微生物轉化人參皂苷研究進展

趙方允，陳自宏，虞泓，曾文波

微生物轉化人參皂苷研究進展

趙方允，陳自宏，虞泓，曾文波

人參皂苷屬于達瑪烷型四環三萜類，是由苷元與糖連接而成的一種苷，依據苷元不同，可分為原人參二醇皂苷如Rb1、Rb2、Rc、Rd、Rh2 等和原人參三醇皂苷如 Re、Rg1、Rg2、Rf、Rh1 等[1]。人參皂苷主要存在于五加科人參屬植物，如人參、三七、西洋參、高麗參、越南人參、珠子參、竹節參，以及葫蘆科絞股藍屬絞股藍和喙果絞股藍等植物的根、莖、葉或花蕾中[2]，是人參屬植物的主要活性成分之一，具有多方面藥理活性。2002 年，日本學者 Zou 等[3]從云南野生三七中分離出六種新型達瑪烷型三萜皂苷。現已分離出的人參皂苷有 50 多種[4]，相信將來會有更多的人參皂苷被發現。人參皂苷 Rb1 和 Rg1 在天然植物中含量較高，而Rg3、Rh2、compand K 等含量甚微。但是，人參皂苷在體內菌群的作用下可代謝為具有抗變態反應活性的 compand K[5]。許多藥理研究表明，稀有人參皂苷（如 Rh1、Rh2、Rg3、Rb3 等）藥效更為珍貴，在某些難治性疾病如腫瘤治療方面顯示獨特的療效[6-7]。因此，如何獲得大量的稀有人參皂苷成為現代藥學研究的重點。近年來，利用微生物轉化法對人參皂苷進行生物轉化制備稀有人參皂苷，取得了不少有意義的成果，對轉化機制的研究也取得不少進展，本文針對這方面的內容做一綜述。

1 微生物轉化人參皂苷的意義

人參皂苷具有多種生理活性和藥理功能，但天然人參皂苷的分子結構并不是活性最佳狀態。通過對皂苷活性的研究發現，人參皂苷的抗腫瘤活性與皂苷糖鏈結構的關系為：苷元 ＞ 單糖苷 ＞ 二糖苷 ＞ 三糖苷 ＞ 四糖苷[8]。并且，人參皂苷的結構因糖基側鏈的不同，顯示出的性質和功能也有較大差異，不同的人參單體皂苷具有不同的藥理活性。例如人參皂苷 Rb1 具有營養神經、保護心肌、改善記憶力、抗衰老、抗氧化、保肝等作用[9-11]；人參皂苷 Rg1 具有拮抗腎小管上皮-肌成纖維細胞轉分化的作用[12]；人參皂苷 Rh2具有極強的抗腫瘤活性[6]。而 Rb1 與 Rh2 在結構上僅是C3 和 C20 上的糖基不同。采用微生物轉化技術能有效地改變皂苷的糖鏈結構，提高其生物活性。

如何獲得人參單體皂苷，特別是如何提高稀有人參皂苷含量，國內外學者做了不少研究，如采用化學法[13]、組織培養法、酶法[14]、微生物發酵法等獲取人參皂苷。早在 1989年鄭光植和王世林[15]就對三七愈傷組織培養和細胞懸浮培養進行過一系列研究，通過調整培養基，使三七愈傷組織的生長速率達原初培養愈傷組織的 4 倍。愈傷組織中總皂苷含量高達 13%，為原植物的 3 倍。目前，國內外報道的關于微生物轉化人參皂苷的文獻，主要是針對人參中稀有皂苷的轉化，也有針對三七中人參皂苷微生物轉化的報道，但多數都停留在試驗階段，沒有真正用于大量生產。因此，找出一種能有效提高稀有人參皂苷含量的微生物轉化方法，并應用于工業化生產，對醫藥產業的發展具有重大意義。

2 人參皂苷微生物轉化研究現狀

2.1 微生物轉化反應機制

微生物轉化是指通過微生物整體細胞或酶將復雜的底物進行結構修飾，也就是利用微生物代謝過程中產生的某個或某一系列的酶對底物（或外源化合物）進行催化反應[16]，把一種化合物變成相關的更有經濟價值的產物，來完成常規化學方法難以實現的反應。

微生物轉化人參皂苷反應機制為微生物產生的酶水解掉人參皂苷中的糖基，引起結構的轉變。常用方法有液體發酵法和固體發酵法，發酵溫度在 20 ～ 37 ℃ 之間，時間一般不超過 10 d。

