雌馬酚制備、檢測和富集技術研究進展

劉賀，許新月，劉軍，崔懷田，徐嘉鑫，袁治恒，李君，朱丹實

（1．渤海大學食品科學與工程學院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧省糧谷類食品生物高效轉化工程研究中心，遼寧 錦州 121013；3.生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 錦州 121013；4.山東禹王生態食業有限公司，山東 禹城 251200）

1932年Marrian和Haslewood在懷孕雌馬的尿液中發現了一種非甾族類異黃酮物質雌馬酚（equol，Eq），確定其分子式為 C15H14O3，分子量為 242.27[1]。由于雌馬酚首次被發現是在雌馬的尿液中，并且經檢測結果證明是馬體內的代謝產物，所以最終命名為雌馬酚。1984年Axelson等[2]在人體尿液中也發現了雌馬酚，并且對雌馬酚的來源進行研究分析，結果表明雌馬酚是大豆異黃酮的代謝產物，其表現出的生物活性遠遠高于大豆異黃酮，有研究表明，萌發期的大豆胚軸是高活性雌馬酚的最佳來源[3]。

雌馬酚是具有S、R兩種對應異構體的外消旋型化合物，通常人體通過腸道菌群代謝作用產生的雌馬酚為S型，而通過人工可合成S、R型兩種混合外消旋體化合物。雌馬酚的生物活性主要包括抗氧化、雌激素和抗雌激素兩方面[4]。當人體內激素分泌不足，雌馬酚的S、R型可分別與雌激素受體ER-α和ER-β結合[5]，為機體補充激素；而機體激素分泌過剩時，又可與雌激素競爭結合位點，以降低雌激素分泌過多對人體帶來的負面影響[6]。有研究表明，雌馬酚具有更高的抗氧化活性[7]和雌激素活性[8]，并且其抗氧化活性要強于大豆苷元[9]。在病理學領域，對于雌馬酚的生理功能的研究結果表明，雌馬酚具有預防骨質疏松[10]、乳腺癌[11]、前列腺癌[12]以及神經保護[13]的功能。

雖已有動物實驗，如大鼠、小鼠、猴子、豬等研究結果表明，在食用大豆異黃酮類食品后能產生較高水平的雌馬酚[14]，但由于雌馬酚在不同個體之間的產生水平不同，并不是所有人都能夠將大豆異黃酮代謝為雌馬酚，其中的原因可能是腸道菌群、膳食結構、年齡及其性別的不同，導致人體產生雌馬酚的水平存在巨大差異[15]。研究顯示，由于個體微生物組成的不同，僅有30%～60%的人群可以將大豆異黃酮或異黃酮衍生物轉化為雌馬酚[16]，而對于其他一部分人群則需外源性補充才能滿足人體對其需求，因此高效快速的制備和檢測方法是十分重要的。近年來，研究者重點研究了通過天然微生物代謝產生雌馬酚的途徑，相繼從人體、小鼠、猴子、豬等動物糞便中分離出與雌馬酚代謝相關菌株，如Asaccharobacter celatus，Adlercreutzia equolifaciens，Slackia isoflavoniconvertens，Enterorhabdus mucosicola[17]，還有研究者在一些食物中通過各種技術手段分離、純化、發酵富集雌馬酚，如大豆飲料、葛根[18]，為大規模工業化生產雌馬酚提供了廣闊的前景。本研究主要對雌馬酚的制備方法、檢測方法、微生物發酵富集技術進行總結，以期為雌馬酚的深入研究提供一定的幫助。

1 雌馬酚的制備

雖然通過調整膳食結構可以為人體提供雌馬酚，但這只針對30%～60%的雌馬酚產生者有效，而對于其他一部分人群則需通過外源性補充滿足人體對雌馬酚的需求，因此開發有效的雌馬酚體外合成方法是十分必要的，目前體外合成雌馬酚的方法主要有化學合成法、微生物合成法和生物學合成法。

