張慶明 徐云燕 王璐
摘要 中藥產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展依賴(lài)于中藥資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展。在中藥資源深加工過(guò)程中不可避免產(chǎn)生了大量的廢棄物,這些廢棄物藥渣的粗放低值化利用造成了資源的巨大浪費(fèi)和環(huán)境污染。近年來(lái),應(yīng)用雙向發(fā)酵技術(shù)提升中藥藥渣的利用價(jià)值備受關(guān)注。現(xiàn)以中藥藥渣的生物轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ),探討藥渣雙向發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì),介紹了目前用于藥渣雙向發(fā)酵的主要微生物種類(lèi)及其轉(zhuǎn)化體系,并對(duì)中藥渣雙向發(fā)酵的發(fā)展前景進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞 中藥渣;雙向發(fā)酵;研究進(jìn)展;循環(huán)利用;新藥研制;微生物發(fā)酵;增加藥效;藥理
Abstract The development of Traditional Chinese Medicine (TCM) industry depended on the efficient utilization and sustainable development of Chinese medicine resources.Much waste was inevitably produced in the process of deep processing of Chinese medicine,the extensive and low-value utilization of these waste medicine residues brought a huge waste and environmental pollution.In recent years,the application of bi-directional fermentation technology on improving the utilization of Chinese medicine residue has attracted much attention.Based on the biological transformation of Chinese medicine dregs,this paper discusses the characteristics and advantages of the two-way fermentation technology of Chinese medicine dregs,introduces the main types of microorganisms currently used in the two-way fermentation of dregs and their transformation systems,and discusses the development prospects of two-way fermentation of Chinese medicine dregs.
Keywords Chinese Medicine residue; Bi-directional fermentation;Research progress; Recycling; New drug development; Microbial fermentation; Increased efficacy; Pharmacology
中圖分類(lèi)號(hào):R282文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi:10.3969/j.issn.1673-7202.2021.07.025
中藥材是我國(guó)自然資源的重要組成部分,其稀缺性和有限性制約著我國(guó)中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在中藥材深加工的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物,據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)藥渣的年排放量達(dá)6 000萬(wàn)~7 000萬(wàn)噸[1],這些中藥渣一般為濕物料,長(zhǎng)期堆置不處理極易腐壞,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。此外,受提取和精制技術(shù)的限制,中藥材的利用效率較低,藥渣中除含有大量的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外,還含有各類(lèi)生物堿、萜類(lèi)、黃酮類(lèi)和醌類(lèi)等生物活性物質(zhì)[2]。