生物转化技术在中药研究中的应用

２０１２年２月第１４卷第２期　中国现代中药Ｍｏｄｅｍ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ　Ｆｅｂ．２０１２　Ｖｏ１．１４　Ｎｏ．２　

生物转化技术在中药研究中的应用△　

邱海龙，陈建伟　，李祥　

（南京中医药大学药学院，江苏　南京　２１００４６）　

［摘要］　近年来的研究表明，生物转化技术不仅能改变中药中主要成分的含量、活性物质的结构，扩大药源　范围，亦能对有毒中药进行持效减毒。本文以部分中药材种类为例，分别从侧重于改变主要成分含量、改变单一化　合物结构、扩大药源和对有毒中药持效减毒等方面介绍生物转化技术在中药研究中的应用。　［关键词］　生物转化；中药；单一成分；药源；持效减毒　

生物转化（Ｂｉｏｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ），也称生物催化　

（Ｂｉｏｃａｔａｌｙｓｉｓ），是利用植物离体培养细胞或器官、　

动物、微生物及细胞器等生物体系对外源底物进行　

结构修饰而获得有价值产物的生理生化反应，其本　质是利用生物体系本身所产生的酶对外源化合物进　

行的酶催化反应。它具有反应选择性强、条件温和、　

副产物少、环保和后处理简单等一般传统炮制方法　

所不能比拟的优点，并且可以进行传统化学合成所　

不能或很难进行的化学反应　Ｊ。　

生物转化技术与中药历史渊源已久，隋唐时期　

就出现了中药发酵初级产品——“神曲”　。生物　

转化技术应用于毒性中药的炮制古已有之。《本草纲　

目》日：“半夏研末，以姜汁、白矾汤和作饼，楮　

叶包置篮中，待生黄衣，晒干用，谓之半夏曲”　。　

即用天然的混合菌群处理半夏，伴以其他中药作为　

辅料，在发酵过程中使它们共同成为药性基质，最　

终发酵形成具有一定功效的以半夏为主的炮制品（半　

夏曲）。　

生物转化体系分为微生物生物转化系统及植物　生物转化系统。微生物转化是以细菌、霉菌等微生　

物为体系对外源底物进行结构修饰的化学反应，其　

实质是利用微生物体内的酶对外源化合物进行催化　反应。微生物种类繁多，分布广，繁殖快，易变异，　

对自然环境的变化有极强的适应能力，含有丰富的　

酶。利用微生物及其产生的酶进行生物转化能够产　

生许多有用的化合物　Ｊ。该方法具有生物量倍增时　

间短，微生物的基因操作方法已广泛建立等优点。　

以微生物转化技术为先导建立起来的植物生物转　化　Ｊ，是利用植物、植物组织培养体或从植物体系　

提取的酶进行的生物转化，能够用来进行生物转化　

的底物种类众多，几乎包括所有的天然产物，如生　

物碱类、香豆素类等，一些合成产物也可以进行生　物转化　ｊ。植物生物转化系统与微生物生物转化系　

统相比，生物量倍增时间长，产生酶的种类较少且　

量也较低。但植物生物转化亦有其独特之处：植物　

中有许多独特的酶，而微生物中不具有，它们可以　

催化一定的反应生成许多复杂的化合物，甚至是新　化合物　。　

有研究报道显示，生物转化技术不仅能改变中　

药中主要成分的含量、活性物质的结构，扩大药源　范围，亦能对有毒中药进行持效减毒　Ｊ。但关于　

转化机制研究则尚未成熟，需要努力挖掘其中的关　键酶及代谢过程，才能搞清楚其转化的过程及规律，　

从而完善生物转化技术的理论及应用。本文以部分　

中药材种类为例，分别从侧重于改变主要成分含量、　改变单一化合物结构、扩大药源和对有毒中药持效　

减毒等方面介绍生物转化技术在中药研究中的应用。　

１　生物转化技术对中药主要成分含量的改变　

１．１植物药　

药材五倍子中主要含有鞣质、没食子酸等物质。　

鞣质经过肠道时会与蛋白质结合而降低药物作用。　

为了克服这一缺点，郑利华等　采用含有根霉菌和　

Ｌ．赖氨酸等的酵曲发酵五倍子，形成更多的Ｌ一赖氨　酸。由于Ｌ　赖氨酸能促进胃肠道黏膜吸收食物中的　

蛋白质，有效地避免鞣酸在胃肠道内竞争性消耗，　

从而提高了五倍子的收敛作用。瞿燕等　通过对五　

［基金项目］　江苏高校优势学科建设工程资助项目（ｙｓｘｋ－２０１０）　［通讯作者］　陈建伟，Ｔｅｌ：（０２５）８５８１１６９５，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｊｗ６９５＠１２６：ｃｏｎｌ　