1.1 化學合成方法

化學合成法主要是以異黃酮和化學試劑為基礎，利用烷基化、傅克?；?、氫化、Witting反應原理合成制備雌馬酚。Muthyal等[19]首先提出以現成的異黃酮前體物質-大豆苷元為原料，利用轉移氫化和仿生合成技術最終通過色譜拆分法分離出雌馬酚。不過該方法需要雙乙酸鹽、甲酸銨、乙酸等多種化學試劑，還原過程難以控制，并且會涉及多個步驟或涉及多種化學試劑甚至是有毒試劑，造成雌馬酚制備成本大幅度提高；Heemstra等[20]則通過烷基化反應得到雌馬酚的中心結構，然后利用分子布赫瓦爾德醚化得到苯并二氫吡喃環，此種方法單批次中雌馬酚產率達到9.8%，但是此方法過程復雜，且涉及多種昂貴的化學試劑，不適合用于雌馬酚的工業化生產；以間甲氧基苯酚和對羥基苯乙酸為原料在100℃，三氟化硼乙醚的存在下發生傅克?；磻部梢院铣纱岂R酚，此方法雖然簡單，但總回收率較低，在反應過程中會有多種化學物質的產生，不易與目標產物分離，也難以得到純物質[21]；Li等[22]提出了一種新的合成策略，以間苯二酚為原料合成雌馬酚，此種方法包括一系列Wittig反應、烷基化反應，從而生成異黃酮中間體。盡管這種策略能夠提高效率，并提供了這些生物活性化合物的途徑，但最終產品雌馬酚是一種外消旋化合物，并且使用的試劑較昂貴，不適合工業化放大生產；為了提高雌馬酚的總收率，Takashima 等[23]提出了一種由 L-（-）-乳酸乙酯通過順序反應合成雌馬酚的方法。合成的關鍵在于烯丙基取代，經過11個反應步驟，（S）-雌馬酚的產率提高到31.6%；Yang等[24]開發了一種高效的銥催化的不對稱氫化反應方法，雌馬酚的總收率可以達到48.4%，目前所有的化學合成方法都存在收率低、步驟繁瑣等缺點。

1.2 微生物制備法

科研人員在雌馬酚的早期研究中發現，生長在無菌環境中的小鼠和新生嬰兒在食用豆類食品后，其代謝產物中檢測不到雌馬酚的存在[25]。經研究者的進一步研究發現，將小鼠和人的糞便進行厭氧混合培養時，能夠將大豆異黃酮或異黃酮衍生物轉化為雌馬酚[26]。盡管嚙齒類動物食用大豆類物質后，在其代謝產物中可以檢測到雌馬酚的存在，但經調查研究發現，對于每天食用豆類食品的人而言，僅約有25%～30%的年輕人體內代謝可以產生雌馬酚，在西方素食者的年輕人中，“雌馬生產者”所占比例為50%～60%[27]。Wang等[28]第一次從人類糞便中分離出能夠將二氫大豆苷元（dihydrodaidzein，DHD）轉化為雌馬酚的革蘭氏陰性菌株SNU Julong 732，以此確定了人體內雌馬酚的代謝與腸道微生物直接相關。目前人和小鼠腸道內產雌馬酚的細菌是研究者們關注的重點，隨著研究者對雌馬酚代謝與腸道菌群關系的深入研究發現，一些腸道微生物作用于大豆異黃酮類物質時并不能代謝產生雌馬酚，而是產生轉化途徑中的一些中間物，如DHD和二氫黃素（dihydrogenistein，DHG），而另一些腸道微生物只能利用大豆異黃酮的中間代謝產物轉化為雌馬酚，由此可以推斷出一些腸道菌只是參與雌馬酚產生途徑中的部分環節，并不能獨立將異黃酮類物質轉化為雌馬酚。

