黃芩苷微生物轉化菌的篩選鑒定及發酵條件優化

蘇龍++梁廣波++龍文英++張小晴++陳夏露++黃燕燕

摘要：通過羅爾夫青霉（Penicillium rolfsii）發酵培養基和發酵條件優化，來提升黃芩苷轉化率。采用單因素方法對氮源、發酵接種量、初始pH發酵時間、發酵溫度等因素進行考查，在此基礎上進行L16（45）正交試驗優化。得到的優化發酵條件是黃芩粉20 g/L，（NH4）2SO4 0.6 g/L，KH2PO4 0.2 g/L，醋酸鈉0.1 g/L，維生素C 0.1 g/L，MgSO4 0.1 g/L，pH 5.0，料液比為1∶30，接種量10%，裝液量80 mL/250 mL，發酵溫度35 ℃，發酵時間6 d，轉速180 r/min。在最優條件下，黃芩素含量達到1.83 mg/mL。

關鍵詞：黃芩苷；微生物轉化；羅爾夫青霉（Penicillium rolfsii）；黃芩素；優化

中圖分類號：Q946.83：Q936 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）08-1483-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.08.021

Screening and Identify of the Baicalin Microbial Transformation and Optimization of Fermentation Conditions for Baicalein by Microorganism

SU Long，LIANG Guang-bo，LONG Wen-ying，ZHANG Xiao-qing，CHEN Xia-lu，HUANG Yan-yan

（College of Biology & Pharmacy of Yulin Normal University， Yulin 537000，Guangxi， China）

Abstract： The Penicillium rolfsii fermentation medium and conditions were optimized to increase the baicalin yield. Firstly， using single-factor test， the effects of these 5 parameters， i.e.， nitrogen source， the inoculation amount， initial pH of medium， fermentation time， fermentation temperature on the baicalin yield were studied. Then the key parameters of fermentation conditions were statistically optimized through orthogonal array experiments with 5 factors at 4 levels. The optimal conditions were Scutellaria baicalensis Georgi. power 20 g/L，（NH4）2SO4 0.6 g/L， KH2PO4 0.2 g/L， sodium salt 0.1 g/L， MgSO4 0.1 g/L， vitamin C 0.1 g/L， initial pH 5.0， solid liquid ratio 1∶30， rotation speed 180 r/min， 10% inoculum size in 80 mL working volume（in 250 mL flasks） at 35 ℃ for 6 d. Using these conditions， the baicalein yield was 1.83 mg/mL.

Key words： baicalin； microbial transformation； Penicillium rolfsii； baicalein； optimize

中草藥是自然界賦予華夏的特色藥物，是中華民族歷史文化和現代文明的主要組成部分之一，對國民經濟和社會發展具有重要貢獻，是提高漢文化民族健康素質的重要保障；并且在醫藥產業發展中發揮著極其重要的支柱性作用。中草藥活性成分是中醫藥用之防治疾病的物質基礎，然而中草藥成分是一個復雜的龐大體系，往往很多成分活性低、毒性大、含量低、結構復雜、合成困難等，如黃芩素在植物中含量非常低，植物黃芩（Scutellaria baicalensis Georgi）中只有在根部含有少量黃芩素，約含0.49%～2.28%，而其前體物黃芩苷含量約為5.79%～15.31%[1]；現在的天然野生資源隨著中草藥的開發利用力度持續加大，儲存量在不斷下降；這樣隨之而來的問題是原料藥來源已經無法滿足批量化生產的需求，這也是所有天然創新藥物開發所面臨的重大難題，是高水平天然藥物能否廣泛應用、走向世界的瓶頸。

黃芩素為黃芩苷的水解產物，即黃芩苷元，它是黃芩主要的有效成分之一，來源于黃芩根部。化學結構屬黃酮類[2]，具有降低腦血管阻力、抗血栓形成和保護心腦血管、神經元的作用[3]，能改善腦部血循環、增加腦血流量及抗血小板凝集，臨床上多用于腦血管病后癱瘓的治療；還具有抗菌、抗病毒、抑制炎癥反應、保肝、利膽、利尿、抗癌[4]、抗氧化、抗過敏、抗病原微生物等功效，能鎮靜、降壓，對治療肝臟疾病等具有良好效果[5，6]。目前獲得黃芩素的方法主要有酸水解法[7]、溶劑提取法[8]、超聲提取法[9]、酶水解法[10，11]和微生物發酵法[12-15]。試驗利用自行篩選的微生物青霉半固態發酵法轉化黃芩苷為黃芩素，以期為黃芩苷的有效利用提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 藥物與試劑 中藥材黃芩購于玉林市至真藥業連鎖店，將其打粉，過40目篩，作為發酵底物備用。標準品黃芩苷、黃芩素（含量99.0%）購于西安市匯林生物公司；其他試劑均為分析純，購于國藥集團化學制劑有限公司。青霉為玉林師范學院生物與制藥學院實驗室保存。

