。目前,大多數(shù)中藥發(fā)酵仍局限于單一中藥材的單菌株發(fā)酵,很少有關(guān)于用多種益生菌或合成微生物群發(fā)酵中藥的研究。由于自然界中存在多種益生菌或益生菌組合,篩選新型益生菌菌株或構(gòu)建合成益生菌微生物群可能會(huì)改善中藥發(fā)酵。

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中藥的益生菌發(fā)酵技術(shù)

傳統(tǒng)的中藥發(fā)酵技術(shù)是固態(tài)發(fā)酵,它利用環(huán)境中的野生型微生物來(lái)完成發(fā)酵過(guò)程,而不需要精確控制環(huán)境溫度和濕度。固態(tài)發(fā)酵的發(fā)酵終點(diǎn)通常由個(gè)人經(jīng)驗(yàn)決定。因此,傳統(tǒng)發(fā)酵中藥的功效、安全性和穩(wěn)定性不穩(wěn)定,這可能是由于菌株純度不足、發(fā)酵條件不可控、缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)酵工藝和適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)指標(biāo)所致。與傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)相比,現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)將微生物生態(tài)學(xué)、發(fā)酵工程和生物工程融為一體,從而產(chǎn)生了新的中藥發(fā)酵技術(shù)。根據(jù)發(fā)酵形式,現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)可分為固體發(fā)酵、液體發(fā)酵和藥用真菌雙向發(fā)酵(圖3)。

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固體發(fā)酵

固體發(fā)酵使用一種或幾種益生菌菌株在低水分或幾乎沒(méi)有游離水的條件下發(fā)酵中藥生物質(zhì)。固體發(fā)酵系統(tǒng)是自然開放的,不需要對(duì)基質(zhì)進(jìn)行滅菌(圖3)。此外,固體發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生少量廢水。固體發(fā)酵成本低,程序相對(duì)簡(jiǎn)單。固體發(fā)酵具有轉(zhuǎn)化率高、收率高等優(yōu)點(diǎn)。固體發(fā)酵將20%-30%的CHM底物轉(zhuǎn)化為新型產(chǎn)品,而液體發(fā)酵的轉(zhuǎn)化效率僅為5%左右。然而,固體發(fā)酵存在一些局限性,包括由于開放式發(fā)酵系統(tǒng)而經(jīng)常受到雜菌的污染,發(fā)酵速度慢,發(fā)酵終點(diǎn)和質(zhì)量控制缺乏科學(xué)標(biāo)準(zhǔn),自動(dòng)化水平低。

除了傳統(tǒng)的發(fā)酵劑制造技術(shù)外,還開發(fā)了多種用于中藥的新型固體益生菌發(fā)酵系統(tǒng)。人參種子分別用芽孢桿菌、乳酸菌和片球菌菌株進(jìn)行固體發(fā)酵后,總糖、酸性多糖和酚類化合物的含量均高于未發(fā)酵對(duì)照。此外,益生菌固體發(fā)酵后人參種子的抗氧化活性有所提高。將黃芪與植物乳桿菌和屎腸球菌進(jìn)行固體發(fā)酵可大大提高促進(jìn)健康的生物化合物的產(chǎn)生,包括多糖、總皂苷和類黃酮。

液體發(fā)酵

液體發(fā)酵,也稱為液體浸沒(méi)發(fā)酵,源自抗生素生產(chǎn)過(guò)程。液體發(fā)酵技術(shù)將活化的微生物接種到由中藥提取物和適當(dāng)?shù)奈⑸餇I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成的培養(yǎng)基中(圖3)。在合適的溫度和pH值下進(jìn)行發(fā)酵過(guò)程。與固體發(fā)酵相比,液體發(fā)酵具有產(chǎn)品穩(wěn)定性高、生產(chǎn)條件量化、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。此外,液體發(fā)酵可以有效地應(yīng)用于大規(guī)模中藥發(fā)酵。液體發(fā)酵需要嚴(yán)格的殺菌環(huán)境,發(fā)酵過(guò)程能耗高;此外,設(shè)備很復(fù)雜。因此,有必要優(yōu)化液體發(fā)酵工藝,特別是發(fā)酵裝置和條件,以提高有效成分轉(zhuǎn)化率并減少污染。

