基于微生物轉(zhuǎn)化的中藥渣再利用研究進(jìn)展

孔文平，黃 勇,2,3，段燕文,2,3，朱湘成,2,3

(1.中南大學(xué) 湘雅國際轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)聯(lián)合研究院，湖南 長沙 410083; 2.新藥組合生物合成國家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長沙 410013; 3.組合生物合成與天然產(chǎn)物藥物湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410011)

歷史悠久的中醫(yī)藥是中華民族的瑰寶，近年來隨著中醫(yī)藥在國際上認(rèn)可度的不斷提高[1]及我國政府支持力度的加大[2]，我國逐漸形成了以中藥農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)、中藥工業(yè)為主體、中藥知識經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)為動力的大中藥產(chǎn)業(yè)。但在中藥產(chǎn)業(yè)快速增長、產(chǎn)值穩(wěn)步提高的情況下[3]，伴隨而來的是中藥渣固體廢棄物給環(huán)境帶來的巨大壓力。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國每年中藥材產(chǎn)量約為7 000萬t，而在制藥企業(yè)加工生產(chǎn)過程中被丟棄的中藥渣可達(dá)3 500余萬t，占藥材總產(chǎn)量的一半[4]。目前大部分藥廠對中藥渣的處理方式以直接排放、野外堆積、掩埋或燃燒為主[5]，或者通過高能耗的熱裂解或氣化等方式將中藥渣轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂蠚鈁6]，不僅會污染環(huán)境，而且會造成中藥資源的極大浪費(fèi)。

微生物由于其內(nèi)在酶體系的多樣性，在自然界物質(zhì)的循環(huán)和轉(zhuǎn)化中起著重要作用。自古以來，微生物轉(zhuǎn)化就被用于提高中藥的活性和療效或降低其毒性[7]。中藥渣富含粗蛋白、粗纖維、粗脂肪和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)以及未被充分提取的藥用活性成分[8]，為不同微生物在中藥渣基質(zhì)中的生長提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，使其在發(fā)揮生物降解作用的同時(shí)，還能促進(jìn)中藥渣營養(yǎng)和藥用活性成分的釋放或者轉(zhuǎn)化[9]。與中藥渣的其他處理方式相比，微生物轉(zhuǎn)化具有綠色環(huán)保、要求簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[7]。隨著中藥資源枯竭速度的加快以及由中藥渣引起的環(huán)境問題日益凸顯，通過微生物轉(zhuǎn)化中藥渣來實(shí)現(xiàn)其高附加值的綠色循環(huán)利用，變廢為寶，為我國中藥產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和健康可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。

因此，本文通過對微生物轉(zhuǎn)化中藥渣資源在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)境、能源及醫(yī)藥等領(lǐng)域的再利用研究進(jìn)行系統(tǒng)的分析和綜述，并展望了基于微生物轉(zhuǎn)化的中藥渣綠色循環(huán)和高附加值利用模式在資源化和可持續(xù)化應(yīng)用上的前景，以期達(dá)到中藥渣綠色處理的良性循環(huán)目的。

1 微生物轉(zhuǎn)化中藥渣的物質(zhì)基礎(chǔ)

1.1 營養(yǎng)成分

中藥渣中含有大量的營養(yǎng)成分，例如：粗纖維、粗蛋白、粗脂肪、氨基酸及微量元素等(表1)。而微生物產(chǎn)生的多種酶系(如纖維素酶、蛋白酶、果膠酶、脂肪酶)使得其可以充分利用中藥渣的營養(yǎng)成分用于生長和代謝，為中藥渣的微生物轉(zhuǎn)化再利用奠定了基礎(chǔ)。

表1 9種常見中藥渣的主要營養(yǎng)成分及微量元素含量

1.2 藥用成分

由于傳統(tǒng)提取方法單一，多數(shù)中藥渣經(jīng)一次提取后，仍然有約30%的藥用成分殘留在藥渣中[12]，因此很多中藥渣中殘留的藥用成分也往往十分豐富(表2)。這也為微生物轉(zhuǎn)化中藥渣的藥用成分提供了可能。

表2 中藥渣中殘留的藥用成分實(shí)例分析

2 微生物轉(zhuǎn)化中藥渣再利用研究現(xiàn)狀

2.1 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前中藥渣的微生物轉(zhuǎn)化在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最成功的應(yīng)用是利用中藥渣纖維空隙率高、易于菌絲體著生和繁殖等特點(diǎn)[19]，將其作為優(yōu)良的培養(yǎng)基質(zhì)用于各種食用菌的栽培(表3)。多項(xiàng)研究和實(shí)踐充分表明，富含淀粉、纖維素、多糖、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分的中藥渣是食用菌的優(yōu)良培養(yǎng)基[20-24]，可以節(jié)約食用菌栽培企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有較大的開發(fā)前景。