2.2 近年來關于人參皂苷微生物轉化報道

本文從研究材料、微生物、轉化產物及其意義幾個方面對近年來國內外有關人參皂苷微生物轉化的報道進行列表對比（表 1）。

從表 1 看出，研究部位包括人參、三七、西洋參等原藥材及其中含有的總皂苷或單體皂苷，發酵菌種大多數是以真菌為發酵菌株，部分研究選用腸道正常菌群，也有以大型藥食兼用真菌做發酵菌株。轉化結果看，大多數是將稀有人參皂苷含量提高，部分產生新的人參皂苷，也有部分是發酵后產生了抑菌物質，導致發酵液藥理活性發生改變等。

2.3 討論

可以看出，人參皂苷研究已經引起廣泛關注。筆者利用從三七中分離出的真菌對其進行轉化，通過指紋圖譜對照，篩選出對人參皂苷定向轉化菌種，取得了一定成果，正在進一步研究。但是如何能將研究用于臨床，真正起到治病的作用，我們可以從以下幾方面著手：①研究有效發酵方法，是否能提高本身含量比較高且療效確定的人參皂苷的含量；②研究生藥發酵后粗產品的藥理活性，作用是否改變或產生新的藥理作用，對比指紋圖譜，分析藥效改變原因，甚至制定標準化生產方案；③優化培養方案，批量發酵生產，對發酵后的成分包括皂苷、多糖、總黃酮等進行分離純化，提高有效成分的產量；④研究其他一些含有人參皂苷并且價格比較便宜的植物，如絞股藍的微生物轉化，以降低當前生藥短缺壓力；⑤能否通過發酵產生新的皂苷成分或增加稀有人參皂苷含量。

表 1 近年國內外關于人參皂苷微生物轉化的報道

3 結語

人參皂苷在體內和體外均可以發生生物轉化。體外轉化途徑分為化學法、酶解法和微生物轉化法。化學法，如緩和酸水解、堿裂解等反應條件不好控制，不可避免產生同分異構體、羥基化等副產物[24]；酶解法是利用酶的催化活力，反應周期短，污染小，所得的產物純度高，但反應條件不易控制，酶易失活；相比之下微生物轉化法成本低，副產物少，應用廣泛。需要注意的是，提取方法對皂苷成分也有影響，如西洋參采用加熱回流水提取法比用甲醇常溫提取法經HPLC 檢測多出 Rg3 和 Rh2[37]。為將轉化人參皂苷實現生產應用，確定各種高活性代謝物質的生理代謝途徑，篩選可以專一性轉化的高產菌種，優化方案，尋找合適的工業生產條件，對于大規模生產稀有人參皂苷或提高皂苷產量及其臨床應用具有重大意義。當然，這需要做大量的工作，需要我們不斷地去努力。

參考文獻

[1] Jeong CS, Murthy HN, Hahn EJ, et al. Improved production of ginsenosides in suspension cultures of ginseng by medium replenishment strategy. J Biosci Bioeng, 2008, 105(3):288-291.

[2] Zou K, Zhu S, Meselhy MR, et al. Dammarane-type Saponins from Panax japonicus and their neurite outgrowth activity in SK-N-SH cells. J Nat Prod, 2002, 65(9):1288-1292.

[3] Zou K, Zhu S, Tohda C, et al. Dammarane-type triterpene saponins from Panax japonicus. J Nat Prod, 2002, 65(3):346-351.

[4] Cui XM, Jiang ZY, Zeng J, et al. Two new dammarane triterpene glycosides from the rhizomes of Panax notoginseng. J Asian Nat Prod Res, 2008, 10(9/10):845-849.

[5] Choo MK, Park EK, Han MJ, et al. Antiallergic activity of ginseng and its ginsenosides. Planta Med, 2003, 69(6):518-522.

[6] Li XZ, Piao HS. A method for determination of Ginsenoside Rh2 Pharmacological activity. J Med Sci Yanbian Univ, 2009, 32(2):153-156. (in Chinese)李學哲, 樸惠順. 人參皂苷 Rh2含量測定方法及藥理作用研究現狀. 延邊大學醫學學報, 2009, 32(2):153-156.

[7] Wang CZ, Xie JT, Fishbein A, et al. Antiproliferative effects of different plant parts of Panax notoginseng on SW480 human colorectal cancer cells. Phytother Res, 2009, 23(1):6-13.

[8] Dou DQ, Jin L, Chen YJ. Advances and prospects of the study on chemical constituents and pharmacological activities of panax ginseng. J Shenyang Pharm Univ, 1999, 16(2):151-156. (in Chinese)竇德強, 靳玲, 陳英杰. 人參的化學成分及藥理活性的研究進展與展望. 沈陽藥科大學學報, 1999, 16(2):151-156.

[9] Wang LQ, Jiang RG. The pharmacological activity of ginsenoside Rb1. World Phytomedicines, 2005, 20(6):245-248. (in Chinese)王立青, 江榮高. 人參皂苷 Rb1的藥理活性. 國外醫藥(植物藥分冊), 2005, 20(6):245-248.