應(yīng)用了一些用于中藥的益生菌液體發(fā)酵策略。例如,用乳酸乳球菌KC24對(duì)水培人參進(jìn)行液體發(fā)酵,增加了人參的抗氧化活性。用副干酪乳桿菌和長(zhǎng)雙歧桿菌發(fā)酵的紅參可有效緩解小鼠卵清蛋白誘導(dǎo)的炎癥??莶菅挎邨U菌液體發(fā)酵后鹿茸的造血活性增加。

藥用真菌雙向發(fā)酵

藥用菌的雙向發(fā)酵包括液體發(fā)酵和固體發(fā)酵;前者是基礎(chǔ)培養(yǎng)基、CHM提取物和真菌在封閉環(huán)境中的組合,后者是CHM和真菌在開放環(huán)境中的組合。雙向固體發(fā)酵在1980年代建立。中藥材底物由藥用真菌發(fā)酵是一種新型中草藥發(fā)酵技術(shù)(圖3)。在雙向發(fā)酵過(guò)程中,中藥基質(zhì)為藥用真菌生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng),真菌發(fā)酵增加了中藥基質(zhì)的生物活性天然產(chǎn)物組成。雙向發(fā)酵可以產(chǎn)生大量新的生物活性發(fā)酵代謝物。對(duì)發(fā)酵過(guò)程和真菌酶系統(tǒng)的深入了解將為雙向發(fā)酵機(jī)制提供線索。

在固態(tài)培養(yǎng)中用G.lucidum菌絲體發(fā)酵的新鮮人參可以增強(qiáng)其免疫調(diào)節(jié)活性。在特應(yīng)性皮炎小鼠模型中,毛細(xì)管曲霉葉的固態(tài)雙向發(fā)酵增強(qiáng)了特應(yīng)性皮炎小鼠模型的抗炎作用。用 Radix isatidis 發(fā)酵的 Trametes robiniophila Murr 產(chǎn)物強(qiáng)烈抑制乳腺癌細(xì)胞的細(xì)胞增殖 。與對(duì)照相比,銀杏葉采用雙向液體發(fā)酵法發(fā)酵,多糖、三萜和總黃酮的產(chǎn)量分別提高了2.38倍、1.96倍和2.10倍,發(fā)酵產(chǎn)物的抗氧化活性更高。然而,雙向發(fā)酵速率緩慢,尖端基因工程工具的應(yīng)用有限。

中藥發(fā)酵的益生菌發(fā)酵模式
單一益生菌菌株發(fā)酵

單一益生菌菌株發(fā)酵是最常用的發(fā)酵方式,益生菌發(fā)酵通過(guò)酶催化改變特定底物的結(jié)構(gòu)。乳酸菌、雙歧桿菌、芽孢桿菌和一些藥用真菌的菌株常用于單菌株中藥發(fā)酵。用發(fā)酵乳桿菌發(fā)酵的人參代謝物可以治療抗生素相關(guān)的腹瀉癥狀和結(jié)腸炎癥。此外,發(fā)酵代謝物可將大鼠腸道菌群紊亂轉(zhuǎn)移到健康狀態(tài)。用植物乳桿菌SN13T發(fā)酵潘帕尼尼蒿可增加兒茶酚和seco-tanapartholide C的生物活性化合物的含量。用從嬰兒糞便中分離的動(dòng)物雙歧桿菌乳酸亞種LT 19-2發(fā)酵紅參可增強(qiáng)紅參的免疫調(diào)節(jié)功能。Cynanchi atrati Radix與乳酸菌的發(fā)酵增加了抗黑色素活性。由于單一益生菌菌株發(fā)酵可以提高中藥的性能,因此在未來(lái)的中藥發(fā)酵中可能會(huì)應(yīng)用更多的益生菌。

