微生物转化植物次生代谢产物进展

网络出版时间：2013-05-06 17:12
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微生物转化植物次生代谢产物研究进展
邹宇1，马堃1，尹冬梅2,*
（1.大连民族学院生命科学学院，辽宁大连116600；2.上海应用技术学院生态技术与工程学院，上海201418）摘要：植物次生代谢产物具有许多重要的生理功能，它的微生物转化成为近年来的研究热点。

本文综述了植物次生代谢产物的种类和功能以及微生物转化植物次生代谢产物的类型和特点，展望了微生物转化技术在生物活性物质生产和医药保健品研发等领域的广阔应用前景。

关键词：微生物转化，植物次生代谢产物，研究进展
Research advance of microbial transformation of plant secondary metabolite
ZOU Yu1, MA Kun1, YIN Dong-mei2,*
(1. College of Life Science, Dalian Nationalities University, Liaoning Dalian 116600, China; 2. Ecology School,
Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China)
Abstract: The plant secondary metabolites possessed many important physiological functions and its microbial transformation became a hot research topic in this field in recent years. In this paper, several species and function of plant secondary metabolite had been summarized. Meanwhile, various types and characteristics of microbial transformation of plant secondary metabolite had been introduced. Moreover, it was predicted that microbial transformation would have wide application prospect in production of bioactive substances and development of pharmaceuticals and health foods.
Key words: microbial transformation; plant secondary metabolite; research advance
中图分类号：TS03 文献标识码：A 文章编号：
植物是人类赖以生存的重要物质基础，它不仅提供生命活动所需的碳水化合物、蛋白质和脂类等初生代谢产物，同时也提供许多具有重要生理功能的次生代谢物产物，如生物碱、酚类、萜类和黄酮类等化合物。

早在远古时代，人类就将这些植物次生代谢产物用于制作香料和食物防腐等，直到今天，这些次生代谢产物仍然在人类生活中扮演着重要角色[1]。

然而，长期盲目采集致使生态环境遭受严重破坏，许多重要的野生植物资源趋于灭绝。

而且，在通常情况下，天然植株中具有生物活性的次生代谢产物含量很低，提取成本过高；而采用化学合成法，又会遇到工艺流程复杂、副产物多、易造成环境污染以及存在安全隐患等许多问题[2-3]。

面对上述诸多难题，科学工作者探索了应用微生物转化法来获取植物次生代谢产物的新途径。

近年来，此领域的研究已取得许多令人鼓舞的进展，本文就此进行综述，旨在为今后的研究提供参考。

1 植物次生代谢产物的种类和功能
植物次生代谢产物种类繁多，结构复杂，包括酚类、黄酮类、糖苷类、萜类、甾类、皂苷类、生物碱等。

按照结构和功能植物次生代谢产物可分为酚类、萜类和生物碱三大类。

1.1 酚类物质
广义的酚类化合物分为黄酮类、多酚类和醌类。

黄酮类是一大类以苯色酮环为基础，具有C6-C3-C6结构碳架的酚类化合物，很多黄酮类成分用于心血管疾病的治疗，如从槐树槐米中提取的黄酮类物质——芦丁可用于治疗毛细血管脆性而引起的出血症以及辅助治疗高血压等[4]。

多酚类是苯环上含有一个或多个烃基取代基的化合物，具有较强的抗氧化能力，可清除的自由基，抑制脂质过氧化，保护细胞免受氧化胁迫损伤[5]。

醌类化合物是萘、蒽等苯式多环烃的芳香族氧化物，它的存在是植物呈色的主要原因之一。

一些醌类化合物是植物抗菌、抗癌的主要活性成分，如胡桃醌、茜草素、紫草宁等[6]。

1.2 萜类化合物
萜类是由多个异戊二烯单元组成的化合物，通过异戊二烯途径，不同个数的异戊二烯单元分别组成单
* 通讯联系人
作者简介：邹宇（1979-），男，博士，讲师，研究方向：食品生物技术。

萜、倍半萜、二萜、三萜和甾类等萜类化合物[7]。

单萜是植物挥发油和一些香料的主要成分，具有提神醒脑的作用[8]。

半萜和二萜化合物是植保素，具有抑菌作用，同时也具有重要的药用价值，如倍半萜成分青蒿素是目前治疗疟疾的最佳药物，而存在于红豆杉中抗癌药物紫杉醇则属二萜类化合物[9]。