目前鼠源產雌馬酚菌主要有 do03、LH-52、ATCC9338、Mt1B8。Minamida 等[29]通過對小鼠糞便的分離培養，發現了能夠將大豆異黃酮素轉化為雌馬酚的菌株，并進行革蘭氏染色，結果證明為一株革蘭氏陽性厭氧菌，將其命名為do03；Matthies等[30]則從小鼠腸道中分離鑒定出一種兼性厭氧菌，可在有氧條件下進行培養，完成雌馬酚的代謝過程；Tamura等[31]通過對小鼠腸道內菌群的研究發現，發酵乳桿菌ATCC9338可以代謝大豆苷元，促進雌馬酚的產生，并進一步影響腸道菌群。除了以上鼠源產雌馬酚菌外，研究者也相繼從其他動物，如豬、雞、鴨、猴子等身上分離培養產雌馬酚菌。與從動物體內發現的產雌馬酚菌數量相比，人源性產雌馬酚菌數量更多。Maruo等[32]從人類糞便中分離出9株能夠將異黃酮轉化為雌馬酚的菌株，其中7株菌株能通過二氫大豆苷元代謝成雌馬酚，其他2株菌株僅能通過二氫大豆苷元代謝成雌馬酚，并將其劃分為一個新屬，命名為Adlercreutzia equolifaciens sp.nov。同期Jin等[33]也從人類糞便中分離出菌株PUE和DZE，通過對PUE和DZE的共同培養發現其可以把葛根素轉化為S-雌馬酚，說明在多種產雌馬酚相關菌的協同作用下，可促進雌馬酚的代謝；Tsuji等[34]還從人類糞便中成功分離出一株能夠將大豆苷元轉化為雌馬酚的革蘭氏陽性菌，命名為Slackia sp.strain NATTS；隨后，Park等[35]從人類糞便中分離出一株革蘭氏陰性菌，該菌株只參與雌馬酚代謝過程的一部分，可以將大豆苷元和染料木素等異黃酮類物質代謝為R-二氫異黃酮；Flórez等[36]對人體腸道細菌 DSM19450T的研究發現，DSM19450T培養10 h后可將大豆苷元完全代謝。然而，在添加異黃酮的環境中培養只有約三分之一可以轉化為二氫大豆苷元，然后轉化為雌馬酚；Yusuke等[37]從日本一名健康女性的糞便中分離出一株強效產雌馬酚的菌株，并對其進行了基因組序列的研究，最終將其命名為Adlercreutzia sp.Strain 8CFCBH1。目前分離報道的產雌馬酚菌株主要涉及Bifidobacterium、Enterococcus、Eggerthella、Asaccharobacter、Lactobacillus、Lactococcus、Adlercreutzia、Eubacterium、Acinetobacter和Slackia[38]10個屬。雖然天然微生物發酵法必須在嚴格厭氧條件下進行，并且雌馬酚產生菌發酵培養時間較長，但是此方法在大規模工業化發酵生產雌馬酚方面已經顯示出了廣闊的發展前景。

1.3 生物學合成法

隨著基因測序和基因工程的快速發展，生物學合成方法為快速、高效地生產雌馬酚帶來了希望。將大豆苷元轉化成雌馬酚的生物合成途徑中主要包括4個催化酶：大豆苷元還原酶（daidzein reductase，DZNR）、二氫大豆苷元還原酶（dihydrodaidzein reductase，DHDR）、四氫大豆苷元還原酶（tetrahydrodaidzein reductase，THDR）和二氫大豆苷元外消旋酶（dihydrodaidzein racemase，DDRC）[39]。Shimada 等[40]研究發現，體外將大豆苷元轉化為雌馬酚至少需要上述4種關鍵性的代謝酶，以上4種代謝酶混合作用于大豆苷元中，可以使大豆苷元轉化為雌馬酚的轉化率達到89.4%，而當缺失DDRC時，轉化率大幅度降低到15.3%；Yuika等[41]在YY7918菌株中發現了DZNR、DHDR和THDR 3種酶，其基因序列與上述已知的4種關鍵代謝酶基因相似性高達99%，將此3種酶與大豆苷元進行混合發酵培養，結果未檢測到雌馬酚。

近年來，關于異源生物合成雌馬酚的相關研究逐漸增多，Gao等[42]從Slackia sp中構建了含有大豆苷元和染料木素還原酶基因（dgr）的重組大腸桿菌，成功地進行了需氧生物合成DHD和DHG；Lee等[43]從菌株Slackia isoflavoniconvertens DSM22006中克隆了相關轉化酶基因，并且在重組大腸桿菌中利用P212A對DHDR進行定點突變，結果表明，重組菌產雌馬酚能力增強。（S）-雌馬酚等大豆異黃酮類衍生物對多種菌的生長代謝具有一定抑制作用。因此在菌株代謝產生雌馬酚時要注意雌馬酚對于代謝菌的影響，避免由雌馬酚引起的抑制菌株生長的情況。Vázquez等[44]通過共表達雌馬酚產生基因 L-ddrc、L-dznr、L-dhdr和 L-thdr，構建一種能夠產生（S）-雌馬酚的抗性宿主大腸桿菌；Mao等[45]通過構建轉座子突變文庫篩選出了一株（S）-雌馬酚抗性大腸桿菌BL21（ydiS）菌株，可以克服（S）-雌馬酚對細菌生長的抑制作用，提高雌馬酚的體外產量，并且通過細菌全基因組掃描測序和體外表達首次鑒定出導致對（S）-雌馬酚能夠產生抗性的氧化還原酶基因ydiS。上述3種雌馬酚合成方法的分析如表1所示。