[10] Jia JM, Wang ZQ, Wu LJ, et al. Advance of phamacological study on Ginsenoside Rbl. China J Chin Mater Med, 2008, 33(12)1371-1377. (in Chinese)賈繼明, 王宗權, 吳立軍, 等. 人參皂苷Rb1的藥理活性研究進展.中國中藥雜志, 2008, 33(12)1371-1377.

[11] Ng TB. Pharmacological activity of sanchi ginseng (Panax notoginseng). J Pharm Pharmacol, 2006, 58(8):1007-1019.

[12] Xie XS, Yang M, Liu HC, et al. Ginsenoside Rg1, a major active component isolated from Panax notoginseng, restrains tubular epithelial to myofibroblast transition in vitro. J Ethnopharmacol, 2009, 122(1):35-41.

[13] Liu N, Piao HR, Zhao YQ. Preparation and isolation on the rare ginsenoside derivatives with anti-cancer activity. J Chin Med Mater, 2009, 32(5):707-709. (in Chinese)劉娜, 樸虎日, 趙余慶. 稀有抗腫瘤人參皂苷衍生物的制備與分離.中藥材, 2009, 32(5):707-709.

[14] Jang BH, Han Y, Zhao YQ, et al. Optimization of enzymatic translation for preparation ginsenoside compound K in total saponins of Panax notoginseng. Chin Traditional Herbal Drugs, 2004, 35(9): 986-988. (in Chinese)姜彬慧, 韓穎, 趙余慶, 等. 酶轉化三七葉總皂苷制備人參皂苷C-K的工藝優化. 中草藥, 2004, 35(9):986-988.

[15] Zheng GZ, Wang SL. Callus culture from Panax notoginseng. Acta Botanica Yunnanica, 1989, 11(3):255-262. (in Chinese)鄭光植, 王世林. 三七愈傷組織的培養. 云南植物研究, 1989, 11(3):255-262.

[16] Wang SY, Chen JW, Zhang WX, et al. Effect of bidirectional fermentation technology on content of Paeoniflorin and HPLC fingerprint. Res Pract Chin Med, 2009, 23(2):6-9. (in Chinese)王身艷, 陳建偉, 張蔚學, 等. 雙向發酵對白芍 HPLC指紋圖譜及芍藥苷含量的影響. 現代中藥研究與實踐, 2009, 23(2):6-9.

[17] Wang Y, Liu TH, Wang W, et al. Research on the transformation of ginsenoside Rg_1 by intestinal flora. China J Chin Mater Medi, 2001, 26(3):188-190. (in Chinese)王毅, 劉鐵漢, 王巍, 等. 腸內菌群對人參皂苷 Rg_1的代謝轉化作用的研究. 中國中藥雜志, 2001, 26(3):188-190.

[18] Bae EA, Choo MK, Park EK, et al. Metabolism of ginsenoside R(c) by human intestinal bacteria and its related antiallergic activity. Biol Pharm Bull, 2002, 25(6):743-747.

[19] Kunming Weinuo Jinshen Biological Engineering Co., Ltd. Process for preparing rare ginsenoside compound K by fermenting Panax notoginseng saponins with streptomycete: China, 101139562, 2008-03-12. (in Chinese)昆明諾唯金參生物工程有限責任公司. 一種鏈霉菌發酵三七皂苷制備稀有人參皂苷Compound K的工藝: 中國, 101139562, 2008-03-12.

[20] Zhou W, Yan Q, Li JY, et al. Biotransformation of Panax notoginseng saponins into ginsenoside compound K production by Paecilomyces bainier sp. 229. J Appl Microbiol, 2008, 104(3):699-706.

[21] Cui Y, Jiang BH, Han Y, et al. Microbial transformation on ginsenoside compound K from total saponins in fruit of Panax ginseng. Chin Traditional Herbal Drug, 2007, 38(2):189-193. (in Chinese)崔宇, 姜彬慧, 韓穎, 等. 微生物對人參果總皂苷中人參皂苷化合物K的轉化作用. 中草藥, 2007, 38(2):189-193.

[22] Han Y, Hu XM, Jiang BH, et al. Activity microbial screening in Ginseng soil and the biotransformation of the rare anti-tumor component. J Chin Med Mater, 2007, 30(6):705-707. (in Chinese)韓穎, 胡筱敏, 姜彬慧, 等. 人參土壤中活性微生物的篩選與稀有抗腫瘤成分的轉化. 中藥材, 2007, 30(6):705-707.

[23] Fu JG. The study of microbial transformation of ginsenoside. Changchun: Jilin Agricultural University, 2004. (in Chinese)付建國. 人參皂苷微生物轉化的研究. 長春: 吉林農業大學, 2004.

[24] Chi H, Kim DH, Ji GE. Transformation of Ginsenosides Rb2 and Rc from Panax ginseng by food microorganisms. Biol Pharm Bull, 2005, 28(11):2102-2105.