1.1.2 儀器 主要有Tu21800 紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）、HH-s數顯恒溫水浴鍋（江蘇省金壇市醫療儀器廠）、FE20 Five Easy實驗室pH計和AL204電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）。

1.1.3 培養基 ①初篩培養基組成：黃芩苷標準品2 g，瓊脂2 g，用去離子水定容到100 mL，分裝，121 ℃高壓滅菌20 min。②復篩培養基組成：黃芩苷標準品1 g，KH2PO4 0.01 g，醋酸鈉0.005 g，維生素C 0.005 g，MgSO4 0.005 g，pH自然，用去離子水定容到50 mL，分裝，121 ℃高壓滅菌20 min。③發酵基礎培養基組成：黃芩粉20 g/L，KH2PO4 0.2 g/L，醋酸鈉0.1 g/L，維生素C 0.1 g/L，MgSO4 0.1 g/L，pH自然，分裝，121 ℃滅菌20 min。

1.2 方法

1.2.1 菌株初篩 配制好初篩培養基平板，從實驗室中草藥轉化菌種庫中篩選能轉化黃芩苷為黃芩素的青霉菌株；通過2%的三氯化鐵（用無水乙醇配制）溶液顯色，初步篩選出目的菌株。

1.2.2 菌株復篩 將初篩的青霉菌株接種至復篩液體培養基中，于35 ℃、200 r/min的搖床中培養5 d；取發酵液4 000 r/min離心20 min，棄上清液取沉淀，向沉淀內加入無水乙醇浸泡過夜，第二天80 ℃水浴1 h（每20 min搖晃1次），最后拿出，置于離心機4 000 r/min離心20 min；取上清液0.1 mL，加入2%三氯化鐵4 mL，再加入無水乙醇0.9 mL，于紫外可見分光光度計的490 nm處測定[16]。

1.2.3 菌株鑒定 將篩選及純化好的菌株委托上海美吉生物醫藥科技有限公司鑒定。

1.2.4 黃芩素標準曲線測定 精密稱取120 ℃干燥到恒重的黃芩素標準品10 mg，置10 mL容量瓶中，加無水乙醇溶解，并稀釋至刻度，搖勻，得各組成濃度分別為0.00、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10 mg/mL的系列標準溶液；分別于490 mn處測定各濃度的吸光度，得回歸方程，樣品含量利用回歸方程計算即得[16]。

1.3 單因素試驗

以黃芩素含量為依據，以黃芩粉為底物，分別考察青霉半固態發酵法轉化黃芩苷發酵培養基的不同氮源[蛋白胨、牛肉膏、酵母粉、黃豆粉、（NH4）2SO4、尿素、不添加（對照）]、不同氮源濃度（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g/L）、培養基不同初始pH（3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5）、不同接種量（2%、4%、6%、8%、10%、12%）、不同裝液量（40、60、80、100、120、140 mL/250 mL）、不同料液比（1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35、1∶40）、不同發酵溫度（20、25、30、35、40、45 ℃）、不同發酵時間（4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5 d）對黃芩素含量的影響。

1.4 L16（45）正交試驗設計優化

在單因素試驗的基礎上，以發酵溫度、發酵液pH、料液比、發酵時間、氮源濃度為影響因素，各因素都有4個水平，進行青霉半固態發酵法轉化黃芩苷L16（45）正交試驗，L16（45）正交試驗各因素、水平組合見表1。

2 結果與分析

2.1 菌株篩選及鑒定

經過初篩、復篩和發酵檢測篩選，得到一株能把黃芩苷轉化為黃芩素的青霉菌株，結果見圖1。將測定菌株的ITS序列用Blast軟件與GenBank中已報道的ITS序列進行同源性比較后發現，菌種的ITS序列與在GenBank登記的Penicillium rolfsii（羅爾夫青霉）ITS序列的同源性達到99%；通過對菌株的菌落形態及結合ITS序列同源性比較，可以確定菌種為羅爾夫青霉。