表1 雌馬酚合成方法匯總分析Table 1 Summary and analysis of synthetic methods of equol

2 雌馬酚的檢測

隨著近幾年對雌馬酚的深入研究，其檢測方法也不斷增多，主要有以下幾種檢測方法。

酶標記免疫吸附測定法：酶標記免疫吸附測定（enzyme-linked immuno sorbent assay，ELISA）是以抗原和抗體分子為測定靶標的方法，測定原理是利用被測底物被酶催化反應后形成有色物質，根據顏色的深淺程度對物質進行定性或定量分析。ELISA操作簡單，重現性好，靈敏度較高，但是有時會出現非特異性反應。Sébastien等[48]對12名健康的志愿者進行了隨機、雙盲、雙向交叉實驗，通過ELISA測定染料木素、大豆苷元及其代謝產物雌馬酚的血漿和尿濃度。

氣相色譜質譜聯用法：氣相色譜質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS） 是一種結合氣相色譜和質譜的特性，依據不同物質在流動相和固定相相互作用而產生不同的分配效率，在試樣中分離并檢測不同物質的方法。Kenneth等[49]通過此方法檢測了素食主義者和非素食主義者兩類人群攝入大豆后血清和尿液中雌馬酚類型。

液相色譜質譜法：液相色譜質譜（liquid chromatography-mass spectrometer，LC-MS） 可以根據離子質荷比的大小將組分進行分離鑒定，并且能夠分離分析復雜有機混合物。Elghali等[50]通過LC-MS研究短雙歧桿菌15700和長雙歧桿菌BB536對大豆黃酮轉化為雌馬酚的影響。

紫外分光光度法：利用物質能夠吸收其波長范圍內的折射光，致使電子能級發生躍遷而產生吸收光譜，最終對物質進行定性或定量分析的方法。該方法重現性好，靈敏度高，操作簡易，準確性較高，檢測速度較快。李笑梅等[51]在對多個健康素食者腸道中的產雌馬酚菌生長條件優化的研究中，利用該方法測定雌馬酚的含量。

高效液相色譜法：高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）是利用被測物與流動相及固定相間產生的吸附、排阻等作用的大小不同，從而使不同組分按照先后順序從固定相中流出，最終實現分離和檢測目的。高效液相色譜法靈敏度高，流速高，分離效率高，適用于大分子、熱不穩定性的物質。Gaya等[52]采用高效液相色譜紫外檢測器法檢測植物雌激素，如異黃酮、鞣花單寧、木脂素，高效液相色譜電噴霧質譜法鑒定色譜峰，并與標準品的保留時間和紫外光譜特征進行對比驗證；Mao等[45]為提高S-雌馬酚的產量，構建一種S-雌馬酚抗性大腸桿菌，在研究中采用HPLC測定雌馬酚產量。