因此,利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和集成技術(shù),開(kāi)展中藥渣精細(xì)高值化利用的研究,并開(kāi)發(fā)系列資源性產(chǎn)品,成為了實(shí)現(xiàn)中藥資源高效綜合利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)前中藥渣的再利用研究主要集中在:飼料和飼料添加劑、栽培食用菌、微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化、催化熱解制取生物油等方面[3-4]。其中,微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化屬于中藥二次開(kāi)發(fā)的范疇,是中藥渣高值化利用的重要途徑?,F(xiàn)將對(duì)雙向發(fā)酵技術(shù)在中藥渣開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
1 雙向發(fā)酵技術(shù)的特點(diǎn)
發(fā)酵是一種傳統(tǒng)的中藥炮制方法,早在1 000多年前古人就將發(fā)酵技術(shù)用于半夏曲、紅曲等中藥制品的加工,但傳統(tǒng)中藥發(fā)酵制品是混合菌株開(kāi)放式發(fā)酵轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物,整個(gè)發(fā)酵過(guò)程受環(huán)境、菌株類(lèi)型影響極大。20世紀(jì)80年代莊毅等[5]提出將現(xiàn)代微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)與中藥資源有機(jī)結(jié)合,利用藥用真菌發(fā)酵具有活性成分的中藥材,使得菌株的發(fā)酵過(guò)程具有“雙向性”(圖1),即利用微生物所產(chǎn)生的酶以外源性的中藥化合物作為底物進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。微生物中豐富多樣的酶系可以對(duì)中藥中皂苷類(lèi)、黃酮類(lèi)、生物堿及內(nèi)酯類(lèi)等多種化合物進(jìn)行修飾和轉(zhuǎn)化[6]。目前,多國(guó)研究者已利用毛霉、青霉、曲霉等微生物轉(zhuǎn)化了人參皂苷、黃芩苷、葛根素、穿心蓮內(nèi)酯等多種化合物,具有提高化合物活性、降低毒性、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及獲得新化合物等多種效果[7-8]。因此,基于雙向發(fā)酵技術(shù)的中藥渣開(kāi)發(fā),不僅符合當(dāng)下綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)藥渣的循環(huán)利用,還能為中藥二次開(kāi)發(fā)、新藥研制等開(kāi)辟一條新途徑,提高中藥生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[9]。
2 微生物發(fā)酵中藥渣的優(yōu)勢(shì)
2.1 促進(jìn)有效成分析出,提高活性物質(zhì)回收利用率
植物類(lèi)中藥材的有效成分多存在于植物細(xì)胞質(zhì)中,有效介質(zhì)向提取介質(zhì)中擴(kuò)散時(shí),需要克服細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞壁的雙重阻力,因此許多中藥材經(jīng)提取加工后,藥渣中仍然殘留了大量的活性物質(zhì)。微生物生長(zhǎng)過(guò)程中,能分泌出多種使細(xì)胞破裂的酶,包括蛋白酶、纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶及果膠酶等,這些酶能破壞細(xì)胞壁的完整性和致密性,極大提高中藥渣中有效成分的提取效率。周勇等[10]利用芽孢桿菌、乳酸桿菌和酵母菌的混合菌株對(duì)復(fù)合中藥渣進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,顯著提高了多糖的提取效率。王兵等[11]研究表明,白腐菌在中藥渣上發(fā)酵后,蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比直接提取提高了71%。韓愈杰等[12]利用3種復(fù)合菌劑發(fā)酵雙黃連藥渣,連翹苷的提取率提高了116%,該研究為生物發(fā)酵可增強(qiáng)中藥渣中活性物質(zhì)的釋放提供了數(shù)據(jù)支持。
2.2 增加藥效及產(chǎn)生新的活性物質(zhì)