多物種發(fā)酵

與單菌株發(fā)酵相比,多物種發(fā)酵可以提供多樣化和冗余的酶系統(tǒng)。多物種發(fā)酵具有提高中藥利用率和生物轉(zhuǎn)化效率的潛力。含有細(xì)菌、真菌或細(xì)菌-真菌的合成微生物群已被用于 CHM 發(fā)酵。鼠尾草由鼠李糖乳桿菌(F-B4-1)和枯草芽孢桿菌納豆(F-A7-1)發(fā)酵的Bunge(Danshen)比生丹參更有效地緩解了硫酸葡聚糖鈉誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎??莶菅挎邨U菌和里沙木霉發(fā)酵白參根提高了從人參皂苷到稀有人參皂苷的生物轉(zhuǎn)化率,因?yàn)檫@兩種物種具有不同步的細(xì)胞生長(zhǎng)和不同的代謝途徑。固定化食用黑曲霉和酵母從虎杖根中的多邊藜蘆中產(chǎn)生的白藜蘆醇是未經(jīng)處理的樣品的11倍。目前,CHM的多物種發(fā)酵很少,這可能是由于多物種發(fā)酵的復(fù)雜控制和調(diào)制。未來(lái),多物種發(fā)酵工藝的優(yōu)化和潛在機(jī)制的回收對(duì)中藥發(fā)酵具有重要價(jià)值。

微生物組和合成生物學(xué)策略在中藥益生菌高效發(fā)酵中的應(yīng)用

中藥發(fā)酵具有增加藥理活性、降低毒性和產(chǎn)生新的生物活性成分的優(yōu)點(diǎn)。了解中藥發(fā)酵的潛在機(jī)制為益生菌發(fā)酵的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。高質(zhì)量、安全的發(fā)酵菌株是中藥發(fā)酵的基礎(chǔ)和基石。目前,大多數(shù)用于中藥發(fā)酵的益生菌菌株來(lái)自發(fā)酵乳制品和動(dòng)物糞便微生物群。益生菌種類非常有限,主要分為乳酸菌屬、雙歧桿菌屬、芽孢桿菌屬和酵母屬。隨著合成微生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高通量測(cè)序技術(shù)有助于在不同環(huán)境中回收益生菌(圖4A,B)。應(yīng)用微生物組策略揭示了福磚茶制造過(guò)程中的微生物變異、清味白酒的自發(fā)發(fā)酵期和華峰丹藥的發(fā)酵過(guò)程。盡管大多數(shù)微生物未經(jīng)培養(yǎng),但新開發(fā)的菌種組學(xué)提供了分離和篩選用于中藥發(fā)酵的適當(dāng)益生菌的工具(圖4C)。

圖片

高效的水解酶和其他CHM生物質(zhì)水解酶,特別是木質(zhì)纖維素酶,將CHM底物轉(zhuǎn)化為生物活性天然產(chǎn)物,并從木質(zhì)纖維素中產(chǎn)生/生產(chǎn)益生元(圖1C和4D,E)。因此,回收和表征用于中藥發(fā)酵的高效酶至關(guān)重要。例如,人參皂苷被認(rèn)為是人參的主要有益成分,但其口服生物利用度很低。人腸道菌群轉(zhuǎn)化的人參皂苷可以提高體內(nèi)的生物活性和生物利用度。人類腸道菌群的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制是腸道微生物群衍生的β-葡萄糖苷酶水解人參皂苷的糖部分,產(chǎn)生稀有的人參皂苷(圖2C)。黑曲霉XD101菌株可以通過(guò)其細(xì)胞外β-葡萄糖苷酶將Rb1轉(zhuǎn)化為易于吸收的人參皂苷CK。此外,還篩選了多種具有高β-葡萄糖苷酶活性的益生菌進(jìn)行人參發(fā)酵,包括乳雙歧桿菌Bi-07、鼠李糖乳桿菌HN001和布氏扁豆乳桿菌URN103L。黃芩苷(黃芩素7-O-β-d-葡糖苷酸)是黃芩的主要類黃酮之一。黃芩素是黃芩苷的苷配基,比黃芩苷更容易吸收,更有效,但黃芩芩苷的含量相對(duì)較低。短乳桿菌凝結(jié)亞種可利用其β-葡萄糖醛酸酶將黃芩素轉(zhuǎn)化為黃芩素。從不同的纖維素分解微生物中回收了90,000多個(gè)編碼碳水化合物活性酶的基因/基因片段。進(jìn)一步的酶學(xué)表征鑒定了一些木聚糖酶和果膠溶解酶,表明可以使用微生物組策略從自然環(huán)境中回收用于CHM發(fā)酵的高效水解酶。

