全 文 ：中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第8期2005年8月·1121·
中药现代化论坛
超声波酶促反应在中药和天然产物中的应用
赵余庆1，韩
(1．辽宁省中药现代化工程技术中心，辽宁沈阳 110032；2．
颖2
东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110004)
摘要：酶作为一种生物催化剂，在适宜的条件下，其催化反应的速度是一般化学催化剂无法比拟的，而且它还具
有反应条件温和、有利于简化设备、改善劳动条件和降低成本等优点。但是当酶被提取到细胞外后，其分子构象会
发生改变，使生物学活性和稳定性都大为降低。超声波作为一种物理能在低强度及适宜的频率条件下，能够使酶分
子的构象正向转化，从而提高酶的活性，加快酶转化反应速度，有利于中药与天然产物中有效成分的转化。
关键词：超声波酶促反应；中药；天然产物；有效成分的转化
中图分类号：R282．1 文献标识码：A 文章编号：0253—2670(2005)08—1121一03
Applicationofenzymecatalyticrea tionwithultrasonicwavetoChinese
materiamedicaandnaturalproducts
ZHAOYu—qin91，HANYin92
(1．LiaoningEngineeringandTechnologyCenterforModernizationofTraditionalChineseMedicine，Shenyang110032，
China；2．CollegefResourcesandCivilEngineering，NortheastUniversi y，Shenyang110004，China)
Abstract：Theenzyme，asabiocatalyst，cannotbesurpassedinspeedingupthereactionsbyother
commonchemicalcatalystsunderthesuitableconditionsandcancatalyzethereactionmildly，simplifythe
facilitiesneeded，improvethew rkconditions，andreducetheproductioncosts，etc．Thoseareitsadvan—
tagesmentionedabove．Butwhilethenzymeisextractedoutsidethcells，themolecularconformation
maybechangedwithdecreasingitsbioactivityandstabilityseriously．Asonetypeofphysicalenergy，
ultrasonicwavewithlowerintensityandsuitablefr quencycanmaketheconformationofenzymaticmolec—
ularcomformationtransformp sitivelyandthetransformingreactionsaccelerateSO stofacilitatehef—
fectiveconstituentsofChinesemateriamedicaandnaturalproductstransforming．
Keywords：enzymecatalyticrea tionwithultrasonicwave；Chinesemateriamedica；naturalproduct；
effectjVeconstituent transformatjn