微生物利用其生長(zhǎng)代謝中產(chǎn)生的豐富酶系對(duì)藥渣中的某些成分可進(jìn)行脫氫、羥化、環(huán)化、糖基化、乙酰化等多種反應(yīng),從而提高活性物質(zhì)的藥效或形成新的活性物質(zhì)[13]。我們利用靈芝菌分別發(fā)酵轉(zhuǎn)化玄七通痹膠囊藥渣和感冒清熱顆粒藥渣,結(jié)果表明玄七痛痹膠囊藥渣發(fā)酵前后多糖組分和靈芝酸組分都產(chǎn)生了新物質(zhì)的生成[14],而在感冒清熱顆粒藥渣的藥性基質(zhì)中,主要活性成分多糖和靈芝酸的含量顯著增加[15]。Hsu等[16]利用靈芝菌轉(zhuǎn)化人參萃取殘?jiān)?,發(fā)酵后殘?jiān)性碥誖g1、Rg3和CK含量有所增加,而Rb1、Rc、Re和Rh2含量減少,這不僅解決了人參殘?jiān)幚淼膯?wèn)題,還為人參皂苷的定向生物轉(zhuǎn)化提供新方向。張艷聰?shù)萚17]探討了蟬擬青霉-甘草渣雙向發(fā)酵過(guò)程中生物活性物質(zhì)的變化機(jī)制,結(jié)果表明,經(jīng)蟬擬青霉發(fā)酵后,甘草渣中有效成分的提取率增加,且甘草渣中總黃酮類(lèi)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了顯著變化。竺利紅等[18]利用棘孢木霉發(fā)酵黃芪藥渣,研究表明黃芪藥渣經(jīng)發(fā)酵后,細(xì)胞壁被降解破壞,發(fā)酵產(chǎn)物中黃芪甲苷比原料直接提取提高了5倍,此外還產(chǎn)生了具有抑菌作用的新活性物質(zhì)。Wen等[19]以瓜蔞、厚樸、甘草及丹參的水提殘?jiān)鼮樵?,進(jìn)行米曲霉固態(tài)發(fā)酵,研究表明發(fā)酵產(chǎn)物的甲醇提取物中化學(xué)組分和性質(zhì)發(fā)生了變化,預(yù)示產(chǎn)生了新的化學(xué)物質(zhì),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),發(fā)酵產(chǎn)物的抗氧化活性高于未發(fā)酵的對(duì)照組,且對(duì)病原菌具有廣譜抗菌活性。通過(guò)微生物生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化中藥渣,在雙向發(fā)酵作用下,往往能提高了菌質(zhì)中主要活性物質(zhì)的產(chǎn)量,提高藥效,更重要的是能形成新的化合物,為有效活性物質(zhì)的篩選提供新途徑,在新藥的研發(fā)領(lǐng)域具有極大的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
2.3 發(fā)展畜禽飼料或飼料添加劑
隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展,蛋白飼料短缺已成為世界性難題。經(jīng)過(guò)提取利用后的中藥渣,仍含有一定的粗蛋白、粗多糖、氨基酸、微量元素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),但由于粗纖維含量高、不易消化、適口性差等缺陷,限制了藥渣在動(dòng)物養(yǎng)殖方面的應(yīng)用。利用微生物對(duì)中藥渣進(jìn)行低成本的發(fā)酵處理,能較好的松散纖維素結(jié)構(gòu),利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放,還能將纖維素和半纖維素組分降解成易利用的小分子糖類(lèi)物質(zhì),同時(shí)可將藥渣的組織器官轉(zhuǎn)化為菌體蛋白,從而滿(mǎn)足蛋白飼料的要求,大幅度提高藥渣的利用價(jià)值[20]。如孫曉燕等[21]利用混合菌劑發(fā)酵復(fù)方中藥藥渣,并檢測(cè)了藥渣中各物質(zhì)的含量,結(jié)果表明藥渣經(jīng)發(fā)酵后粗纖維和灰分含量降低,而粗蛋白、各種有機(jī)酸等有益組分的含量增加,有望作為發(fā)酵飼料在養(yǎng)殖業(yè)中替代普通飼料。陳鑫等[22]以紅芪藥渣為原料,利用白腐菌/酵母混合菌進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,發(fā)酵產(chǎn)物中真蛋白含量提高了101%,粗纖維含量降低了34.7%,為富含多糖、蛋白的生物飼料開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)支撐。侯海鋒和李茜[23]利用混合菌發(fā)酵由白頭翁、黃連、黃柏、秦皮等組成的復(fù)方藥渣,發(fā)酵產(chǎn)物替代飼用抗生素用于斷奶仔豬飼料添加劑,結(jié)果表明發(fā)酵藥渣能提高斷奶仔豬的生長(zhǎng)性、抗氧化能力和免疫力,效果優(yōu)于抗生素。
3 中藥渣雙向發(fā)酵的主要菌株及其轉(zhuǎn)化體系
不同的微生物菌株具有不同的酶系特性,決定了其生理特征、代謝途徑和產(chǎn)物類(lèi)型。用于藥渣雙向發(fā)酵的菌株從種類(lèi)上可分為細(xì)菌、酵母菌和真菌,從方式上可分為單菌發(fā)酵和混合菌發(fā)酵。
單一菌株發(fā)酵具有發(fā)酵體系易于調(diào)控和產(chǎn)物較為簡(jiǎn)單等多種優(yōu)勢(shì),是雙向發(fā)酵研究中主要采用的發(fā)酵方式。目前研究者進(jìn)行單菌發(fā)酵中利用最多的是真菌,包括靈芝菌、蟲(chóng)草菌、康寧木霉、白腐菌和黑曲霉等[20]。靈芝菌是一種珍貴的藥用真菌,其生長(zhǎng)代謝中能產(chǎn)生包括多糖、靈芝酸、腺苷等多種活性物質(zhì),此外其生長(zhǎng)過(guò)程中能產(chǎn)生大量的纖維素酶和半纖維素酶,對(duì)植物組織有極好的降解和結(jié)構(gòu)松散作用。相對(duì)真菌而言,現(xiàn)在以細(xì)菌或酵母菌單一菌株發(fā)酵中藥渣的研究較少,楊東川等[24]利用枯草芽孢桿菌發(fā)酵紅參藥渣,并探討了發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)小鼠生長(zhǎng)和繁殖能力的影響。練高登等[25]利用酵母菌發(fā)酵轉(zhuǎn)化人參藥渣并初步優(yōu)化發(fā)酵工藝,結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)改善磷酸銨誘導(dǎo)的小鼠黏膜損傷和提高機(jī)體免疫力具有顯著作用。