表3 中藥渣栽培食用菌的實(shí)例分析

普通化肥會造成土地板結(jié)、鹽漬化而引起農(nóng)作物產(chǎn)量減少、品質(zhì)降低[25]，尋找兼顧改善土壤理化性質(zhì)和提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及品質(zhì)的新型有機(jī)肥料成為研究的熱點(diǎn)。中藥渣中主要為植物成分，具有質(zhì)輕、通氣性好等特點(diǎn)，是一種輕基質(zhì)原料，又含有土壤所需的氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)等成分，是生態(tài)有機(jī)肥的潛在重要原料[26]。李秀穎等[27]以黃姜藥渣為主要原材料，添加巨大芽孢桿菌(Bacillusmegaterium)、膠質(zhì)芽孢桿菌(Bacillusmucilaginosus)、圓褐固氮菌(Azotobacterchroococcum)等有益微生物，輔以腐植酸鉀和沸石粉進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，獲得了符合標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)有機(jī)肥料。萬燕等[28]發(fā)現(xiàn)將婦科千金片復(fù)方中藥渣進(jìn)行堆肥發(fā)酵制備的有機(jī)肥能促進(jìn)中藥半夏的健壯生長，為半夏種植提供了一種生態(tài)、綠色的肥料來源。此外，Zhou等[29]在對食物殘?jiān)爸兴幵舶l(fā)酵制備有機(jī)堆肥的研究中發(fā)現(xiàn)，藥渣中的活性成分對微生物多樣性不產(chǎn)生明顯的影響，但可以誘導(dǎo)微生物的拮抗和寄生能力發(fā)生變化，從而提高中藥渣有機(jī)堆肥的抗病性。上述研究為利用微生物發(fā)酵中藥渣、開發(fā)生態(tài)有機(jī)堆肥提供了重要理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.2 在畜牧業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

中藥渣中不僅含有多種營養(yǎng)成分，還含有如生物堿、揮發(fā)油等多種藥效成分。雖然有些中藥渣可直接加工成飼料或者飼料添加劑，但是由于植物細(xì)胞壁的存在,致使許多殘留在細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)成分無法被非草食動物很好地吸收和利用，利用微生物尤其是益生菌發(fā)酵中藥渣，可以進(jìn)一步促進(jìn)關(guān)鍵營養(yǎng)成分的轉(zhuǎn)變并改善或產(chǎn)生有益的活性成分，制成的動物食用飼料或飼料添加劑(表4)不僅可以在一定程度上促進(jìn)動物生長發(fā)育，還能調(diào)節(jié)動物的免疫力，減少飼養(yǎng)過程中各類抗生素的使用，因此在減少環(huán)境污染、降低養(yǎng)殖企業(yè)成本和提高食品安全及經(jīng)濟(jì)效益等方面均具有較大的應(yīng)用潛力。

表4 微生物發(fā)酵中藥渣開發(fā)成飼料及飼料添加劑的實(shí)例

2.3 在生物能源領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題成為人類社會所面臨的共同挑戰(zhàn)，大力開發(fā)新能源尤其是可再生能源是許多國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。由于植物來源的中藥占中藥材總量的87%以上[36]，因此大部分中藥渣富含淀粉、半纖維素和纖維素等碳水化合物，可以通過多種預(yù)處理方法得到發(fā)酵糖，進(jìn)而用作制備沼氣、生物乙醇和生物油等生物能源的原料[37]。姚利等[38]對山楂、檳榔和枳實(shí)等混合藥渣進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)通過沼液堆漚預(yù)處理可在較短的時(shí)間內(nèi)高效發(fā)酵產(chǎn)沼氣。張?jiān)骑w等[39]以天冬、防己和生地的混合藥渣為原料，利用中藥渣富集馴化的厭氧沼氣發(fā)酵菌進(jìn)行預(yù)處理，可以大幅提高混合中藥渣的沼氣產(chǎn)率。這些應(yīng)用性研究為微生物轉(zhuǎn)化中藥渣以制備清潔能源提供了實(shí)踐依據(jù)。張英等[40]利用樹干畢赤酵母(Pichiastipitis)與釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)得到的融合菌株轉(zhuǎn)化黃芪藥渣來生產(chǎn)生物乙醇，發(fā)現(xiàn)在相同工藝路線下，融合菌株生產(chǎn)乙醇的能力較釀酒酵母菌強(qiáng)，乙醇的產(chǎn)量最高可達(dá)20.4 g/L，揭示了微生物循環(huán)利用中藥渣來制備生物燃料的潛在應(yīng)用前景。在生產(chǎn)生物乙醇的過程中，由于大部分中藥渣自身偏酸性，如果采用酸預(yù)處理，則后續(xù)需要消耗大量的堿液進(jìn)行中和。此外，堿預(yù)處理可去除藥渣中大部分木質(zhì)素，使其結(jié)構(gòu)變得疏松，提高產(chǎn)氣效果，故一般采用堿進(jìn)行預(yù)處理[38]，而玉米秸稈、大米草等生物質(zhì)則更適合酸預(yù)處理，以減少纖維素、半纖維素的分解損失[41]。