2.2 黃芩素標準曲線

根據所獲得的不同黃芩素標準品濃度溶液的吸光度，做出黃芩素的標準曲線，具體見圖2。黃芩素標準曲線的線性回歸方程為y=21.108x-0.192 6，R2=1。

2.3 氮源對黃芩素含量的影響

不同氮源對黃芩苷轉化的影響見圖3。從圖3可以看出，氮源種類對黃芩苷的轉化影響不大，無論是添加有機氮源還是無機氮源，對黃芩素含量的影響都差不多；對照中不添加氮源，雖然黃芩素的含量比添加氮源的少，但也能發生部分轉化，可能是由于黃芩藥材來源于植物根部，含有多糖類和蛋白質等成分，經微生物分解后即產生大量的碳源和氮源，可滿足微生物的生長營養需求。從總體來看，添加氮源比不添加氮源黃芩苷的轉化率更高，另外從成本方面考慮，（NH4）2SO4為最佳氮源。

2.4 （NH4）2SO4濃度對黃芩素含量的影響

進一步比較（NH4）2SO4對黃芩苷轉化的影響，結果見圖4。從圖4可見，隨（NH4）2SO4濃度的增加，其發酵液中黃芩素含量呈先增加、后減少的變化趨勢，在（NH4）2SO4濃度為0.4 g/L時，含量達到最大值。反映出（NH4）2SO4濃度過大后，會使菌體生長過于旺盛，但不利于代謝產物的積累。因此（NH4）2SO4濃度以0.4 g/L為較合適。

2.5 培養基初始pH對黃芩素含量的影響

培養基不同初始pH對黃芩苷轉化的影響見圖5。相對于培養基最適pH而言，過高或者過低的環境初始pH都會影響到羅爾夫青霉的生長，進而影響羅爾夫青霉的次級代謝產物——β-葡萄糖苷酶的分泌，更影響到酶的催化反應。根據文獻的報道和前期的預備試驗可知，大部分β-葡萄糖苷酶的最適作用環境是酸性的[17-22]，所以試驗設計培養基初始pH為酸性。從圖5可見，當培養基初始pH在4.0～4.5范圍時，發酵液中的黃芩素含量相差不大，而pH低于4.0或高于4.5后，黃芩素的含量相應減少，故培養基初始最適pH選擇4.5。

2.6 菌種接入量對黃芩素含量的影響

菌種接入量對黃芩素含量的影響情況見圖6。通常接種量的大小決定了生產菌種在培養中生長繁殖的速度，采用較大的接種量可以縮短菌絲繁殖達到高峰的時間，使產物的形成提前到來，并可減少雜菌的生長機會；但接種量過大或者過小，均會影響發酵結果。過大會引起溶氧不足，影響產物合成；而且會過多移入代謝廢物，也不經濟；過小會延長培養時間，降低生產效率。從圖6可以看出，隨著接種量的增加，發酵液中黃芩素的含量逐漸增加，其中接種量為8%和10%時，黃芩素的含量最高；超過10%后，黃芩苷轉化率開始下降。考慮到羅爾夫青霉生長速度比較慢，選擇10%的接種量為最佳接種量。

2.7 裝液量對黃芩素含量的影響

氧氣是好氧微生物能正常生長繁殖的重要因素之一，溶氧的多少直接影響微生物生長，并影響β-葡萄糖苷酶的產量，進而影響發酵轉化率。不同菌種發酵、發酵生產不同的產物對溶氧量要求不盡相同；對于選定的菌種和發酵生產特定的產物對溶氧的要求，可利用裝液量來探討溶氧的影響。一般是裝液量小的培養基與氧氣的接觸面積大，增加了液體的溶氧量；反之，裝液量大的溶氧量較少。試驗里裝液量對黃芩素含量的影響見圖7。由圖7可見，當裝液量為80 mL/250 mL（三角瓶）時，黃芩素的含量最高；裝液量過多或過少，黃芩素的含量都減少。另外，裝液量與轉化環境的溶氧量有直接的關系，增大溶氧量有利于細胞生長、產酶，進而促進黃芩素的產生；裝液量太少，將導致細胞生長過快，營養物質消耗加速，反而會影響β-葡萄糖苷酶的分泌，進而影響轉化的進程。因此，在轉化黃芩苷時，培養基的裝液量以80 mL/250 mL（三角瓶）為宜。

