DOI:10. 13995 / j. cnki. 11 - 1802 / ts. 034175
引用格式:周思静,乔宇琛,刘桂君,等. 蝉花的研究现状与分析[J]. 食品与发酵工业,2024,50(1):341 - 350. ZHOU Sijing, QIAO Yuchen, LIU Guijun, et al. Research progress and analysis of Cordyceps chanhua [ J]. Food and Fermentation Industries,2024,50(1):341 - 350.
周思静1,2,3 ,乔宇琛1 ,刘桂君1∗ ,陈伟2,3 ,王平1 ,宋梅芳1 ,王成涛2,3∗1(北京市科学技术研究院辐射技术研究所,北京,100875)2(北京工商大学,北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京,100048)3(北京工商大学,北京市食品添加剂工程技术研究中心,北京,100048)
第一作者:博士研究生,高级工程师(刘桂君正高级工程师和王成涛教授为共同通信作者,E-mail:liu_guijun01@ 163. com;wct5566@ 163. com)
基金项目:北京市科学技术研究院北科萌芽计划课题(BGS202213);北京市科学技术研究院创新培育项目(23CB091)
收稿日期:2022-11-02,改回日期:2023-01-17
摘 要 蝉花为我国食药用历史悠久的虫草类真菌之一,具有调节免疫力、抗肿瘤、改善肾功能等多种生理功效。该文综述了蝉花在物质成分、人工发酵培养技术、生物活性作用及组学等方面的研究进展,并对蝉花未来的发展前景进行展望,以期为蝉花的基础研究及在食品、药品和化妆品等方面的应用开发提供参考。
关键词 蝉花;物质成分;生物活性;人工培养;组学进展
蝉花(Cordyceps chanhua) 又名大蝉草菌、虫花、蝉蛹草等,为蝉拟青霉感染蝉科山蝉幼虫所形成的虫菌复合体,分类学地位属于菌物界(Fungi),子囊菌门(Ascomycota),粪壳菌纲(Sordariomycetes),肉座菌亚纲(Hypocreomycetidae),肉座菌目( Hypocreales),虫草菌科(Cordycipitaceae)[1] 。蝉花是我国分布比较广泛的虫草类真菌,主要分布在浙江、江苏、安徽、湖北、湖南、广东、四川、云南、福建和台湾等地,此外,南亚、欧洲、北美等地亦有分布[2] 。蝉花具有悠久的药用历史,最早记录可见于公元五世纪南北朝时期雷斅的《雷公炮炙论》,“ 蝉花,凡使,要白花全者。凡收得后,于屋下东南角悬干,去甲、土后用浆水煮一日,至夜,焙干,碾细用之”,宋代唐慎微撰《证类本草》中记载其“味甘,寒,无毒。主小儿天吊,惊痫螈,夜啼心悸”,李时珍的《本草纲目》记载“蝉花可治疗惊痫,夜啼心悸,功同蝉蜕” 等,传统中医认为蝉花性寒、味甘、无毒,能镇惊解痉,熄风散热,透疹止痒,明目退翳[3] 。现代研究表明蝉花具有多种生理功效,如免疫调节、抗肿瘤、抗疲劳、改善肾功能等。已在蝉花中发现含有核苷类、甾醇、多糖、芳香族物质、氨基酸等多种与冬虫夏草及蛹虫草中相同的物质成分,因此,有学者认为蝉花可作为冬虫夏草的替代品使用[4 - 5] 。2021 年我国卫生健康委员会批准人工培育的蝉花子实体可作为新食品原料使用,将蝉花的应用领域从传统中医药拓展到食品领域,应用范围进一步扩大,使得未来蝉花需求量急剧增加,市场潜力巨大。