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　２０１２年２月　第１４卷第２期　中国现代中药Ｍｏｄｅｍ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ　Ｆｅｂ．２０１２　Ｖｏ１．１４　Ｎｏ．２　

倍子生品、发酵品中没食子酸的含量测定，发现发酵　

品中没食子酸的含量高，抗菌和祛痰作用强于生品。　

大黄中结合型蒽醌是泻下作用的主要有效成分，　游离型蒽醌泻下作用极弱。戴万生等＿１叫用酒精酵　

母、面包酵母对大黄进行分别发酵１６　ｄ后，结合型　

蒽醌含量明显降低，游离型蒽醌含量大大提高，提　

示发酵能使大黄中的结合型蒽醌转化为游离型蒽醌，　

从而缓解大黄的泻下作用。　

三七的根中有效成分为皂苷。Ｌｉ等　采用枯草　芽孢杆菌对三七根进行发酵，结果发现，发酵后的　

三七中含有发酵前三七根中所没有的人参皂苷Ｒｈ　，　

说明它是通过发酵由其他成分转化而成的。　甘草经加工后产生大量残渣。李艳宾等¨　研究　

菌种发酵处理对甘草渣中黄酮类化合物提取的影响，　结果表明，与乙醇直接提取法相比，经微生物发酵　

处理能有效提高甘草黄酮的得率，其中经白腐菌、　

纤维素分解菌发酵后黄酮得率分别为０．８９％、　

０．８７％，比乙醇直接提取法的黄酮得率（０．６６％）提　

高了３４．８５％、３１．８２％；白腐菌与纤维素分解菌混　合发酵处理，黄酮得率达到１．３２％，与乙醇直接提　

取法相比提高了１００％。　陈易彬等Ｌ１　采用湿热法、氧化法、生物发酵法　

等方法对银杏叶进行处理，考察不同的处理方法对　

提取银杏叶黄酮含量的影响，结果生物发酵法所得　

银杏叶黄酮的含量为７．９７％，高于其他几种方法。　

表明，生物发酵法对银杏叶黄酮的作用明显，能够　

提高银杏叶黄酮的含量。　１．２动物药　

斑蝥素是昆虫类中药斑蝥体内的有毒物质，亦　

是斑蝥抗癌作用的主要有效成分　。临床研究表　

明，斑蝥素有显著的抗癌作用，对肝癌、食道癌、　

胃癌、肺癌等均有抑制效果，但斑蝥素的毒副作用　较大　。　刘高强等＿１　采用微生物转化法对斑蝥素进行结　

构改造研究，发酵结束后，采用毛细管气相色谱法　

对药用真菌培养液中斑蝥素的含量进行了测定，结　

果显示，灵斑菌质等发酵液中斑蝥素的含量较原药　

材有显著降低。　１．３矿物药　

屠娟等　发现发酵工业废水的黑根霉菌对铅、　

锰、镉、铜有很好的吸附作用，且经化学改性的黑　

根霉能不同程度地提升吸附能力。这对于含铅等中　药，如铅丹、密陀僧、黑锡丹等发酵减毒值得深入　

研究。　

．４・　２生物转化技术对单一化合物的结构转化　

２．１生物碱类　

士的宁是马钱子成熟种子的主要毒性成分。潘　扬等¨　通过真菌发酵技术对马钱子进行生物转化，　

发现所产生的药性菌质中马钱子类生物碱成分发生　

了质和量的明显变化，并在生物碱ＨＰＬＣ图中可看出　

多个含量变化较大的或新产生的未知成分。结构鉴定　表明，士的宁、马钱子碱都被转化为各自氮氧化物。　

２．２有机酸类　刘莹等ｌ１　利用２５种真菌对齐墩果酸进行生物　

转化，经ＨＰＬＣ检测，发现其中有５种真菌对齐墩　

果酸有转化，测得的转化率分别为５６．２％、６９．７％、　

７７．９％、８１．６％、８３．０％。　关木通的茎藤等含有马兜铃酸，这类物质具肝　

‘肾毒性和致癌作用。郭永超等　选取短刺小克银汉　

霉菌对毒性较强的马兜铃酸Ａ（ＡＡ　）和马兜铃酸Ｂ　（ＡＡ　６）进行转化研究，结果发现，发酵液中主要　

的转化产物是ＡＡ　的去甲基化物（ＡＡ　ａ），该产物　与报道的哺乳动物在摄人ＡＡ　后尿中发现的一种　

代谢产物结构相同。　

天然香兰素一直是香精香料行业关注的重点。　董长颖等＿２ｑ通过研究发现，链霉菌Ｌ１９３６能将阿魏　

酸转化为香兰素，研究结果显示，链霉菌Ｌ１９３６能　

够将６　ｇ・Ｌ　阿魏酸转化为２．０２　ｇ・Ｌ　香兰素，相应　的摩尔转化率为４２．９７％。　此外，赵丹等＿２２　研究观察了１５０种真菌对丹参　

酚酸Ｂ进行的转化，结果发现一株真菌可高产率转　化丹参酚酸Ｂ，转化后得到新的酚酸类活性物质原　

紫草酸。马晶等　采用刺囊毛霉ＡＳ３．３４５０对甘草　次酸进行微生物转化研究，生成的主产物经分析鉴　

定为７ＪｌＢ一羟基甘草次酸。　

２．３内酯类　

雷公藤去皮的根所含主要有效成分和有毒成分　为雷公藤甲素、雷公藤内酯酮等内酯化合物。叶敏　

等　利用微生物转化技术对雷公藤甲素和雷公藤内　

酯酮进行生物转化，共得到１７个产物，其中ｌ１个　

为新化合物，体外筛选结果表明大多数转化产物表　现出较强的细胞毒活性。　

据研究报道，短刺小克银汉霉能转化雷公藤甲　

素，产物种类较多。其中羟基化酶起主要作用，能　

分别在不同的甲基、亚甲基和次甲基位点上进行单　羟基化反应，分别得到５　．羟基雷公藤甲素、１９ａ．羟　

基雷公藤甲素、１９／３一羟基雷公藤甲素、１　－羟基雷公　

藤甲素、雷公藤乙素、１６一

羟基雷公藤甲素、雷醇内　２０１２年２月第１４卷第２期　中国现代中药Ｍｏｄｅｍ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ　Ｆｅｂ．２０１２￣ｏ１．１４　Ｎｏ．２　