随着中药现代化高新技术在中药与天然产物研
究领域不断的应用和发展，酶技术和超声技术已经
成为中药和天然产物中有效成分提取分离的关键技
术。近几年来的大量研究表明，超声波作为一种物理
能，不仅能通过在空化作用中产生的极大压力造成
被破碎物细胞壁及整个生物体破裂而使胞内物质释
放、扩散及溶解，而且能够使酶分子的构象发生正向
转化，从而提高酶的活性，加速酶转化反应，因此，称
该过程为超声波酶促反应。酶技术与超声技术的组
合应用有利于中药与天然产物中有效成分的转化和
中药现代化的实现。
1酶与超声波
酶的来源十分广泛，一些植物和微生物都可以
收稿日期：2004—10-06
作为某些酶的原料。例如，从动物的胰脏中提取胰蛋
白酶；从动物胃中提取胃蛋白酶；从木瓜中提取木瓜
蛋白酶；从菠萝中提取菠萝蛋白酶[1’23；从昆虫或微
生物(细菌、放线菌、真菌等)的发酵培养液中提取纤
维素酶口]等。由于酶是在生物细胞内合成并在细胞
内行使功能的，一旦脱离其原来的生存环境，其分子
构象、反应活性就与在细胞内时不完全相同。因此，
人们生产的各种生物酶制剂与生物体内的酶相比，
其生物学活性和稳定性已有所改变。为了使酶发挥
出高效的转化作用，运用中药现代化技术提取分离
的关键技术和手段来提高其转化活性及稳定性具有
重要意义。
超声波是物质介质中的一种弹性机械波，作为一
万方数据
·1122· 中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第8期2005年8月
种机械能量形式，超声技术已广泛应用于工业、化学
与化工、医疗、食品等领域。近年来超声波在食品加工
中的应用更是日趋广泛，并且已经引起了食品技术专
家们的普遍关注，致使该技术得到了长足的进步和快
速的发展。目前，超声波在食品工艺中常被用于激活
细胞的活性、影响酶活性、提高肉制品质量、辅助结晶
等，作为一种辅助加工手段，超声波还能用于提取、洁
净、解冻、乳化、滤过、干燥及加工过程。
应用较低强度的超声波可提高酶活性，促进酶
的转化反应，是一个比较新的研究课题。早期研究认
为较高强度的超声波会破碎细胞或导致酶失活，而
近几年来的研究则表明，在有酶或细胞参与的情况
下，一些生化反应过程可以在超声波作用下被激活。
一般来说，适宜强度的超声波可以使酶的构象正向
转化，提高酶的活性和底物的转化率。同时，超声波
还能促进酶与底物分子之间的相互作用，改变反应
物的传输机制，加速产酶细胞的新陈代谢过程，并可
提高胞内酶的产率。这一特定功率下的声强，称为
“临界失活声强”[4]。
2超声波酶促反应的机制
酶是生物细胞所产生的生物催化剂，其化学本质
是蛋白质，是由氨基酸组成的生物大分子化合物，具
有4级结构，也具有两性电解质的性质，会受到某些
物理因素(JJn热、声场辐照、紫外线照射等)及化学因
素(酸、碱、有机溶剂等)的作用而提高活性或变性失
活。利用超声波的物理能量作用于从生物细胞中产生
的酶分子，使酶分子的构象发生改变，从而影响其反
应活性，是超声波提高酶活性的重要原因之一[5]。
2．1超声波声强对酶活性的影响：一般认为，超声
辐照声强不宜过高，否则会导致酶失活。但不同种类
的酶对超声波声强的选择性不同。有研究表明，只有
用较高声强辐照时，酶的活性才能提高。如使用20
kHz、40W／cm2的超声波辐射酵母(在悬浮液状态
下)2h，作为甾醇环化酶可使角鲨烯环转化率明显
提高，从而可以廉价地合成出克量级的甾醇对映异
构体‘⋯。
2．2 超声波对微生物代谢活性的影响：细胞膜对细
胞的代谢环境具有重要的保护和调节作用，控制着胞
外物质的进入和胞内代谢产物的泄出。有研究表明，
适当强度的超声波产生的稳态空化作用对细胞的破
坏很小，主要可改变细胞膜的通透性，促进可逆渗透，
强化反应物进入及生成物离开酶活性中心的过程，从
而增加微生物的代谢活性，加速细胞的生长速度，促