2.4 在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用

環(huán)境污染問題是21世紀(jì)全人類必須面對的問題。廢水中的重金屬嚴(yán)重影響著人類的健康，目前主要通過離子交換法、生物膜過濾法、化學(xué)沉淀法、活性炭吸附法及植物整治等技術(shù)去除水中重金屬，但這些方法存在成本高、化學(xué)試劑消耗量大等缺點(diǎn)，因此研究人員一直致力于尋找低成本的重金屬吸附劑[42-43]。曹飛麗等[44]通過黃孢原毛平革菌(Phanerochaetechrysosporium)對中藥渣進(jìn)行改性處理，使改性中藥渣的比表面積增大，在含有50 mg/L Cr6+的酸性廢水中(pH 2)加入5 g/L的改性中藥渣，在45 ℃下吸附20 h后對Cr6+的去除率達(dá)到99.5%，吸附量可達(dá)9.82 mg/g。王德馨等[45]利用假單胞菌(Psedudomonastrivialis)和四孢脈孢菌(Neurosporatetrasperma)對板藍(lán)根藥渣和梔子藥渣進(jìn)行發(fā)酵來制備生物絮凝劑，能夠?qū)Ω邘X土混懸溶液起到有效的絮凝作用。由此可見，在微生物的有效轉(zhuǎn)化和協(xié)助下，中藥渣可以被資源化利用來處理廢水，達(dá)到“以廢治廢”的效果。

2.5 在開發(fā)生物活性組分方面的應(yīng)用

中藥生物發(fā)酵是近年來中藥現(xiàn)代化研究的熱點(diǎn)方向之一，是現(xiàn)代生物技術(shù)和傳統(tǒng)中藥優(yōu)勢的完美結(jié)合，而微生物發(fā)酵中藥渣的反應(yīng)機(jī)制同發(fā)酵中藥材的機(jī)制基本一樣。Meng等[8]通過對幾種不同益生菌的耐酸、耐鹽和抗菌篩選，選擇植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)對健胃消食片藥渣進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)藥渣發(fā)酵的上清液在治療幽門螺桿菌(Helicobacterpylori)感染和抗生素誘導(dǎo)腹瀉[46]的小鼠模型中均表現(xiàn)出較好的活性。類似的，Zhao等[47]利用枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、米曲霉(Aspergillusoryzae)和植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)3種益生菌混合發(fā)酵健胃消食片藥渣，通過動物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明藥渣發(fā)酵上清液可以增加小鼠腸道菌群中有益菌的數(shù)量和多樣性，從而增強(qiáng)宿主的免疫反應(yīng)，對脾虛的治療有所幫助。竺利紅等[34]利用棘孢木霉(Trichodermaasperellum)發(fā)酵黃芪藥渣，不僅使黃芪甲苷在發(fā)酵液中的釋放量增加了4倍，而且發(fā)酵產(chǎn)物對變形桿菌(Proteus)、沙門氏桿菌(Salmonella)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和大腸桿菌(Escherichiacoli)等細(xì)菌表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用。Wen等[48]利用米曲霉對瓜蔞、厚樸、甘草和丹參的水提取殘?jiān)謩e進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后甲醇提取物的抗氧化活性明顯提高，并且對病原細(xì)菌具有廣譜抗菌活性。上述研究證明了通過微生物轉(zhuǎn)化來增強(qiáng)中藥渣的生物活性成分、提升其潛在附加值的可行性。