多菌種混合發(fā)酵的作用效果常常比單一菌種更好,其原因可能是多菌種間的協(xié)同效果,例如真菌與酵母菌的混菌發(fā)酵,一方面真菌具有較強(qiáng)的纖維素和半纖維素降解能力,為酵母菌提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境和碳源,即可以促進(jìn)酵母菌生長(zhǎng)又減輕了產(chǎn)物抑制效應(yīng),促使真菌更好生長(zhǎng),從而使得菌質(zhì)的蛋白質(zhì)含量和營(yíng)養(yǎng)功能均得到提高。目前研究者選用康寧木霉、白腐菌、綠色木霉、產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母、枯草芽孢桿菌、各類(lèi)乳桿菌及丁酸梭菌等微生物進(jìn)行藥渣混合發(fā)酵。譚顯東等[26-27]針對(duì)三七藥渣的利用,開(kāi)展了真菌和酵母混菌發(fā)酵的系列深入的研究,所利用的真菌包括康寧木霉、綠色木霉、白腐菌、黑曲霉和米曲霉,選用的酵母包括產(chǎn)朊假絲酵母、釀酒酵母和熱帶假絲酵母,并建立了菌株生長(zhǎng)、真蛋白含量變化及植物多糖降解的動(dòng)力學(xué)曲線,證實(shí)酵母菌與真菌之間存在交互作用,混菌體系對(duì)真蛋白含量的增長(zhǎng)作用更大。一些其他的研究則完全利用細(xì)菌組成混合菌株,進(jìn)行中藥渣的雙向發(fā)酵,所采用的菌株基本是人腸道益生菌,具有安全無(wú)毒和強(qiáng)大的物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力等優(yōu)勢(shì)。蘇家宜等[28]利用含有枯草芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌和丁酸梭菌的復(fù)合菌種發(fā)酵中藥渣,菌質(zhì)在保護(hù)肝臟、調(diào)節(jié)血脂濃度等方面均有一定療效。鄧侃等[29]考察了益生微生物在健胃消食片藥渣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用,最終發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳酸桿菌和長(zhǎng)雙歧桿菌混合菌發(fā)酵藥渣的菌質(zhì)具有最佳的藥理活性。
4 中藥渣微生物轉(zhuǎn)化的主要藥理活性
我國(guó)中藥資源豐富,藥渣種類(lèi)繁多,經(jīng)微生物雙向發(fā)酵后,最終產(chǎn)物兼具了藥渣和微生物代謝的物質(zhì)基礎(chǔ),往往能產(chǎn)生提高免疫力、抗氧化及抗菌等多種生理活性。
4.1 提高機(jī)體免疫力
研究表明,藥渣的發(fā)酵產(chǎn)物往往具有提高機(jī)體免疫等作用。研究發(fā)現(xiàn),黃芪藥渣-酵母雙向發(fā)酵產(chǎn)物能顯著提高糖尿病大鼠體內(nèi)免疫球蛋白、白細(xì)胞介素-2、胰島素水平,在降低糖尿病大鼠空腹血糖的同時(shí),提高了大鼠機(jī)體免疫力[30]。羅杰等[31]利用蛹蟲(chóng)草菌發(fā)酵五味子藥渣,進(jìn)而考察發(fā)酵菌質(zhì)對(duì)斷奶仔豬免疫力的影響,結(jié)果表明,發(fā)酵產(chǎn)物提高了仔豬脾臟CD3+、CD3+/CD4+值,同時(shí)脾臟淋巴細(xì)胞增殖指數(shù)和血清免疫球蛋白IgA、IgG和IgM含量均顯著提高。
4.2 提高機(jī)體抗氧化能力
研究表明藥渣雙向發(fā)酵菌質(zhì)含有大量清除自由基的活性物質(zhì),在提高機(jī)體抗氧化活性方面具有顯著的應(yīng)用潛力。研究發(fā)現(xiàn),金蓮花藥渣發(fā)酵物能顯著提高肉雞血液中超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性,同時(shí)還能顯著降低血清中丙二醛的含量,表明金蓮花藥渣發(fā)酵物能顯著提高肉雞的抗氧化能力[32]。復(fù)合中藥渣的發(fā)酵產(chǎn)物能顯著提高仔豬血清中的谷胱甘肽含量,增加過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性[33-34]。紅參藥渣通過(guò)發(fā)酵后所得產(chǎn)物可以增強(qiáng)雌性大鼠的抗氧化能力,影響脂質(zhì)代謝,并能提高脾臟、胸腺指數(shù)[35]。
4.3 產(chǎn)生抗菌物質(zhì)