三萜和甾类化合物的合成前体均为含30个碳原子的鲨烯。

甾类化合物由1个环戊烷多氢菲母核和3个侧链基本骨架组成，植物体内三萜皂苷元和甾体皂苷元分别与糖类结合形成三萜皂苷，如人参皂苷和薯蓣皂苷等，该类化合物具有降血脂和抗肿瘤等多种生理功能[10-11]。

1.3 生物碱
生物碱是含氮有机化合物中最主要的组成部分，已知的种类已达5500种以上，按其生源途径可分为真生物碱、原生物碱和伪生物碱[12]。

真生物碱和原生物碱都是氨基酸衍生物，区别在于原生物碱不含杂氮环，而伪生物碱则来自嘌呤、萜烯类或甾类化合物。

许多生物碱是药用植物的有效活性成分，如小檗碱、莨菪碱等，这些生物碱也是植保素，具有抗菌和消炎等多种生物活性[13]。

2 微生物转化植物次生代谢产物的类型
植物次生代谢产物的微生物转化实质上就是利用微生物所产生的酶系对植物次生代谢产物进行结构修饰的催化反应，其转化的反应类型包括羟基化反应、水解反应、糖基化反应、酯化反应、甲基化反应、去甲基反应等。

2.1羟基化反应
羟基化反应是微生物转化中一种常见的反应，是在分子的特定位置选择性地引入羟基，从而激活化学性质不活泼的C-H键，使该位点羟基化结构具有新的的生物活性，而化学合成很难完成这样直接的羟基化反应。

马晶等[14]利用刺囊毛霉AS3.3450 微生物转化甘草次酸，经羟基化反应后生成7-β-羟基甘草次酸，转化效果较好。

孙敏鸽等[15]使用荨麻青霉对莪术醇进行微生物转化，从发酵培养液中分离得到 2 种转化产物，经鉴定为3-α-羟基莪术醇和11-R-12-羟基莪术醇，均为羟基化后的新产物。

Jekkel等[16]采用链霉菌转化霉酚酸制备抑制免疫力药物霉酚酸酯，其中内酯环侧链的羟基化是该转化中最关键的一步反应。

2.2水解反应
水解反应是将一种化合物拆分为两种或两种以上新化合物的反应过程。

人参皂苷是人参中的主要活性成分，具有抗癌、抗氧化及抗衰老等多种生物活性[17]。

由于不同植物含有相似糖链的皂苷生物活性不同，因此，希望通过微生物酶的水解作用来对其进行结构改造，以获得高活性的人参皂甙。

韩颖等[18]利用人参种植土壤中分离出的127株微生物进行三七茎叶皂苷至高活性人参皂苷C-K的转化，结果表明霉菌M14水解效果较好，转化得率最高。

崔宇等[19]利用这株霉菌M14对人参果总皂苷进行生物转化，也成功的制备了人参皂苷C-K。

Ye等[20]和Rahman等[21]分别采用犁头霉和镰刀霉也实现了对黄芪皂苷和知母皂苷的水解转化。

2.3 糖基化反应
糖基化反应是生物转化中十分重要且有特殊意义的反应，它可以促使不溶于水的化合物转变为水溶性化合物。

糖基化主要是通过羧基或羟基与糖残基直接连接来完成反应。

朱宏莉等[22]从几十株霉菌和细菌中筛选出了一株能够转化合成天麻素的华根霉，可将天麻素前体——对羟基苯甲醛进行选择性的还原和糖基化，从而高效的获得天麻素。

Li等[23]采用青霉菌和链霉菌混合发酵制得一种具有生物活性倍半萜烯，经质谱分析其是倍半萜烯结合鼠李糖后的糖基化产物。

2.4 酯化反应
酯化反应通常是指醇和羧酸反应生成酯和水，而微生物转化反应中则泛指具有羟基和羧基基团的化合物结合形成酯类活性物质的反应。

Wang等[24]对25株真菌发酵穿心莲进行了试验，结果表明毛霉可高效地将穿心莲内的羟基和羧基化合物转化为新穿心莲内酯。

Chen等[25]采用小克银霉转化穿心莲制得脱水穿心莲内酯，并通过试验证明其也有较高的抑菌消炎作用。

Galal等[26]通过根霉、链霉菌和红酵母三种不同的微生物发酵转化小白菊内酯，均获得成功。

2.5甲基化反应
甲基化反应是甲基化合物将甲基催化转移到其他活性化合物的过程，该反应是对化合物活性部位的一种重要修饰。

Heratha等[27]采用毕氏酵母发酵生产抗癌物质黄腐酚，经测定发现发酵液中存在多种甲基化产物，包括甲氧基查尔酮、甲氧基黄烷酮等。

王秀伶等[28]比较了32种不同动物肠道微生物菌群对黄豆苷
原的甲基转化情况，其中14种菌群对黄豆苷原的代谢产物中出现了高活性植物雌激素雌马酚，其抗氧化活性比黄豆苷原高100倍以上。