[25] Dong AL, Cui YJ, Guo HZ, et al. Microbiological transformation of Ginsenoside Rg_1. J Chin Pharm Sci, 2001, 10(3):115-118.

[26] Kunming Weinuo Jinshen Biological Engineering Co., Ltd. A kind of Technology fermentation notoginseng through of Streptomyces to preparation 20(S)-Ginsenoside Rh1: China, 101508965, 2009-08-19. (in Chinese)昆明諾唯金參生物工程有限責任公司. 一種鏈霉菌發酵三七皂苷制備20(S)-人參皂苷Rh1的工藝: 中國, 101508965, 2009-08-19.

[27] Wu XL, Wang Y, Zhao WQ, et al. Fungal biotransformation of ginsenoside Rg3. Acta Microbiol Sinica, 2008, 48(9):1181-1185. (in Chinese)吳秀麗, 王艷, 趙文倩, 等. 一種真菌對人參皂苷 Rg3的轉化. 微生物學報, 2008, 48(9):1181-1185.

[28] Ko SR, Choi KJ, Suzuki K, et al. Enzymatic preparation of ginsenosides Rg2, Rh1, and F1. Chem Pharm Bull (Tokyo), 2003, 51(4):404-408.

[29] Wu XL, Zhang YX, Zhao WQ, et al. Transformation of ginsenoside Rg1 to ginsenoside F1 specific by the fungi strains EST-I and EST-II. J Shenyang Pharml Univ, 2008, 25(1):73-76. (in Chinese)吳秀麗, 張恰軒, 趙文倩, 等. 真菌EST-I及EST-II對人參皂苷Rg1定向轉化為人參皂苷F1的研究. 沈陽藥科大學學報, 2008, 25(1): 73-76.

[30] Han Y, Hu XM, Jiang BH, et al. Optimization of biotransformation conditions of active component in Panax notoginseng stalks and leaves by Fusarium sacchari. Chin J Appl Ecol, 2007, 18(12):2801-2806. (in Chinese)韓穎, 胡筱敏, 姜彬慧, 等. Fusarium sacchari對三七莖葉中有效成分生物轉化條件的優化. 應用生態學報, 2007, 18(12):2801-2806.

[31] Han Y, Jiang BH, Hu XM, et al. Biotransformation of rare Anti-tumor component in Panax notoginseng stalks and leaves by Fusarium sacchari. Chin Traditional Herbal Drugs, 2007, 38(6):830-832. (in Chinese)韓穎, 姜彬慧, 胡筱敏, 等. Fusarium sacchari轉化三七莖葉皂苷的稀有抗腫瘤成分. 中草藥, 2007, 38(6):830-832.

[32] Zhao P, Liu YJ. Primary study on the inhibition of transformation products of Panax notoginseng by Fungi. J Yunnan Univ Traditional Chin Med, 2009, 32(4):33-36. (in Chinese)趙鵬, 劉亞君. 真菌轉化三七產物抑菌作用的初步研究. 云南中醫學院學報, 2009, 32(4):33-36.

[33] Yunnan University. Antibiotic active matter derived from notoginseng transformed by microbe and its uses: China, 1800342A, 2006-07-12. (in Chinese)云南大學. 利用微生物轉化三七產生的抗菌活性物質及其應用:中國, 1800342A, 2006-07-12.

[34] Zhao P. Preliminary study of notoginseng fermentation. Kunminh: Yunnan University, 2006. (in Chinese)趙鵬. 微生物發酵中藥三七初步研究. 昆明: 云南大學, 2006.

[35] Ma WG, Zhao YL, Wang X, et al. Primary pharmacological studies on the saponins from the solid fermented roots of Radix Notoginseng produced in Yunnan province. China J Traditional Chin Med Pharm, 2008, 23(3):260-263. (in Chinese)馬偉光, 趙云麗, 汪霞, 等. 滇產三七固態生物轉化產物的初步藥理研究. 中華中醫藥雜志, 2008, 23(3):260-263.

[36] Zhejiang University. Method for improving the main efficacy composition of panax notoginseng through zymolysis: China, 101095710, 2008-01-02. (in Chinese)浙江大學. 一種發酵改善三七主要功效成份的方法: 中國, 101095710, 2008-01-02.

[37] Popovich DG, Kitts DD. Generation of ginsenosides Rg3 and Rh2 from North American ginseng. Phytochemistry, 2004, 65(3):337-344.

作者單位：650051 昆明市延安醫院藥劑科（趙方允）；650091 昆明，云南云百草實驗室/云南大學中草藥生物資源研究所（陳自宏、虞泓、曾文波）

通訊作者：趙方允，Email：zhaofangyun@126.com

收稿日期：2010-01-21

DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2010.03.011