2.8 料液比對黃芩素含量的影響

由于發酵底物是黃芩打粉過40目篩后直接添加到培養基中，所以屬于半固態發酵，因此培養基含水量是一個很重要的影響因素；包被在固態基質表面的水膜能溶解微生物需要的無機鹽和代謝產物，同時為微生物的生長提供了所需的潮濕環境。另外，基質含水量也影響著培養系統中的氧氣供應、氣體流動等微環境，也是發酵成敗的制約條件，所以，料液比對半固態發酵有著重要的影響。試驗里料液比對黃芩素含量的影響情況見圖8。由圖8可知，隨著料液比的增加，發酵液中黃芩素的含量也相應增加，但當料液比>1∶35以后，黃芩苷的轉化率開始下降。在低料液比（1∶15）時，隨著發酵的進程，由于水分的蒸發，底物粘性提高，導致底物結塊現象嚴重，通透性降低，溶氧傳遞與吸收也降低，限制了菌株的生長代謝，最后直接影響菌體的生長，導致轉化率下降；料液比高時，底物流質狀態不理想，溶氧少及傳遞效果差，菌體代謝得不到充分發揮，造成資源浪費；所以料液比選擇1∶30較為適宜。

2.9 發酵溫度對黃芩素含量的影響

溫度是影響微生物生長和存活的主要環境因素之一，對發酵的影響很大，溫度的高低影響酶的反應、氧的溶解和傳遞速率、菌體生長及產物合成等方面。試驗里發酵溫度對黃芩素含量的影響情況見圖9。由圖9可知，35 ℃發酵時黃芩素的含量最高。20 ℃發酵時黃芩素的含量最少，說明20 ℃使羅爾夫青霉生長緩慢，還沒有β-葡萄糖苷酶的分泌或者分泌的酶量比較少，造成黃芩素的含量比較少。而溫度過高，雖然菌種生產速度加快，但也有可能營養成分消耗過快，β-葡萄糖苷酶的分泌量也會減少，導致黃芩素的含量下降；另外，也可能溫度過高不適合β-葡萄糖苷酶的轉化反應。

2.10 發酵時間對黃芩素含量的影響

發酵時間對黃芩素含量的影響情況見圖10。由圖10可知，隨著發酵時間的延長，黃芩素的含量逐漸增加，在接種發酵第六天時，黃芩素的含量達到最大；繼續延長發酵時間，黃芩素的含量則有下降的趨勢。發酵時間不僅影響微生物的生長速率和生長量，還會影響微生物的代謝強度和代謝物的多寡；β-葡萄糖苷酶屬于羅爾夫青霉的次級代謝產物，一般是微生物生長到中后期才開始分泌；發酵時間的延長使得菌體的代謝產物β-葡萄糖苷酶的量增大，從而提高了黃芩苷的轉化率，故發酵時間選擇6 d。

2.11 發酵條件L16（45）正交試驗

試驗設置的羅爾夫青霉半固態發酵法轉化黃芩苷L16（45）正交試驗結果及分析見表2。從表2可見，通過對L16（45）正交試驗的結果進行分析，可知對黃芩苷轉化影響因素的高低排序為D、A、B、E、C，即料液比、（NH4）2SO4濃度和培養基初始pH對黃芩苷轉化的影響較大，發酵時間對黃芩苷轉化的影響較小，發酵溫度對黃芩苷轉化的影響最小。最佳的組合為A4B4C2D2E3，即發酵溫度35 ℃、培養基初始pH 5.0、（NH4）2SO4濃度0.6 g/L、料液比為1∶30、發酵時間為6 d。經驗證試驗檢測，在上述最優條件下，黃芩素含量最高，達1.83 mg/mL。

3 小結

通過單因素和L16（45）正交試驗，對羅爾夫青霉發酵黃芩粉轉化黃芩素的條件進行了優化。結果最優的發酵條件為黃芩粉20 g/L、（NH4）2SO4濃度0.6 g/L、KH2PO4濃度0.2 g/L、醋酸鈉濃度0.1 g/L、維生素C濃度0.1 g/L、MgSO4濃度0.1 g/L、發酵溫度35 ℃、培養基初始pH 5.0、料液比為1∶30、接種量10%、裝液量80 mL/250 mL、發酵時間為6 d。在此最優條件下，發酵產物的黃芩素含量達到1.83 mg/mL。

中草藥活性成分是中草藥防病治病的物質基礎，也是中草藥現代化研究的重要內容之一。微生物轉化技術在中草藥活性成分的現代化研究中具有十分重要的作用，已經廣泛應用于中草藥活性成分的合成、結構修飾以及新化合物的開發中。微生物轉化可以有效地提高已知中草藥活性成分的藥效，降低毒副作用，改善水溶性和生物利用度，還可以用來生產具有重要應用價值的微量天然活性先導化合物，同時可用于藥物代謝機制的研究。試驗通過對羅爾夫青霉半固態發酵法轉化黃芩苷為黃芩素的條件進行了優化，試驗結果對中草藥生物活性的轉化具有一定的參考價值。該方法條件溫和、易于控制，轉化率高，可極大地提高中草藥黃芩的利用率。

