平菇在醫(yī)藥、化工、環(huán)境保護領域的研究進展

李坤鵬,郭楊子,王俊明,王晨瑩,任喜東*

1(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室,山東 濟南,250353)2(齊魯工業(yè)大學 (山東省科學院)山東省微生物工程重點實驗室,山東 濟南,250353)3(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 食品科學與工程學院,山東 濟南,250353)

隨著人類社會的不斷發(fā)展,人們面臨的問題也逐漸增多,例如:糧食短缺、疾病肆虐、土壤污染、水系污染等。為了解決這些問題,研究人員需要不斷地尋找新的方法。而平菇這種日常生活中常見的食物漸漸進入了研究人員的視野。研究發(fā)現,平菇具有生長周期短,產量高等優(yōu)良特性,并且具有良好的營養(yǎng)價值和藥用價值[1]。近年來,隨著研究人員對平菇用途的進一步探索,平菇已經在醫(yī)藥、化工、環(huán)境保護等領域得到了廣泛應用。

平菇,學名為Pleurotusostreatus,別名為糙皮側耳[2]、北風菌,是擔子菌門層菌綱傘菌目側耳科側耳屬真菌。子實體叢生或疊生,形狀為扇狀、貝殼狀、不規(guī)則的漏斗狀,顏色一般為灰色或灰白色,少數為紅色等。平菇因其富含多種營養(yǎng)物質且味道鮮美,故而在世界各地被廣泛種植。此外,平菇也是我國目前工業(yè)栽培最常見、最廣泛的可食用蘑菇品種之一,深受我國人民的喜愛。

平菇富含蛋白質、氨基酸、礦物質、膳食纖維、維生素等營養(yǎng)成分[3],這些營養(yǎng)成分具有抗氧化[4]、抗炎、免疫調節(jié)等作用,故而廣泛應用于醫(yī)藥領域。據記載,從史前時代起,蘑菇就已經作為食物和藥材被人們使用。中醫(yī)認為,平菇性溫、味甘,對預防肥胖、高血糖等疾病有著良好的效果。經常食用平菇,可以改善人體內的新陳代謝,增強體質。

1 平菇營養(yǎng)成分

平菇中含有豐富的營養(yǎng)物質,包括多糖、蛋白質、維生素[5]、礦物質[6]、脂質、酚類化合物[7]、萜類化合物及其他物質。同時,由于平菇的生長環(huán)境各不相同,其營養(yǎng)組成成分存在一定的差異,從而表現出不同的營養(yǎng)價值。表1是在不同研究中發(fā)現的平菇的各種營養(yǎng)成分及含量。

1.1 平菇多糖

平菇多糖是一種具有優(yōu)良營養(yǎng)和治療性能的保健化合物[20]。根據組成單糖的類型、分子質量、分支和結構構象可以將平菇多糖分為多種類型,不同種類的平菇多糖存在不同的生物活性?，F階段人們還未完全了解平菇多糖,只開發(fā)出平菇多糖的部分功能。例如:清除自由基,降低人體血糖含量,加強免疫細胞活力、抑制癌變細胞,消除炎癥等。

表1 平菇營養(yǎng)成分表Table 1 Nutritional Composition of P. ostreatus

1.2 蛋白質

平菇中富含蛋白質,是生物體獲取蛋白質的重要來源之一。平菇經過干燥后,其蛋白質含量可達到平菇總物質含量的15%～40%,高于大多數糧食、蔬菜中的蛋白質含量。此外,平菇中含有的氨基酸種類達到了17種,其中包括人體所必需的8種氨基酸。而且,平菇之所以味道鮮美,這也是因為氨基酸之間的相互作用。非揮發(fā)性的滋味物質——氨基酸與揮發(fā)性的香味物質兩者共同作用,造就了平菇獨特的鮮美風味。

1.3 維生素

平菇是生物體獲取維生素的重要來源。平菇中含有多種維生素,其中包括維生素A、維生素B、維生素C、煙酸和麥角甾醇等。其中,麥角甾醇是平菇子實體中的一種特殊的維生素,其由子實體中的甾醇經過紫外線輻射轉變而成,具有抗菌、抗氧化和增強人體免疫力等作用,對保護人體健康起著重要作用。