與中藥的微生物發(fā)酵炮制過程相似，微生物同樣可以利用生長和代謝過程中產(chǎn)生的豐富酶系對中藥渣的殘留藥用或活性成分進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化。Hsu等[49]利用靈芝菌(Ganodermalucidum)對人參藥渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵30 d后發(fā)現(xiàn)，靈芝菌不僅可以利用人參藥渣進(jìn)行生長繁殖，同時(shí)還可以對其中殘留的人參皂苷活性成分進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，最終使藥渣中人參皂苷Rg1、Rd、CK等具有重要藥用價(jià)值活性成分的含量均顯著升高，提高了人參藥渣的再利用附加值。類似的，在應(yīng)用靈芝菌分別對玄七通痹膠囊藥渣[50]和三七藥渣[22]進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵再利用的過程中，均發(fā)現(xiàn)了不同活性成分的生物轉(zhuǎn)化，例如在利用玄七通痹膠囊藥渣發(fā)酵時(shí)，靈芝菌中多糖組分和靈芝酸組分都產(chǎn)生了新活性成分。因此，利用微生物來對一些高價(jià)值中藥的藥渣進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，可以充分發(fā)掘和利用其中的有效成分，極大地提高了中藥渣的應(yīng)用附加值。

2.6 在生物工程和食品等其他領(lǐng)域的應(yīng)用

中藥渣還可以在生物工程和食品等領(lǐng)域進(jìn)行再利用。例如，岳鵬等[51]在研究真菌毛云芝菌(Coriolushirsutus)生產(chǎn)漆酶的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)在添加了包括大黃、麻黃和芍藥等在內(nèi)的不同藥渣進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵后均能提高毛云芝菌漆酶的產(chǎn)量，其中使用大黃藥渣的產(chǎn)酶酶活可達(dá)到4 828.2 U/mL，提高了近1.4倍。賀曉玉等[52]利用蛹蟲草菌(Cordycepsmilitaris)對五味子藥渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵，每克藥渣可使蟲草素產(chǎn)量達(dá)到5.12 mg，且發(fā)酵產(chǎn)物中多糖含量提高了24.97%。廖湘萍等[53]綜合利用酒糟及靈芝藥渣，經(jīng)酵母菌和醋酸桿菌(AcetobacteriumBalch)進(jìn)行半固態(tài)發(fā)酵，生產(chǎn)出醋酸總量在5%～6%的保健功能型食醋，具有普通食醋的營養(yǎng)成分和靈芝的藥用效果，可以調(diào)整人體生理機(jī)能。

3 結(jié)語與展望

中藥渣作為一種排放量巨大、有潛在價(jià)值的生物廢棄物，其循環(huán)利用的有效與否直接關(guān)乎我國中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，并對我國的環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。微生物作為自然界的“清道夫”，掌控著各類物質(zhì)的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，因此通過微生物來轉(zhuǎn)化利用中藥渣是一種切實(shí)可行、綠色環(huán)保的策略，并已在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)境、能源及醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了多元化應(yīng)用。但是，基于微生物轉(zhuǎn)化的中藥渣循環(huán)再利用目前仍處于探索階段，還有許多基礎(chǔ)性問題等待研究和開發(fā)。由于制藥企業(yè)的生產(chǎn)工藝和中藥產(chǎn)品的種類不同，導(dǎo)致中藥渣來源廣泛、成分復(fù)雜，很難采取單一或通用的微生物菌種進(jìn)行有效處理；而現(xiàn)有的可應(yīng)用于中藥渣再利用的微生物種類相對較少，或未進(jìn)行種屬鑒定，為后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)帶來很多障礙。此外，目前微生物對中藥渣的循環(huán)再利用還存在效率較低、成本較高等問題，使得中藥企業(yè)及社會對中藥渣的再利用積極性不高，如何探索出低成本、高附加值化的循環(huán)再利用模式就顯得尤為重要。

因此，我們應(yīng)加強(qiáng)對微生物轉(zhuǎn)化菌種的選育研究，篩選出更多能有效利用中藥渣的微生物菌種并進(jìn)行合理地組合，對不同組分中藥渣的再利用潛能進(jìn)行充分挖掘。同時(shí)，從分子和細(xì)胞水平闡明微生物對中藥渣的轉(zhuǎn)化機(jī)制研究，加強(qiáng)微生物轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)化和轉(zhuǎn)化效率的提高。在上述研究的基礎(chǔ)上，還可以通過合成生物學(xué)技術(shù)來構(gòu)建人工的微生物體系，實(shí)現(xiàn)對中藥渣的高效、低成本和高附加值再利用。通過微生物的生物轉(zhuǎn)化，可以使中藥渣得到多層次、多途徑、科學(xué)化、合理化的綜合利用，將中藥材種植基地、中藥生產(chǎn)企業(yè)和中藥渣處理進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，建立一種綠色、增值、可持續(xù)的資源循環(huán)模式，確保中藥資源利用價(jià)值最大化，在增加中藥產(chǎn)業(yè)競爭力和帶來良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也可以取得巨大的環(huán)境和社會效益。