虽蝉花的研究不如冬虫夏草和蛹虫草等虫草类真菌的研究多,研究起步也相对较晚,但近几十年来,对蝉花的研究也取得了一定的进展。本文主要从蝉花物质成分、人工培养技术、生物活性作用、组学进展等方面进行综述概括,以期为蝉花的基础研究及在食品、药品、化妆品等多领域的应用开发提供参考。
1 蝉花的物质成分
蝉花、冬虫夏草、蛹虫草作为颇具代表性的虫草真菌。研究已证实蝉花含有丰富的营养成分和多种活性物质成分,目前已从蝉花中分离到氨基酸、脂肪酸等营养物质成分以及核苷类、多糖类、甾醇类等多种功能活性物质。
1. 1 营养物质成分
蝉花富含蛋白质、必需氨基酸、不饱和脂肪酸、矿物质元素等多种营养成分物质,具有较高的营养价值。研究表明蝉花中粗蛋白含量较高,野生蝉花蛋白质含量为19. 65% , 蝉花菌丝体蛋白质含量为25. 38% ,孢梗束、菌丝体、野生蝉花的蛋白含量对比为:蝉花孢梗束> 蝉花液体发酵菌丝体> 野生蝉花,且富硒培养可提高蝉花孢梗束的蛋白质含量;蝉花中富含18 种氨基酸,必需氨基酸含量较高,可达40% ,必需氨基酸的含量对比为:蝉花液体发酵菌丝体> 野生蝉花> 蝉花孢梗束,富硒可提高氨基酸中蛋氨酸、甘氨酸、丙氨酸的含量[6 - 8] 。测定发现蝉花中含有亚油酸、软脂酸、棕榈油酸、花生酸、花生一烯酸、花生二烯酸、油酸甲酯等17 种脂肪酸,其中亚麻油酸、油酸的相对含量为53. 91% 和20. 63% [9] 。矿物质元素作为人体所需的重要营养元素,在调解代谢、维持体内酸碱平衡等方面具有重要作用,蝉花中富含钙、铁、锌、硒等多种矿物元素[8,10] 。对蝉花的营养成分文献总结发现,目前的研究主要集中在对野生蝉花、发酵菌丝体、蝉花孢梗束等的对比评价方面。
1. 2 活性物质成分
1. 2. 1 多球壳菌素
多球壳菌素(myriocin) 是一种由α-氨基酸和不饱和脂肪链组成的亲脂类氨基酸, 分子式为C21 H39 NO6 ,具有强烈免疫特性,其免疫抑制作用是抑制鞘脂生物合成第一步反应,从而减少鞘脂前体物质的合成。1994 年FUJITA 报道在蝉花的液体培养中发现了多球壳菌素,具有显著免疫调节作用,在抑制小鼠异体混合淋巴细胞反应中,是环孢菌素A 的免疫抑制能力的10 ~ 100 倍,有望成为一种强有力的免疫抑制剂用于临床治疗中[11] 。后续通过对多球壳菌素分子结构优化,获得FTY 720,诺华公司将其开发为一款名为Gilenya 的药物,2010 年9 月由美国FDA 批准上市,2019 年我国药品监督管理局批准Gilenya 在国内上市,可作为用于治疗复发性多发性硬化症的口服药物[12] 。多球壳菌素主要存在蝉花的菌丝体中,YU等[13] 采用柱前衍生化高效液相色谱测定蝉花菌丝体中多球壳菌素的含量为0. 064 ~0. 278 mg/ g。
1. 2. 2 核苷类
核苷类化合物是蝉花中的重要活性物质成分,具有广泛的生理功效,目前在蝉花中已发现多种核苷类物质,如虫草素、腺苷、N6 -(2-羟乙基)-腺苷[N6 -(2-hydroxyethyl)-adenosine,HEA]、腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟苷、鸟嘌呤、肌苷、次黄嘌呤、尿苷、尿嘧啶、脱氧胞苷、脱氧肌苷等。ZENG 等[14] 分析蝉花中的10 种核苷类化合物( 尿苷、2′-脱氧尿苷、肌苷、鸟苷、胸苷、腺嘌呤、腺苷、2′-脱氧腺苷、虫草素、尿嘧啶)的含量,发现在菌核和孢梗束中核苷的总量分别为4. 392 和3. 016 mg/ g。葛琦等[15] 采用LC-MS 分析蝉花中核苷类成分,首次在蝉花中发现脱氧胞苷和脱氧肌苷。