1.4 礦物質

平菇富含鐵、鉻、鉀、銅、鋅、硒、磷、鎂等礦物質[21]。其中,以硒、鋅的含量為最,主要存在于子實體中,對預防心血管疾病有著良好的效果。此外,平菇中的鈉含量極低,遠低于其他蔬菜中的鈉含量。食療專家認為,平菇是高血壓患者的安全選擇。通過食用平菇,可以有效地降低高血壓疾病的發(fā)生率。

1.5 脂質

平菇中存在少量的脂肪,以不飽和脂肪酸為主,特別是油酸和亞油酸。亞油酸是人體營養(yǎng)所必需的脂肪酸,具有治療動脈硬化的功效。亞油酸還是1-八烯-3-醇的前體,而1-八烯-3-醇則是一種重要的芳香族化合物,也是平菇具有特殊風味的關鍵因素。

1.6 酚類化合物

酚類化合物是指芳香環(huán)上的氫被羥基所取代的芳香族化合物,一般都具有特殊的芳香氣味。根據芳香環(huán)上羥基的數量可以將酚類化合物分為一元酚和多元酚。酚類化合物不僅具有突出的抗氧化能力,還具有消除炎癥、抗病毒、抑制癌變細胞等作用。

1.7 萜類化合物

萜類化合物是指由甲戊二羥酸衍生而成的以異戊二烯單元為基本結構單元的化合物及其衍生物,根據異戊二烯的數量可以將萜類化合物分為單萜、倍半萜、二萜等。萜類化合物具有良好的抗癌、抗病毒、抗炎效果,被廣泛應用于制藥和化妝品行業(yè)。

1.8 酶系

酶是一種由活細胞產生的,對其底物具有高度特異性和高效催化性的蛋白質或RNA。平菇中含有豐富的功能酶,例如漆酶、過氧化酶等。這些酶或單獨發(fā)揮其特定功能,如漆酶可以氧化多酚物質,過氧化酶可以催化過氧化氫;或與其他酶形成酶系,進而充分發(fā)揮其特定功能,如漆酶可以與纖維素酶共同降解木質纖維素,促進農業(yè)廢棄物的循環(huán)利用,漆酶與過氧化酶能夠治理水污染,去除污水中的酚類物質、氟西汀等污染物,降解染料顏色等。

1.9 其他

平菇中還存在大量的其他物質,這些物質的作用或已被人類開發(fā)利用,或仍處于探索階段,相信不久之后人們就可以了解它的作用機制及用途,進而促進人類社會的進步與發(fā)展。

2 醫(yī)藥領域

平菇含有豐富的生物活性物質,如酚類、萜類、生物堿和多糖-蛋白質復合物等,是益生元的潛在來源。這些生物活性物質具有抗癌、抗氧化、抗炎和免疫調節(jié)等特性[22],對人體健康有著極大的幫助,尤其是在預防或改善非傳染性疾病方面,有著十分顯著的效果。故而,平菇是一種潛在的藥材原料來源,在新藥的研發(fā)領域具有廣闊的應用前景。

2.1 抗氧化劑

新陳代謝是人體內維持正常生理功能的重要方式之一。在代謝過程中,細胞除了會產生人體所必需的能量物質,還會產生一些有害物質,如活性氧和活性氮。這些有害物質可以與有機化合物發(fā)生反應,對生命系統(tǒng)造成破壞。平菇具有顯著的抗氧化特性,它含有豐富的抗氧化化合物,可以保護機體進行正常的生命活動。

大量的研究實驗表明,抗氧化活性是各種生物活性的基礎[23]。早在20世紀人們就成功從平菇中提取出平菇多糖,并發(fā)現其具有良好的抗氧化能力。平菇多糖通過提高過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶和總超氧化物歧化酶的抗氧化能力,清除細胞中的活性氧和自由基[24],并反向降低丙二醛水平,從而表現出高抗氧化活性,緩解細胞氧化損傷。2021年,研究人員在平菇中發(fā)現了一種新型多糖——PEPA-1a。該多糖是由葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、甘露糖和n-乙酰半乳糖胺等單糖組成。在體外抗氧化實驗中,PEPA-1a對HT29和PC3細胞均表現出良好的抗增殖活性,是一種天然的抗氧化劑[13]。上述研究均表明,平菇具有良好的抗氧化活性,是一種非常有潛力的天然抗氧化劑來源。