合成生物學(xué)為優(yōu)化具有高效中藥發(fā)酵能力的酶和菌株提供了有價(jià)值的工具。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的蛋白質(zhì)工程和代謝工程可以改善水解酶活性和其他性能,這將為CHM發(fā)酵提供高效的工程酶/微生物(圖4C)。通過(guò)優(yōu)化合成發(fā)酵微生物群和發(fā)酵參數(shù),可以提高CHM生物活性天然產(chǎn)物的產(chǎn)量(圖4D)??莶菅挎邨U菌和枯草絳蟲發(fā)酵促進(jìn)了白參根中人參皂苷的生物轉(zhuǎn)化效率,枯草芽孢桿菌和瑞氏絳蟲的接種比例為1:4,稀有人參皂苷產(chǎn)量最高。在適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵環(huán)境中,用固定化的β-葡萄糖苷酶預(yù)處理尖對(duì)白藜蘆根的轉(zhuǎn)化可以改善聚鱈魚素向白藜蘆醇的轉(zhuǎn)化。用野生型益生菌設(shè)計(jì)和構(gòu)建合成微生物群,并優(yōu)化發(fā)酵參數(shù),包括pH值、溫度和孵育時(shí)間,可以提高CHM發(fā)酵產(chǎn)生的生物活性天然產(chǎn)物的產(chǎn)量(圖4D)。工程酵母已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了萜類化合物、脂質(zhì)和其他植物天然產(chǎn)物的生產(chǎn),合成生物學(xué)可以設(shè)計(jì)和重新編程微生物以從頭生產(chǎn)各種生物活性天然產(chǎn)物。未來(lái),通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)CHM生物活性天然產(chǎn)物可能是益生菌CHM發(fā)酵的替代策略,該產(chǎn)品可以進(jìn)一步應(yīng)用于食品、動(dòng)物飼料和其他行業(yè)。

未來(lái)展望

中藥中許多生物活性成分的含量較低,部分中藥成分有毒。中藥的益生菌發(fā)酵可以產(chǎn)生易于吸收的生物活性化合物并降低毒性。因此,發(fā)現(xiàn)高效安全的益生菌菌株和開發(fā)用于中藥發(fā)酵的新型發(fā)酵策略具有重要意義。對(duì)活性成分生成途徑的深入了解可以加速篩選用于中藥發(fā)酵的高效酶和益生菌。為了獲得CHM生物活性產(chǎn)物的高滴度、速率和產(chǎn)量,必須優(yōu)化發(fā)酵設(shè)備和參數(shù)。益生菌雖然對(duì)人體是安全的,但益生菌發(fā)酵的產(chǎn)物應(yīng)接受全面科學(xué)的安全性評(píng)價(jià)。因此,在施用前,應(yīng)起草和優(yōu)化中藥發(fā)酵標(biāo)準(zhǔn)品。中藥的益生菌發(fā)酵不僅為恢復(fù)生物活性天然產(chǎn)物產(chǎn)生的潛在機(jī)制提供了機(jī)會(huì),而且還為人類和動(dòng)物提供了健康的產(chǎn)品。未來(lái),合成生物學(xué)的發(fā)展將導(dǎo)致中藥生物活性天然產(chǎn)物的生產(chǎn)與高效的微生物細(xì)胞工廠。


文獻(xiàn)來(lái)源:Research advances in probiotic fermentation of Chinese herbal medicines. Imeta. 2023 Feb 19;2(2):e93. doi: 10.1002/imt2.93. PMID: 38868438; PMCID: PMC10989925.(IF:23.7, 中科院1區(qū)).  

~ End ~

責(zé)任編輯:楊   柳

審       核:任大勇 王佳琳

功能性微生物資源開發(fā)與食品安全控制團(tuán)隊(duì)

益生菌與食藥資源協(xié)同研發(fā)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)


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