虫草素作为第一个从真菌中分离出来的核苷类化合物,具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤、降血脂等多种生物活性作用,在多种虫草类真菌中均有测得,常被作为评价虫草类真菌品质的一个重要指标。蝉花中虫草素的含量为0. 02 mg/ g,蝉花菌丝体中虫草素的含量为2. 77 mg/ g[4,16] 。不同地区的蝉花虫草素含量差异较大,张洪梅等[17] 比较10 批不同产地蝉花中虫草素的含量发现,四川宜宾产的蝉花虫草素含量最高,可达0. 191 mg/ g。虫草素按其溶解性,水、醇均可溶解,目前在虫草素的提取中常采用水、乙醇提取的文献较多,LU 等[18] 采用水提取蝉花,提取物中检测到了虫草素,而采用甲醇提取,提取物中未检测到虫草素,这一结果值得关注。
HEA 为蝉花中颇具开发潜力的核苷成分,同时也是第一个从真菌中分离出的Ca2 + 拮抗剂,分子式为C11 H17 N5 O5 ,分子质量为311. 29,已被证实具有抗辐射、镇静、免疫、抗肿瘤、抗炎、肾脏保护、降糖等多种生物活性作用[19] 。HEA 是由FURUYA 等[20] 1983年在3 种虫草和4 种棒束孢中首次检测发现。张红霞等[10] 测定以蚕蛹为基质培养的蝉花孢梗束中HEA 的含量为0. 2 mg/ g,雷帮星等[21] 通过优化蝉拟青霉122 菌株培养条件,菌丝体中HEA 的含量可达(130. 22 ± 0. 60) mg/ L。厉晓腊[22] 研究蝉拟青霉液体深层发酵技术,在70 L 液体发酵罐中深层发酵培养,HEA 的含量可达到35. 9 mg/ L。LU 等[18] 对野生蝉花和人工培养蝉花的子实体中的HEA 含量进行测定,采用甲醇提取测定野生蝉花和人工培养蝉花HEA 的含量分别为( 2. 884 ± 0. 589 )、( 0. 834 ±0. 005) mg/ g;采用水提测定野生蝉花和人工培养蝉花HEA 的含量分别为(1. 925 ± 0. 025)、(7. 025 ±1. 420) mg/ g。
1. 2. 3 麦角甾醇
麦角甾醇作为食用菌的有效活性成分之一,在抗炎、降脂、防癌、免疫调节等方面具有显著功效[23] ,主要存在于蝉花的菌丝体中,目前从蝉花中分离出来的有麦角固醇和麦角甾醇过氧化物。在蝉花菌丝体中麦角甾醇的含量为0. 6256 mg/ g[8] 。张洪梅等[17] 对我国10 批不同产地蝉花中麦角甾醇的含量进行测定,其含量范围在0. 120 ~ 0. 301 mg/ g,不同产地蝉花的麦角甾醇的含量有一定的差异性,但差异不如腺苷、虫草素的差异大。SHI 等[24] 通过对培养基优化，将麦角甾醇的产量提高5倍, 可达0. 256 mg/ L。KUO 等[25] 从蝉花中分离出麦角甾醇过氧化物Cpd6A (C28 H44 O3 ),可抑制T 细胞的增殖。
1. 2. 4 多糖类
多糖因对人体具有多种有益作用而广受关注,多糖也是蝉花中最重要的活性成分之一,在菌丝体、孢梗束中均含有丰富的多糖,菌丝体中多糖的含量为