2.2 抗癌藥物和免疫調節(jié)劑

癌癥是威脅人類健康的重大疾病之一,至今沒有合適的方法根治。研究表明,平菇生物活性物質具有抗癌活性和免疫調節(jié)活性[25]。其作用機制是激活體內免疫系統(tǒng),結合自身對癌細胞的抑制效果來達到治療癌癥的目的。

平菇中含有多種多糖,可以作為益生元的潛在來源。這些多糖具有良好的免疫調節(jié)活性和抗腫瘤活性,其作用與免疫效應細胞相似,在先天性和適應性免疫中發(fā)揮著重要作用[26]。以平菇硒多糖為例,平菇硒多糖可以通過刺激CD80/CD86表達,激活NF-κB受體激活蛋白,進而促進RAW 264.7細胞分泌各種物質[15],起到增強RAW 264.7細胞增殖和吞噬的作用。

平菇多糖除了可以激活免疫系統(tǒng)外,其本身還可以作為一種癌癥預防劑。它可以通過減少腫瘤細胞的轉移、抑制腫瘤癌細胞達到治療癌癥的效果[27]。

2.3 抗炎劑

平菇是一種具有控制炎癥潛力的功能性食物。其介導的抗炎機制有4種,分別是抗組胺活性、抑制細胞向炎癥部位的遷移、體外膜穩(wěn)定活性和抑制NO的產生[28]。平菇通過降低炎癥介質活性抑制巨噬細胞活性,進而減輕細胞炎癥,達到治療炎癥的效果。

平菇中的葡聚糖具有較高的抗炎活性,它的作用對象是外周血中性粒細胞。葡聚糖通過調節(jié)中性粒細胞效應功能,治療腸道炎癥[14]。平菇生物活性物質也可以治療消化性潰瘍。例如,麥角硫因在治療潰瘍性結腸炎中,通過下調促炎因子的表達,抑制TLR4/MyD88/NF-κB表達信號通路,減輕結腸長度縮短和結腸病理損傷[29],來達到治療潰瘍的效果。

2.4 抗糖尿病藥物

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝紊亂性疾病。平菇具有降血糖的功效[30],它對糖尿病的治療療效已有報道。平菇可以治療由鏈脲佐菌素引起的糖尿病[31],它通過降低空腹血糖含量及α-淀粉酶、α-葡萄糖苷酶和ACE活性達到治療糖尿病的效果。

此外,研究人員從平菇與柑橘混合發(fā)酵培養(yǎng)液中提取到一種新型多糖——CFP。該多糖通過非競爭性抑制和調節(jié)HepG2-IR細胞中的胰島素抵抗有效抑制葡萄糖苷酶[16],促進葡萄糖攝取和糖原合成,達到降低血糖的效果。

大量研究表明,平菇具有良好的降血糖效果。平菇被認為是一種天然健康的降血糖食物,在預防和治療糖尿病方面有著巨大的潛力。

2.5 抗病毒藥物

病毒的起源和來歷非常神秘,至今沒有定論。病毒是一種非細胞生命形態(tài),僅由核酸長鏈和蛋白質外殼構成,并且廣泛分布于生活中的每一個角落,隨時隨地都會對人體造成傷害。

平菇生物活性物質中的β-葡聚糖具有良好的抗病毒效果,尤其是對單純皰疹病毒I型[32]。在治療皰疹時,β-葡聚糖可以降低皰疹癥狀的發(fā)病強度和持續(xù)時間,并且在治療過程中不會產生明顯的副作用。平菇生物活性物質除了對單純皰疹病毒I型具有抑制作用外,對Ad7和HSV2病毒也具有很好的抗病毒活性,對癌細胞系也有細胞毒性作用[33]。此外,平菇生物活性物質對RNA病毒也具有抑制作用。它可以干擾RNA病毒生命周期中的不同目標[34],造成RNA病毒不能正常的繁殖復制。上述研究均表明,平菇生物活性物質對某些病毒存在一定的抑制作用,是抗病毒藥物的潛在來源。