进有益物质的生成。而且在不破坏酶蛋白质结构的超
声条件下，还可以提高酶活性，促进酶催化反应。这一
特性已被广泛应用于天然产物的提取和转化中。如用
低功率超声波活化液体营养介质，能够促进藻类细胞
的生长，将蛋白质的产量提高3倍。这意味着非常规
来源(非农业)获取食品的设想有可能实现。此外，最
近的研究表明，用超声波辅助生产酸乳酪，能够使总
生产时间减少40％。值得注意的是超声波不仅因此
而降低了生产对牛奶来源的依赖，而且还能在某种程
度上改善酸乳酪的均匀性和质地[7]。
3超声波酶促反应的应用
3．1超声波对纤维素酶转化灵芝多糖的影响：灵芝
多糖不仅具有抗肿瘤作用，而且还有提高机体的免
疫力、消除机体内自由基、提高肝脏解毒功能和抗放
射、利胆清热、活血化瘀等功能[8]。灵芝多糖特有的
生理活性和药理作用，促使人们对其结构、功能、提
取、应用等方面进行了广泛的研究。于淑娟等凹]以灵
芝为底物，加入纤维素酶进行转化研究。用超声波处
理后的实验数据表明，超声波促进酶反应的灵芝多
糖得率明显多于常规方法，可见超声波可提高纤维
素酶转化过程中的反应速率，且符合一般酶反应动
力学机制。
3．2 超声波对TGL(Transglucosidasel“A—
MANO”)、BZL(Biozymel)转化异麦芽低聚糖浆中
生理活性物质的影响：近年来，异麦芽低聚糖浆原料
因其成本低廉而颇受青睐。其除了有低甜度、防止淀
粉老化、防结晶、抗热、抗酸性等良好的性能外，它还
有低热量、难发酵、防龋齿、改善人体菌群、促进人体
有益菌——双歧杆菌增殖等生理功能，是一种双歧
杆菌增殖因子[10|。异麦芽低聚糖中具有生理功能的
主要成分为有分枝结构的异麦芽糖、异麦芽三糖、潘
糖等，并且主要集中在二糖和三糖；另有研究报道，
麦芽低聚糖具有抗菌活性，特别是麦芽三糖能明显
地抑制人肠道中寄生的能分泌细菌毒素的产气荚膜
梭菌的生长、繁殖，这种细菌毒素能使人长期慢性中
毒而致衰老和引起各种内脏疾病和诱发癌症。因此，
异麦芽低聚糖浆中二糖和三糖的多少，可作为评价
反应效果好坏的主要依据。耿予欢等[4]研究了在异
麦芽低聚糖的制备过程中超声波对游离酶和固定化
酶反应的影响。结果表明，超声波处理对游离的
TGL和BZL的酶活性没有明显的影响，而对固定
态的TGL和BZL产生了正向的影响，产物中糖分
的组成发生了一定的变化，即单糖(葡萄糖)和四糖
及四糖以上组分的质量分数降低了，而二糖和三糖
的质量分数相应增高。随超声时间的延长，二糖和三
万方数据
中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第8期2005年8月·1123·
糖的总质量分数不断增加，由59．08％增到
66．80％。由于异麦芽糖浆中生理活性物质主要为二
糖和三糖，而合理地控制反应的条件就可以使麦芽
糖类有效地向分枝型转化。因此，用超声波处理可改
变固定化TGL和BZL的活性，有利于异麦芽糖浆
中生理活性物质的增加。
3．3超声波酶促反应对糖类物质转化的影响：以
20～40kHz、10～100W的超声波作用于固定化糖
化酶，淀粉的转化反应效率可提高2倍以上，这一技
术已在淀粉生产葡萄糖中得到推广应用[11|。日本学
者研究发现，在没有酵母的情况下，用日本米和酶培
养生产葡萄酒和甜食等物料，同时用大于15kHz的
超声波辐射，可促进所用物料的糖化，提高其效
率E8I。Ateqad等[1胡利用2MHz、5．2W／cm2的超声
波处理木瓜蛋白酶时，发现木瓜蛋白酶的活性也有
较大幅度的提高。
3．4超声波对酶转化天然活性成分的影响：人参皂
苷Rh：、C—K、PPD、PPT等成分为人参、西洋参、三
七等五加科人参属植物中微量存在的稀有皂苷，这
些稀有人参皂苷各tt都具有特殊的生物活性。药理
实验表明，这些人参皂苷除了具有抗肿瘤活性[13]