2.6去甲基反应
去甲基反应是将化合物中的甲基去除的转化反应。

Dubey等[29]采用巨大芽孢杆菌转化秋水仙碱，通过脱去秋水仙碱3碳位上的甲基制得脱甲基秋水仙碱，优化后的培养基可使秋水仙碱的转化率达到55%。

Yang 等[30]利用木霉转化三萜烯，得到三种去甲基化产物，且均表现出强烈的抗艾滋病毒转移酶的活力。

3 微生物转化植物次生代谢产物的特点
微生物转化和化学合成相比较，具有反应条件温和、成本低、副产物少、后处理简单、污染少的优点，能够完成许多化学合成难以完成的反应。

3.1高度的选择性
微生物转化反应的实质是酶的催化反应，由于酶对底物的作用具有高度的专一性，因此微生物转化反应突出的特点是其具有高度的立体选择性和区域选择性。

王永宏等[31]通过选用一株高产β-葡萄糖苷酶菌株对栀子进行发酵，使其中的京尼平苷转化为更有应用价值的京尼平，由于对底物的高度选择性，发酵液中副产物少，从而实现了由底物到目标产物的高效转化。

付少彬等[32]利用植物内生菌对乌苏酸进行定向结构修饰，得到了活性更好的衍生物，这也是微生物转化对底物结构高度专一的结果。

3.2反应速度快
微生物转化反应速度比化学合成的催化反应速度要快很多，在最适条件下，微生物的酶催化反应能在很短的时间内使底物分子转变成目标产物。

董世建等[33]通过微生物转化生产d-伪麻黄碱，在适宜的转化条件下，经过24h能将1000mg/L的1-苯基-2-甲氨基丙酮转化为852.4mg/L的d-伪麻黄碱。

王晓玲[34]采用乳杆菌转化芍药苷为更具活性的芍药苷代谢素-I，在温度37℃和pH7.5的条件下，仅需6h可将5mg/mL的底物转化为目标产物。

3.3反应条件温和
微生物转化反应一般都在常温和常压条件下进行催化合成，无需化学合成中所需的高压、高温、强酸和强碱等激烈的反应条件。

白藜芦醇具有抗肿瘤、抗氧化、抗血栓和抗过敏等生理功能，是葡萄和虎杖等植物的重要次生代谢产物，Rommel等[35]采用酸水解法从虎杖根茎中制取白藜芦醇，这种方法不仅白藜芦醇产量低，而且酸碱会造成环境污染。

袁润蕾等[36]利用根霉菌对虎杖苷粗提物进行液态发酵，使虎杖苷转化成白藜芦醇，此种转化方法简单，条件温和，易于操作。

3.4成本低、得率高
微生物发酵所用培养基大多为农业副产物，具有来源广泛、价格低廉的特点，因此，微生物转化成本较低，如涂绍勇等[37]采用黑曲霉转化沙棘黄酮苷为黄酮苷元以及彭清忠等[38]利用真菌对姜黄素进行去甲基化转化中，均采用马铃薯作为培养基的主要成分。

微生物转化是酶的催化作用，这就保证了目标代谢产物的大量富集，而液体的转化环境也便于后期的分离纯化，因此得率较高，如Xu等[39]采用青霉转化京尼平苷为京尼平，转化率达到95%以上。

4 展望
近年来，采用微生物转化法生产植物次生代谢产物的研究方面已取得了一定的进展，和化学合成法相比较，微生物转化法具有明显优势，其工业应用潜力巨大。

随着现代生物技术和基因工程技术的迅速发展，通过诱变筛选新的微生物菌种或改建基因工程菌，可使更多的植物次生代谢产物由微生物转化法来生产。

相信在不久的将来，微生物转化必将在生物活性物质的生产和医药保健品的研发等领域发挥更大的作用。

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