致謝：試驗得到了廣西壯族自治區農產品加工重點實驗室（培育基地）、廣西生物化工、農產品深加工與安全技術創新團隊的幫助，謹此致謝。

參考文獻：

[1] 付 琳，郝建平，劉曉伶，等.10種晉產野生黃芩根中黃芩苷、黃芩素與漢黃芩素含量比較[J].天然產物研究與開發，2015，27（12）：2064-2065.

[2] 吳修華，劉 妮，楊 麗，等.黃芩素體內抗甲型流感病毒作用的研究[J].廣西中醫藥大學學報，2009，26（2）：157-158.

[3] 許文杰，丁啟龍.黃芩素的藥理學研究進展[J].江蘇藥學與臨床研究，2006，14（2）：35-39.

[4] 張喜平，李宗芳，劉效恭.黃芩素的藥理學研究概況[J].中國藥理學通報，2001（17）：711-712.

[5] 梁 英，韓魯佳.黃芩中黃酮類化合物藥理作用研究進展[J].中國農業大學報，2003，8（6）：9-14.

[6] 王 晶.黃芩素和野黃芩素的合成及其抗氧化性的研究[D].江蘇無錫：江南大學，2012.

[7] 趙春穎，王汝興.黃芩素制備工藝及含量測定方法的研究[J].承德醫學院學報，2007，24（3）：239-241.

[8] 王彩芳，張紅嶺，代桂麗，等.正交實驗優選黃芩中黃芩素提取工藝[J].時珍國醫國藥，2007，18（10）：2509-2510.

[9] 姚亞紅，張立偉.黃芩素提取工藝研究[J].西北藥學雜志，2008， 23（5）：280-282.

[10] 周 健，杜永峰，張文廣.一種制備黃芩素的新方法[J].第四軍醫大學學報，2009，30（18）：1825-1827.

[11] 施春陽，齊香君，張 珩.黃芩素的酶法提取工藝研究[J].西北藥學雜志，2011，26（6）：408-409.

[12] 賀 美，邱德全，柏仕杰.米曲霉兩步活化法對黃芩苷的生物轉化及轉化產物的純化與鑒定[J].廣東海洋大學學報，2007，27（6）：41-44.

[13] 汪 紅，高 陪，廖 勇，等.微生物發酵轉化黃琴苷生成黃芩素的研究[J].四川大學學報（自然科學版），2009，46（3）：795-798.

[14] 姚 磊，張 敏，王鵬嬌，等.黃芩中黃芩苷生物轉化工藝優化[J].中國實驗方劑學雜志，2015，21（9）：22-24.

[15] 龍厚寧，張 碩，姚 磊，等.納豆菌液體發酵轉化黃芩苷和漢黃芩苷的工藝研究[J].中國中藥雜志，2015，40（2）：4623-4628.

[16] 薛慧玲.微生物發酵轉化黃芩的研究[D].成都：四川大學，2006.

[17] 謝 宇，尚曉嫻，胡金剛.β-葡萄糖苷酶純化及酶學性質研究[J].江西農業大學學報，2008，30（3）：524-526.

[18] 何友文，李 江，王劍鋒，等.Penidiella sp. HEY-1 β-葡萄糖苷酶的分離純化及其酶學性質[J].林產化學與工業，2011，31（3）：110-114.

[19] 覃擁靈，何海燕，劉園園，等.產β-葡萄糖苷酶野生真菌的篩選鑒定及酶學性質研究[J].中國釀造，2012，31（3）：53-57.

[20] 黃 琴，朱 婷，蔣承建，等.產β-葡萄糖苷酶的菌種篩選鑒定及其酶學特性[J].基因組學與應用生物學，2011，30（5）：590-595.

[21] 陳 靜，郝偉偉，王春梅，等.產β-葡萄糖苷酶真菌的篩選鑒定、純化及酶學性質分析[J].食品科學，2013，34，（5）：191-196.

[22] 萬振堂，楊麗杰.產胞外β-葡萄糖苷酶乳酸菌的篩選及其酶學性質的初步研究[J].食品與發酵工業，2009，35（4）：28-37.