酯，其中前４个物质为新化合物　。　

２．４苷类　

李于善等　以自三峡白首乌提取分离得到的　

ｃ：。甾苷元告达庭甾苷元和开德甾苷元作为底物，采　

用黑根霉和赭曲霉两种微生物在水　正丁醇双相体系　

中，以连续转化或同步转化的方法制备Ｃ　０【．羟基化　的白首乌Ｃ　甾苷元告达庭甾苷元和开德甾苷元。包　

海鹰等　利用菌种黑根霉对人参皂苷Ｒｅ进行生物　

转化，转化后的人参皂苷发酵产物中含有人参皂苷　

Ｒｇ：及Ｒｇ：的同分异构体和人参皂苷Ｒｇ　／Ｒｋ　。白龙　

律等　利用１８种菌株对人参皂苷Ｒｂ　进行生物转　

化研究，结果发现一种绿毛状ＧＹ－０６菌扩展青霉能　够使得人参皂苷Ｒｂ　有效地转化为Ｒ　。田天丽　

等　从中药材虎杖中筛选到一株具有转化虎杖苷能　

力的根霉菌株Ｔ一３４，利用该菌株产生的　一葡萄糖苷　

酶能将虎杖苷转化为白藜芦醇，并测得虎杖苷的转　化率达９８％。王永宏等Ｌ３叫筛选到一株产葡萄糖苷酶　

酶活可达到８．２　Ｕ・ｍＬ　的青霉，并优化了发酵转化　

条件，使得栀子中主要成分京尼平苷转化成具直接　作用的有效成分京尼平，转化率可达到９５％以上。　

２．５其他　

柠檬苦素类化合物是三萜类植物次生代谢产物，　

主要分布于芸香科和楝科植物中，尤其在柑橘属植　物中，此类化合物含量较为丰富。黄柏酮是白鲜皮　

中含量较高的一个柠檬苦素类化合物，可使昆虫产　

生拒食行为　，并能使具有抑制微管作用的抗肿瘤　药（如长春新碱）的活性增强＿３引。为了研究微生物　

对柠檬苦素类化合物的转化作用，杨若林等　３＿应用　

黑曲霉等真菌对黄柏酮进行了转化试验，结果表明　雅致小克银汉霉在培养温度低于３Ｏ。《二时可以催化黄　

柏酮的结构转化，使其Ｃ一１　１位被羟基化。　孙敏鸽等　使用荨麻青霉对莪术醇进行生物转　

化研究。结果分离得到２个化合物，分别为３。　．羟　

基莪术醇和１　１一Ｒ一１２一羟基莪术醇。赵明强等　利用　人参毛状根可对外源氢醌进行转化得到熊果苷产物。　蔡洁等　刮利用人参毛状根将外源对羟基苯甲醇转化　

为天麻素，为工业化生产人参属植物所不能合成的　熊果苷、天麻素等天然化合物奠定了基础。Ｈｉｒａｔａ　等＿３　利用烟草植物悬浮培养细胞对羟基香豆素进行　

转化，得到相应的　一Ｄ一葡萄糖苷产物。为了增加芝　

麻酚的水溶性，有学者利用烟草悬浮培养细胞和桉　

树悬浮培养细胞对其进行生物转化　。结果，烟草　悬浮培养细胞转化芝麻酚得到芝麻酚　．Ｄ删：喃葡萄　

糖苷和芝麻酚　一龙胆二糖苷，桉树悬浮培养细胞对　其进行生物转化得到芝麻酚　一Ｄ．吡喃葡萄糖苷和芝　麻酚移芸香糖苷。　