3 雌馬酚的富集

在醫藥、食品、化學等研究領域針對雌馬酚能夠降低心血管風險，較其前體物質具有較高的抗氧化活性和抗癌活性等優點[53-54]，進行了部分合成富集試驗，但由于化學合成過程中需要使用價格昂貴的化學試劑，副產物多，難以分離純化，所以導致化學合成的雌馬酚售價較高。研究者為解決上述化學合成法中的諸多問題，為能夠讓雌馬酚快速、高效地在食品、人體中得到富集，不斷發展微生物發酵、生物學方法來富集雌馬酚。Jeong等[55]對新型產雌馬酚菌副干酪乳桿菌JS1的基因進行分析，并通過使用副干酪乳桿菌JS1發酵玫瑰花提取物（fermentation of the P.lobata extract，FPE）研究對皮膚和腸道免疫應答的影響，結果表明，經JS1發酵后FPE中產生了對皮膚有益的雌馬酚，此外FPE對大腸的炎癥因子也有一定的抑制作用，因此新型食用產雌馬酚副干酪乳桿菌JS1和FPE可用于營養、美容類物質中以此達到富集雌馬酚的目的；ángela等[18]研究了在pNZ：TuR.dzr質粒的強組成啟動子下，探索了由Slackia isoflavoniconvertens DSM22006衍生的大豆苷元還原酶基因在9株乳酸菌和雙歧桿菌中的異源表達，結果表明，所有轉化菌株均能從大豆苷元、染料木素和大豆飲料中的異黃酮苷中獲得高產DHD 和 DHG，另外，乳球菌 MG1363 pNZ：TuR.dzr在大腸環境中表達重組大豆苷元還原酶，可促進產雌馬酚腸道微生物的產量，而其他重組菌株對腸道微生物生產雌馬酚的影響作用則相反。該重組菌株對開發富含DHD和DHG的發酵大豆飲料具有一定的價值，并且可以達到促進腸道微生物產生雌馬酚和5-羥基雌馬酚的目的；Mustafa等[56]通過體外試驗研究了商品益生元（果寡糖和菊粉）和糖（葡萄糖和蔗糖）對長雙歧桿菌BB536和短雙歧桿菌ATCC 15700將豆奶中異黃酮轉化為雌馬酚的影響，結果顯示，菊粉對雌馬酚的產生影響最大，在添加菊粉的豆漿中，長雙歧桿菌BB536和短雙歧桿菌ATCC15700共培養可提高雌馬酚的含量，最高達11.49 mmol/L。通過以上研究結果表明，可以通過提高豆漿中生物活性成分的生物利用度來提高豆漿營養價值的同時提高雌馬酚的產量。由于異黃酮生物轉化菌催化的還原反應，生物合成過程絕大部分必須在專性厭氧條件下進行，為克服轉化菌對氧敏感的問題，Gao等[57]通過從Slackia sp.AUH-JLC159中克隆了大豆苷元和染料木素還原酶基因（dgr），首次將重組大腸桿菌（E.coli）全細胞作為生物催化劑，結果表明重組大腸桿菌全細胞對大豆苷元或染料木素的最大轉化濃度從0.4 mmol/L提高到1.4 mmol/L，重組大腸桿菌全細胞是一種高效的生物催化劑，在好氧條件下也能生物合成異黃酮代謝物；Lee等[43]通過克隆Slackia isoflavoniconvertens DSM22006中參與生物合成的4種酶到大腸桿菌BL21（DE3）菌株中，然后將菌體制備成10倍靜息細胞轉化體系，當底物為大豆苷元時，可實現85%的轉化率，Lee等[58]又將上述的重組菌株以相同的條件作用于染料木素，實現了95%的轉化率。

目前雌馬酚的富集主要通過天然微生物發酵（可添加益生元共同作用）和生物學手段，通過雙歧桿菌、副干酪乳桿菌對相應底物進行發酵，使得基質中雌馬酚產量增加，解決了人工化學合成帶來的高成本、難分離純化的問題，但微生物發酵也存在著一定問題，如發酵時間較長而產率低。在大豆異黃酮轉化過程中，轉化菌催化的生化反應中至少有一步為還原反應，因此這就要求轉化菌必須在嚴格厭氧的條件下進行培養發酵，所以導致菌株培養條件較難控制。通過基因工程或者利用發酵與多種生物學手段相結合的方式富集雌馬酚，達到了高效、快速合成雌馬酚的目的。上述研究中利用基因重組構建耐氧突變菌株，達到了產雌馬酚菌株在好氧條件仍能高效合成雌馬酚的目的。國內外對于耐氧菌株的研究極少，雖然上述研究已經重組構建出耐氧菌，但是該耐氧菌株在有氧條件下生長緩慢，所以目前對于構建出既能夠正常生長又能高效轉化雌馬酚的耐氧菌株是實現雌馬酚高效、快速生產的關鍵。

4 總結與展望

雌馬酚是異黃酮類物質的腸道微生物代謝產物，諸多研究已經表明其具有多種藥理活性，并且其自身還可以促進產雌馬酚腸道微生物生產雌馬酚。越來越多的人已經認識到雌馬酚對于人體的有益作用，因此研究者開始了對雌馬酚不斷的深入研究。目前，雌馬酚的人工化學合成方法已經得到了極大的改善，但仍然存在成本高、反應過程復雜、難分離純化等關鍵性的問題，所以通過化學合成的雌馬酚主要用于研究大豆異黃酮代謝產物的性質，因而并沒有得到大規模的生產和使用。未來對于雌馬酚的研究最重要的是研發更加高效、快速的制備方法，構建耐氧突變菌株和優化有氧轉化工藝，為雌馬酚的有氧合成提供新的耐氧突變菌，是進一步提高雌馬酚的合成效率和實現雌馬酚的高效有氧合成的關鍵。同時，研究者還應著眼于通過膳食提升人體產雌馬酚的能力以及補充產雌馬酚菌株來實現非雌馬酚產生者的轉變等方向，并借助宏基因組學、代謝組學等多種組學分析技術來進一步闡明雌馬酚的產生通路及與人體腸道菌群的相互作用關系，以此實現雌馬酚更深入的研究。