3 化工領域

19世紀以后,人類文明進入了高速發(fā)展時期,科學技術突飛猛進,工業(yè)迅速發(fā)展,但在這個過程中人類對環(huán)境造成了難以估計的破壞,自然環(huán)境受到嚴重污染。這就需要轉變工業(yè)發(fā)展方式,將保護自然環(huán)境與維持經濟發(fā)展相結合。

3.1 建筑材料

為實現工業(yè)綠色環(huán)保發(fā)展,尋找環(huán)保工業(yè)材料替代傳統(tǒng)材料成為其中任務之一。研究發(fā)現,平菇與一些農、林廢棄物共同培養(yǎng)形成的菌絲復合材料具有良好的建筑特性[35]。這種由真菌菌絲和有機基質組成的復合材料具有無排放、無毒、低成本、熱穩(wěn)定性好、疏水性強、機械強度高、可回收利用等特點,其特性均符合國家標準,從而被廣泛應用于包裝、保溫、建筑等領域,是傳統(tǒng)材料的良好替代品。同時,真菌在材料中的廣泛應用和使用標志著真菌是改善全球環(huán)境可持續(xù)性的先驅[36]。

3.2 柔性材料

平菇在新型工業(yè)材料行業(yè)上也具有良好應用前景。平菇菌絲或子實體可以制成如β-葡聚糖基泡沫、皮革、紙張和紡織品等循環(huán)性柔性材料。柔性真菌材料的主要組成成分是幾丁質和β-聚葡聚糖。幾丁質是一種由N-乙酰葡糖胺通過β連接而成的多糖,其作用主要用于造紙。采用幾丁質制作的幾丁質紙,具有最好的抗拉強度[37]。平菇β-葡聚糖則具有良好的乳化性質,一般用于制備乳化劑。這種由成分天然無害且具有固定生物活性的聚合物成分制成的乳化劑將逐漸代替普通乳化劑,成為一種健康可持續(xù)的產品。平菇菌絲體或子實體經過特殊處理后還可以制成皮革,并且該皮革具有韌性強、環(huán)?？苫厥盏葍?yōu)良特性。因此,平菇菌絲或子實體成為一種替代動物和合成皮革的環(huán)保替代品[38]。

3.3 化妝品

隨著經濟的發(fā)展、生活質量的不斷提高,人們越來越重視自身保養(yǎng),這也導致全球化妝品市場需求的持續(xù)增長。而且,人們在對化妝品高需求的同時,也更加注重其成分的來源、安全等問題。這就促使化妝品生產廠家去尋找、使用更加安全、環(huán)保、可持續(xù)的天然原材料。

平菇是天然活性化合物的主要來源。平菇生物活性物質具有高抗氧化性、抗衰老性等特性從而被廣泛用作藥妝成分。研究發(fā)現,通過平菇富鋅液體發(fā)酵可以獲得具有強抗衰老能力的菌絲鋅多糖。它能夠抑制由衰老產生的不利影響,從而延長生物體壽命[12]。例如,淡化皮膚細紋、皺紋,防止皮膚老化,保護皮膚質地,減少色素沉著[39]。目前,蘑菇藥妝成分正逐漸進入化妝品市場,其作為一種安全、環(huán)保的天然成分在化妝品市場中有著巨大的應用前景。

4 環(huán)境保護

由于平菇的生長特性及其在生長過程中分泌的物質,平菇在治理環(huán)境污染方面有著十分重要的地位,平菇綠色生物技術也隨之誕生。平菇的綠色生物技術包括對污染土壤、水的真菌修復和生物發(fā)酵[40]。

4.1 生物發(fā)酵

在工農業(yè),每年都會產生大量的木制廢棄物,這些木制廢棄物的腐爛、燒毀或未被利用,都將導致環(huán)境進一步惡化。平菇是一種腐殖質真菌,可以降解木質纖維素,將富含木質纖維素的工農廢棄物轉化成其他生物質。