33. 2 mg/ g[8] ,孢梗束中多糖的含量为1. 17% [10] 。目前已从蝉花中分离出了C3、CI-P、CI-A、CPA-1、CPB-1、PCIPS3、EPS1、EPS2 和Pc-01 等多种多糖组分。对分离出的多糖的研究目前主要集中在单糖组成、分子质量、连接方式等一级结构的解析上。如UKAI 等[26]对蝉花中分离出水溶性半乳甘露聚糖C3 结构解析
为:分子质量为27 000 Da,由甘露糖和半乳糖组成,物质比为4∶ 3,主链由α-D-(1→2)和α-D-(1→6)-甘露糖组成,支链由O-6 连接β-D-半乳糖和以O-2 连接α-D-甘露糖。KIHO 等[27] 从蝉花虫体部分分离出来两种半乳甘露聚糖CI-P 和CI-A,结构解析发现CI-P 和CI-A 都是由甘露糖和半乳糖构成,物质比分别为1∶ 0. 85 和1∶ 0. 57,两种多糖的分子质量约为25 000 Da,两者均为高度支化的半乳甘露聚糖,主链均由α-D-(1→6) 甘露糖组成,支链由半乳聚糖和甘露糖构成。导致蝉花中分离出的多糖一级结构差异的原因可能是与菌株、培养条件、采样部位及提取纯化方法等不同有关。而对蝉花多糖的高级结构解析研究的相对较少。目前,仅有1 篇采用原子力显微镜
等对蝉拟青霉菌丝体多糖PCIPS2 高级构象进行研究[28] 。而多糖的高级结构对其生理活性等具有重要意义,有待深入研究。
透明质酸作为一种酸性黏多糖,具有高度保水性和高度黏弹性等作用,在生物医药和美容化妆品等领域具有广泛的应用前景,市场潜力巨大。研究发现蝉
拟青霉可产透明质酸,产透明质酸的能力最高可达11. 35 mg/ mL[29] ,因此,未来有望开发为透明质酸的生产菌株。
1. 2. 5 虫草酸
虫草酸又名D-甘露醇,是虫草类真菌特有的活性成分,具有预防治疗脑血栓、脑出血、心肌梗塞等功效,蝉花中虫草酸的含量为78. 57 mg/ g,高于冬虫夏草和蛹虫草中虫草酸含量(冬虫夏草中虫草酸的含量77. 27 mg/ g,蛹虫草中虫草酸的含量43. 36 mg/ g)[4] 。SHI 等[30] 通过优化培养条件,将虫草酸的含量提高2. 07 倍。覃丽霞等[31] 发现培植24 d 的孢梗束中的虫草酸含量最高,可达75. 8 mg/ g。
1. 2. 6 其他类
从蝉花菌丝体中发现的挥发性成分主要有萜类化合物、芳香族化合物、醇类、烷烃类、酯类和醛类等,其中5-甲基-2-呋喃-乙酸酯、反式-2, 4-癸二烯醛、长叶烯等为蝉花中特有的挥发性物质[32] ;分离出新的环戊烯酮衍生物为2-(3-羧基-2-羟丙基)-3-甲基-2-环戊烯酮、新的呋喃衍生物为5-(2-羟乙基)-2-呋喃乙酸[33] 。此外,已从蝉花中分离到多酚类、环肽类、酰胺类、吲哚类、酚酸类等物质成分[34 - 35] 。
近几年利用代谢组学技术,从蝉花中鉴定出了具有一定生理活性的小分子物质,如:具有调节细胞生长、抗肿瘤等作用的鞘脂类;具有降血压、抗氧化、抗惊厥等抑制神经信息传递的γ-氨基丁酸;具有抗衰老、防止动脉硬化的抗氧化物质生育酚;以及乙酰肉碱、细胞松弛素E、海藻糖、δ-氨基-γ-酮戊酸、磷脂等生物活性物质[36 - 38] 。
2 蝉花的培养方式
虽然蝉花与冬虫夏草相比,分布广泛,但是野生资源依然有限,无法满足市场需求。加之近年来,虫草类真菌营养价值及生物活性不断被认知,市场对蝉花需求不断增加,特别是当人工培养蝉花子实体被批准为新食品原料后,蝉花因其众多的生理功效作用,将成为食品、保健品的重要原料,未来蝉花类的相关产品也将越来越多,其需求量将急剧膨胀。因此,发展蝉花的人工培养技术将是解决这一问题的重要途径。蝉花的人工培养主要以蝉拟青霉(Paecilomyces cicadae)为菌种进行人工培养,目前已形成替代寄主昆虫人工培养、固体培养及液体发酵培养3 种培养方式。