隨著細(xì)菌耐藥性問(wèn)題的日趨嚴(yán)重,尋找高效、低毒且抗耐藥性的抗菌物質(zhì)迫在眉睫。許多研究報(bào)道證實(shí)中藥具有良好的抗菌作用,且不易出現(xiàn)耐藥性。在這些發(fā)現(xiàn)的啟示下,一些研究者關(guān)注到了藥渣雙向發(fā)酵菌質(zhì)的抗菌作用。研究發(fā)現(xiàn)金蓮花藥渣的雙向發(fā)酵產(chǎn)物對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有明顯的抑菌和殺菌作用,但是對(duì)綠膿桿菌的作用較弱[36]。金蓮花藥渣的發(fā)酵產(chǎn)物不僅能協(xié)同增強(qiáng)氟康唑抗白念珠菌的作用,其本身也對(duì)白念珠菌具有較強(qiáng)的抑殺作用[37]。
5 展望
雙向發(fā)酵技術(shù)在藥渣的增效資源化利用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但絕大部分研究工作仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段,缺乏現(xiàn)實(shí)工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用,仍需要在以下幾方面開(kāi)展深入研究。1)拓展菌種應(yīng)用種類(lèi)、強(qiáng)化菌株選育。優(yōu)良的微生物菌種是中藥渣雙向發(fā)酵體系高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。目前應(yīng)用于中藥渣轉(zhuǎn)化的微生物主要集中在藥用真菌包括靈芝菌和蟲(chóng)草菌,真菌的曲霉屬、根霉屬、毛霉屬以及細(xì)菌的枯草芽孢桿菌、乳酸菌和丁酸菌和酵母菌,應(yīng)用的微生物種類(lèi)相對(duì)較少,應(yīng)用更多不同的微生物,將豐富中藥渣的轉(zhuǎn)化體系和產(chǎn)物類(lèi)型,拓展轉(zhuǎn)化菌質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域。2)中藥渣利用種類(lèi)的拓展。中成藥往往是多種藥材共同煎煮,這使得藥渣組成復(fù)雜,而即使同一種中成藥,其加工方式不同,藥材來(lái)源不同,藥渣性質(zhì)也不盡相同?,F(xiàn)階段對(duì)藥渣的轉(zhuǎn)化利用基本針對(duì)某種單味中成藥的中藥渣進(jìn)行研究,體系相對(duì)較為簡(jiǎn)單,因此針對(duì)復(fù)合中藥渣開(kāi)展微生物轉(zhuǎn)化研究,將拓寬雙向發(fā)酵技術(shù)在中藥渣資源化利用中的應(yīng)用。3)微生物轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究。中藥渣成分復(fù)雜,既含有纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),又含有萜類(lèi)、黃酮類(lèi)、生物堿類(lèi)等活性物質(zhì),系統(tǒng)研究微生物在中藥渣上的生長(zhǎng)規(guī)律、代謝特性和轉(zhuǎn)化類(lèi)型,闡明中藥渣活性成分和轉(zhuǎn)化產(chǎn)物間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,確定參與轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶,從細(xì)胞和分子水平闡明微生物對(duì)中藥渣轉(zhuǎn)化機(jī)制,將為中藥渣高效轉(zhuǎn)化以及定向合成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物奠定基礎(chǔ),同時(shí)為藥渣的高值化利用提供指導(dǎo)。4)雙向發(fā)酵轉(zhuǎn)化體系調(diào)控技術(shù)的研究。在微生物轉(zhuǎn)化中藥渣的過(guò)程中,環(huán)境因素如溫度、pH、轉(zhuǎn)化時(shí)間以及培養(yǎng)基組成等都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)化效果產(chǎn)生較大影響,尤其是在復(fù)合菌株轉(zhuǎn)化體系中,如何實(shí)現(xiàn)不同微生物的協(xié)同高效生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化尤為重要,通過(guò)對(duì)培養(yǎng)方式、培養(yǎng)設(shè)備、轉(zhuǎn)化體系調(diào)控技術(shù)等研究,建立中藥渣高效、低成本的轉(zhuǎn)化技術(shù)將為中藥渣規(guī)?;?、高值化利用奠定基礎(chǔ)。
綜上所述,中藥渣的微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化是一項(xiàng)涉及多領(lǐng)域、多學(xué)科的集成性工程。面向不同中藥渣的理化性質(zhì)和化學(xué)組成,科學(xué)合理的構(gòu)建其雙向發(fā)酵體系,對(duì)衍生中藥資源的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈和實(shí)現(xiàn)我國(guó)中藥產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。
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(2020-04-27收稿 責(zé)任編輯:楊覺(jué)雄)