大量研究表明,葡萄渣、廢咖啡渣、松果、豆腐渣[41]、椰殼、蔬菜廢棄物[42]、麥草、稻草、棉花桿、甘蔗渣、橡膠樹木屑等農業(yè)廢料都可以制成平菇生長基質,并且平菇在該生長基質上可正常生長繁殖。這項研究證明了絕大多數的有機廢棄物都是平菇生長的理想基質[43],同時也證明了平菇在實現工農業(yè)廢物完全循環(huán)使用方面的潛力,對開發(fā)非常適合生物基礎社會的生產系統(tǒng)具有重要意義[44]。

此外,平菇還可以將農作物廢棄物、食物殘渣等轉化為生物肥料,從而改善土壤特性。研究結果表明,經過平菇轉化的生物肥料可以為土壤補充各種有機物質、微量元素等,能夠調節(jié)土壤pH值,提高土壤保水能力,降低土壤鹽度等[45]。

4.2 土壤修復

在環(huán)境保護領域,平菇最為廣泛的應用是土壤修復[46]。在人類文明的發(fā)展過程中,發(fā)現、生產并使用了各種各樣的化學物質,這其中包括氯酚、乙草胺、多氯聯(lián)苯等含有鹵素的化合物。這些化合物在環(huán)境中不斷積累,造成了土壤和水系的嚴重污染。腐殖質真菌可以通過降解有害污染物或富集重金屬離子[47],來修復被污染的土壤和水系,達到治理環(huán)境污染的效果。

大量實驗證明,平菇具有去除土壤污染物,修復土壤的作用。通過平菇廢堆肥技術,可以有效處理土壤中的六氯環(huán)己烷[48]。在受到多氯聯(lián)苯污染的土壤上平菇也可正常生長,并降解50%～90%的有害污染物[49]。此外,平菇還可以對雙環(huán)鹵內酯進行生物轉化。而且經過平菇轉化后的雙環(huán)鹵內酯不僅不會對環(huán)境造成污染,還可以重新用于多種用途,例如應用在農業(yè)等領域。

4.3 水系修復

平菇修復水系的方法主要分為兩種,一種是物理吸附法,另一種是酶處理法。物理吸附法是利用平菇廢棄培養(yǎng)底物中富含碳基、羥基和酰胺基的天然聚合物為廢水處理過程中的污染物提供活性結合位點,從而吸附污染物[50]。例如,平菇廢棄培養(yǎng)底物與SO2、NaOH結合可以去除水溶液中的鎘[51]。

酶處理法是利用平菇中的過氧化物酶和漆酶降解污染物。研究發(fā)現,漆酶可以有效去除廢水中的氟西汀[52]、多環(huán)芳烴、雙氯芬酸和二甲雙胍等污染物[53]。將漆酶進行純化后,其對偶唑染料、雜環(huán)染料和芳香染料具有高效的解色活性[54],這說明漆酶也可以處理廢水顏色問題。

由此可見,以平菇為基礎開發(fā)出一種全新的生物處理方法,在環(huán)境廢水處理領域有著巨大的應用潛力。

5 結論及未來展望

如圖1所示,平菇中的主要營養(yǎng)物質為蛋白質、維生素、礦物質、脂質、多糖、酚類化合物、萜類化合物和其他物質等。這些物質存在不同的作用,有著廣泛的用途。如平菇多糖、酚類化合物、萜類化合物這類物質可以應用于藥物研發(fā)領域,如抗氧化藥物、降血糖藥物、抗炎藥物、抗病毒藥物、抗癌藥物和免疫調節(jié)劑等;平菇多糖、酚類化合物及其他這類物質也可以應用于化工領域,如化妝品等產品的開發(fā);平菇菌絲或子實體經過特殊發(fā)酵處理后可應用于研制建筑材料、皮革、紙張等菌絲復合材料;平菇中豐富的酶系則可以應用于環(huán)境保護領域,如降解木質纖維素、治理土壤污染、水系污染等。