替代寄主昆虫人工培养是通过选择适合的寄主,常见有家蚕蚕蛹、柞蚕蚕蛹等,使菌丝体在寄主体内生长,可以得到最类似的虫菌复合体。这种仿生培养是蝉花人工培养的一个重要方向,目前研究主要集中在不同寄主筛选、替代寄主人工培养蝉花的成分分析等方面。通过筛选不同的寄主,发现家蚕幼虫和蚕蛹作为基质均能产生孢梗束,从感染率和产孢梗束来看,蚕蛹效果更好[39] 。对人工柞蚕培养蝉花与野生蝉花的成分分析发现其成分类似[37] 。以蚕蛹为培养基的蝉花孢梗束中腺苷、海藻糖和甘露醇含量明显高于麦仁培养基获得蝉花孢梗束,但粗多糖及HEA 含量低于麦仁培养基栽培获得的蝉花孢梗束[10] 。
固体培养是指将蝉拟青霉(P. cicadae)接种在适宜的固体培养基上,是获得蝉花孢梗束及菌丝体的主要方式。目前关于蝉花固体培养的文献相对较少,主要集中在碳氮源的筛选对比、不同培养基组分对活性物质成分含量的影响等方面。如李忠等[40] 通过比较不同碳氮源及碳氮比对蝉拟青霉菌丝体的生长发现:最适菌丝体生长的碳源为可溶性淀粉、最适氮源为蛋白胨,最适碳氮比是40∶ 1。谢春芹等[41] 研究不同固体培养基对蝉花孢梗束的影响发现:最适培养基为小麦40 g,蛋清2 g,营养液60 mL。张忠亮等[42] 对比不同的固体培养基[ 江苏农垦( SCM)、烟农24、烟农15、济麦22 品种的小麦作为固体培养基]对蝉花的4种核苷类成分的影响,发现固体培养基SCM 培养的蝉花4 种核苷类成分的含量较高。
液体培养是目前获得蝉花菌丝体及蝉花中活性物质的主要方式,具有生产成本低、发酵时间短、发酵条件较可控等优点,相较于前两种培养方式,液体培养更易实现蝉花的产业化应用。在液体培养上,目前文献主要集中在筛选适合的培养基组分、培养条件、添加各类促生长因子如植物激素、昆虫激素、硒元素等,提高菌丝体生物量或活性物质成分含量[7] 。表1为近几十年来学者在蝉花液体培养上的研究进展。此外,研究发现当向摇瓶培养基中添加蝉拟青霉同源多糖,其菌丝体的生物量和多糖的含量均受到明显抑制作用,随着同源多糖浓度的增加,反馈抑制作用增加,当同源多糖浓度达到2. 2 g/ L 时,菌丝体的生长和多糖的产生则被完全抑制[43] 。
3 蝉花的生物活性
蝉花作为传统的中药成分之一,近年来众多学者对其生物活性进行研究,发现其具有多种生物活性作用(见图1)。
3. 1 免疫调节、抗肿瘤作用
蝉花具有免疫调节作用。免疫作用研究较多的活性物质为蝉花多糖。金丽琴等[51] 研究发现蝉拟青霉总多糖使环磷酰胺所致免疫抑制大鼠组织细胞内乳酸脱氢酶(肾、胸腺)、精氨酸酶(肝、脾、胸腺)活力升高,具有显著差异;使脂质过氧化物(肾、脾、胸腺)的含量下降;使环磷酰胺所致的肝、脾内低下的还原型谷胱甘肽升高。因此,蝉拟青霉总多糖能增强免疫大鼠组织器官的免疫功能和加速自由基的代谢。KIM 等[52] 发现从蝉花菌丝中提取的多糖可通过TLR4 信号激活巨噬细胞而具有免疫调节作用。此外,蝉花中多球壳菌素具有显著的免疫调节作用,现已作为治疗复发性多发性硬化症的口服药物[11 - 12] 。
3. 2 抗肿瘤、抗癌作用