３生物转化技术对药源范围的扩大　

３．１紫杉醇　

紫杉醇是从红豆杉属植物的树皮中分离提取到　

的一种二萜类化合物，亦是继阿霉素和顺铂后备受　青睐的抗癌药，但其来源一直缺乏　。美国施贵宝　

公司Ｐａｔｅｌ等利用微生物转化方法进行紫杉醇的半合　成，他们分别从白色类诺卡菌、藤黄类诺卡菌、莫　

拉菌的发酵液中分离得到ｃ．１３紫杉醇酶、Ｃ－７木糖　

苷酶和ｃ－１０去乙酰酶，分别将红豆杉中的几种紫杉　烷如巴卡亭Ⅲ、紫杉醇Ｃ、ｃｅｐｈａｌｏｍａｎｎｉｅ、１０一去乙　

酰基紫杉醇等的７，１０，１３位进行水解，得到较多　而单一的１０　去乙酰一巴卡亭３，该产物为紫杉醇合成　

的重要前体化合物，再利用化学反应，连接上１３位　

的侧链，即可得到紫杉醇　。这提示了生物转化　技术有利于紫杉醇前体物质的得到，从而为紫杉醇　

的来源提供了一个新的有效途径。　３．２喜树碱　

喜树碱是ｗａｕ和Ｗａｎｉ等从珙桐科乔木、我国　特有的植物喜树的树叶和树皮中分离得到的具有较　

强的抗肿瘤和抗病毒活性的生物碱。微生物转化喜　

树碱可以获得１０，羟基喜树碱　。ｌＯ羟基喜树碱可　选择性地抑制拓扑异构酶干扰ＤＮＡ的复制，与其他　

常用的抗癌药无交叉耐药性，因而对耐药性肿瘤有　

效。１０．羟基喜树碱的抗癌作用相当于喜树碱的３Ｏ　倍，但是它在喜树果实中含量甚低，仅十万分之　二　。朱关平［４　采用无毒黄曲霉菌株Ｔ４１９　

（ＣＧＭＣＣＯ１５８），将在喜树中含量较高的喜树碱转化　

为ｌ０．羟基喜树碱，转化率达５０％以上。采用该法　能够产生比喜树碱更为有效的抗肿瘤物质１０一羟基喜　

树碱，间接地扩大了抗癌药物的来源。　

３．３人参皂苷　人参皂苷是人参功效的主要成分。大多数天然　

皂苷在体内转化为次级苷Ｒｈ　、Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｋ（Ｃ—Ｋ）　或者原人参苷元等，这些次级皂苷具有重要的抗癌、　

防辐射等药理活性。．天然人参皂苷可能是抗肿瘤的　前体物质，其转化产物才具有抗肿瘤作用　。因　此，利用生物转化技术预先合成药物体内的代谢产　

物能够间接地提高原药物的利用度及扩大靶点药物　

的药源。目前，有人利用黑曲霉对人参皂苷进行微　

生物转化，以生成具有抗肿瘤作用的次级皂苷。金　凤燮　］利用酶转化法使得人参总皂苷转化成人参皂　

苷Ｒｈ　，转化率超过６０％，现已实现工业化生产。　

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