平菇的消費歷史悠久,其在中國古代就已經被人們利用。但從實用角度來看,平菇一直沒有得到充分的開發(fā)和利用。本文綜述了平菇在醫(yī)藥、化工、環(huán)境保護等領域的潛在益處?，F有文獻表明,平菇具有多種不同的藥理特性,可以預防和治療某些疾病。平菇具有藥理特性是因為其菌絲或子實體等結構中存在的大量次級代謝物。這些次級代謝物可以以協(xié)同或非協(xié)同的方式作用于人體的各項生物學功能,從而達到改善和治療有機體的目的。其中,平菇多糖是平菇能夠擁有多種藥理特性的關鍵角色。由于平菇多糖具有抗氧化、抗炎、抗癌和降血糖等作用,因而平菇在治療炎癥、糖尿病、癌癥等疾病方面有著良好的效果。酚類、萜類等化合物則在抵抗病毒方面有著較好的作用。現階段開發(fā)用于人類衛(wèi)生保健的藥品和天然產品的形勢十分嚴峻,關于平菇藥理特性的絕大多數研究仍處于實驗室階段,尚未進行到臨床應用階段,其作用機制仍需進一步探索。

平菇在化工領域的研究熱點主要集中在菌絲復合材料和柔性材料上。菌絲復合材料不是人為制造的一種新型材料,它是生物材料或復合材料生長所產生的材料。該材料主要是利用平菇菌絲作為一種天然黏合劑,將菌絲固定在有機基質上,經過一段時間的生長,菌絲就會遍布整個有機基質,形成一個超密集的線網絡,此時形成的材料經過初步加工即可變成菌絲復合材料。柔性材料則是通過對平菇生物質進行一系列的發(fā)酵處理,再加工成皮革、紙張等材料。與傳統(tǒng)合成材料相比,這種菌絲體衍生材料有著低成本、低密度、低能耗和生態(tài)友好性等優(yōu)點。正是由于這些突出優(yōu)點,菌絲體衍生材料正迅速引起人們的關注,并且這項技術的巨大潛力體現在對改善全球環(huán)境可持續(xù)性方面的影響上。

基于平菇衍生出的綠色生物技術進行環(huán)境治理的新方式,在環(huán)境保護領域擁有巨大的應用前景。該技術主要依靠平菇所產生的各種功能酶,其主要功能酶有漆酶和過氧化酶兩種。因其功能酶之間的相互作用,從而使得平菇具有降解木質纖維素、有毒物質的能力。由此可見,利用平菇進行木質纖維素生物降解、有害物質生物降解、廢水治理、土壤改良等方面的研究,是一種可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

未來對平菇等蘑菇的開發(fā)和利用還需進一步探索。在醫(yī)藥領域,應該查明使平菇擁有某種藥理特性的具體物質成分,充分了解該物質的物理、化學等特性,以及它在機體內的作用部位、途徑和機理等。近年來由于新冠病毒、癌癥的肆虐,未來醫(yī)藥領域的研究方向逐漸趨向抗癌、抗病毒藥物的研發(fā)。而平菇具有良好的抗病毒、抗癌的藥理特性,可以作為研發(fā)抗癌、抗病毒藥物的天然原材料。相信隨著研究人員的不斷探索,以平菇等天然原材料為主的抗癌、抗病毒藥物將取代傳統(tǒng)化學合成藥物。在化工領域,通過平菇等綠色天然材料開發(fā)出的化工產品不同于傳統(tǒng)化學合成產品,該產品具有無毒、環(huán)保、可回收等特點,更加符合大眾需求,未來將成為化工主流產品。在環(huán)境保護領域,基于平菇開發(fā)出的綠色生物技術不僅可以治理環(huán)境污染問題,還可以創(chuàng)造額外的經濟價值。未來平菇不僅可以在醫(yī)藥、化工、環(huán)境保護領域得到廣泛應用,在其他領域也有著巨大的應用前景。例如,食品保健領域中功能性食品的研制。人們通過食用功能性食品達到改善機體健康的目的。總而言之,平菇在人類社會發(fā)展中有著巨大的應用潛力,相信在不久的將來人們就可以闡明其成分的作用機理,將其廣泛應用到醫(yī)藥、化工、環(huán)境保護、食品保健等領域。