研究发现蝉花具有抗肿瘤、抗癌作用。金丽琴等[53] 对蝉拟青霉的总多糖研究发现,其能增加荷瘤小鼠白细胞数量,缓解环磷酰胺(cyclophosphamide,Cy)所致荷瘤小鼠白细胞数的降低,提高荷瘤小鼠的脾指数,联用小剂量Cy 时明显增强其抑制肿瘤作用。XIE 等[54] 研究发现蝉花的乙醇提取物可通过诱导人胃癌SGC-7901 细胞凋亡、细胞周期阻滞和内质网应激发挥抗肿瘤作用,可作为一种潜在的天然抗癌药物来源。WANG 等[55] 研究表明蝉花水体物通过G2 / M 细胞周期阻滞抑制人肝癌细胞系MHCC97H的生长。
3. 3 抗氧化作用
蝉花多糖具有较好的抗氧化能力,是一种良好的天然抗氧化剂。陈安徽等[56] 研究结果表明,蝉拟青霉P3 菌丝体和发酵液的甲醇提取物具有较强的清除自由基活性和抑菌活性的能力,5. 0 mg/ mL 菌丝体和发酵液提取物对0. 4 mg/ mL 的DPPH 自由基的清除率可达55. 52% 和74. 86% ,抑菌(白色假丝酵母菌)圈直径可达11. 23 和21. 42 mm。ZHANG 等[57] 研究发现HEA 能够通过减少活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)生成、氧化应激和保护线粒体抗氧化作用来减轻H2 O2 诱导的PC12 细胞死亡。TANG等[34] 从蝉花中分离的多酚对DNA 氧化损伤具有良好的抑制作用。王惠等[58] 通过超高效液相色谱建立蝉花不同部分与抗氧化、抗菌的谱效关系。
3. 4 镇静镇痛作用
蝉花在《太平惠民合剂局方》中记载其具有镇静、镇痛的作用,现代研究表明蝉花中具有镇痛作用的物质为HEA。朱碧纯等[59] 通过研究HEA 对戊四唑诱导的小鼠惊厥模型的影响,发现HEA 能够显著延长惊厥小鼠的存活时间和降低死亡率,具有抗惊厥作用。朱伟坚等[60] 研究发现HEA 的镇痛作用可能是通过激活腺苷A1 R、下调A2 AR 及调控一系列疼痛相关基因发挥镇痛作用。
3. 5 保护肾脏的作用
蝉花自古以来被广泛用于治疗慢性肾病,龙华医院利用蝉花开发“金蝉补肾汤”已用于治疗慢性肾功能衰竭[61] ,同时蝉花对于治疗肾病中末端的高血压性肾损伤也有效果。WANG 等[62] 通过评价HEA 对四氧嘧啶诱导的糖尿病大鼠的肾脏保护能力,发现HEA 通过降低高血糖诱导的氧化应激而显示出肾脏保护和抗炎的作用,未来可作为一种潜在的治疗剂,用于糖尿病并发症的治疗。ZHU 等[63] 研究表明蝉花中过氧化麦角甾醇可作为一种潜在的治疗肾脏纤维化的治疗药物。DENG 等[64] 研究蝉花菌丝体水提物(water extract,WCC)和醇提物(ethanol extract, ECC)对急性肾损伤的作用,发现WCC 对肾损伤的作用优于ECC,WCC 通过抑制氧化损伤和炎症因子反应起作用。
3. 6 其他作用
蝉花中的HEA 是一种Ca2 + 拮抗剂,具有显著降血压效果,降血压机制可能是HEA 激活腺苷A1 受体;HEA 具有抗炎的作用,是蝉花中抗炎成分,其抗炎机制为通过抑制toll 样受体4 介导的核因子-κB(NF-κB)信号通路来减弱LPS 诱导的促炎反应[19] ;蝉花多糖具有抗衰老的作用,能够显著延长果蝇寿命,未来可作为一种新的抗衰老的药食补充剂;蝉花子实体具有促进肠道健康的潜在作用,口服蝉花子实体可预防三硝基苯磺酸(trinitrobrnzen sulfonic acid,TNBS)诱导克罗恩病小鼠的肠纤维化[65] 。蝉花中的腺苷在治疗和预防神经退行性疾病方面具有潜在的治疗作用[66] 。此外,蝉拟青霉还有望作为一种生防用菌,HEA 可作为一种环境安全的杀虫剂[67] 。