外，在心血管、免疫调节、抗衰老等方面也有广泛的
药理作用[14|。但这些皂苷在天然植物中量极低，如
Rh。在红参中质量分数仅为0．001％、人参茎叶中
的Rh：较红参高10倍。为了能够大量的获得这些稀
有活性皂苷，近年来国内外学者不断的寻找和研究
新的方法及转化制备技术。El前最为常用的方法是
化学法和生物转化法。笔者曾用p葡聚糖苷酶对7
种植物总皂苷分别进行酶转化[15’161和超声波酶促
反应研究。试验结果表明，超声4h时C—K的生成量
相当于未超声酶反应24h时C—K的生成量。
超声波能使某些反应的产物专一化。如腺苷与
苯基丙氨酸在枯草杆菌蛋白酶的作用下发生酰化反
应。在40‘C，机械搅拌120h得到3种产物，比率为
42：2：24，总产率为60％；而在超声波作用下，温
度为0℃，只需0．5h，产率就可达38％，且只有主
产物生成。这种转化反应的专一性，更有利于有效物
质的制备和分离[17|。
另有研究报道使用2．8w的超声波，以每10
min辐照5S的方式进行周期性处理，可提高由胆甾
醇氧化成为胆甾烯酮的产量[5]。
3．5超声波对8一半乳糖苷酶活性的影响：在乳酸菌
中，酸奶细菌具有很高的乳糖分解酶活性，乳糖分解
酶或p半乳糖苷酶是一种胞内酶，通过超声波可使
口一半乳糖苷酶的活性提高几倍，释放出的B一半乳糖
苷酶能部分转化牛乳中的乳糖为葡萄糖和半乳糖。
不用超声时，乳糖质量浓度只减少39％～51％，而
加超声作用时，乳糖质量浓度可减少71％～74％。
其转化产物葡萄糖和半乳糖能够被生长缓慢的菌体
如嗜酸乳杆菌和双歧杆菌利用[18|。
3．6超声波对乙醇脱氢酶和己糖激酶活性的影响：
一般相对分子质量小的物质如葡萄糖等通过渗透或
活性传递能进入细胞，但磷酸化合物是难以通过细
胞膜的。因此，利用啤酒酵母细胞催化生产三磷酸腺
苷(ATP)、纤维蛋白(FDP)等核苷或核糖类磷酸化
合物，细胞膜的通透性将直接影响酶促反应的速度
和催化效率。在利用啤酒酵母细胞酶系进行ATP
生产中，由于细胞膜的通透性限制，细胞内各种酶的
活性一般难以完全地发挥作用。由于超声波可以增
强细胞膜的通透性，段学辉等口明采用超声波对培养
的啤酒酵母细胞进行通透化处理。实验结果显示，经
超声波处理的酵母细胞通透性提高十分明显，是溶
’剂处理效果的数倍。同时，随通透化处理温度的提
高，细胞的通透性也会增大，而且上清液中乙醇脱氢
酶(ADH)和己糖激酶(HK)的活性随处理温度升高
也有所提高。这表明温度对细胞的通透化处理效果
有影响，随着细胞透性化程度的增大，胞内酶蛋白和
核酸物质会出现泄漏。
4结语
目前，酶制剂在工业、农业、食品和生物医药中
的使用越来越广泛。而酶本身是在生物细胞内合成
并在细胞内行使功能的，一旦离开细胞内部环境，酶
(离体酶)的反应活性降低[2⋯。究其原因就是离体酶
分子构象与细胞内部酶分子构象不完全相同。所以，
在使用酶制剂时就要设法提高酶制剂的反应活性，
使之具有较高的转化效率。而在各种提高酶制剂活
性的方法中，利用超声波来提高酶反应活性和有效
成分的转化效率经上述研究证明是可行的。超声波
酶促反应具有高效、廉价、无污染，操作方式简单、技
术易推广和应用等特点，可提高酶转化反应速度和
天然产物中有效成分转化率，也可作为中药现代化
技术应用在中药、天然药物和健康食品的研究及工
业生产等领域，这对于实现中药与天然活性产物超
声波酶促进反应的工业化生产是一条有效的途径。
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(下转第1183页)
万方数据
中草药ChineseTraditionalandHerbalDrugs第36卷第8期2005年8月·1183·
表1 3种阴道泡腾片的发泡量、泡沫持续时间和黏附性的比较
Table1 Comparisonofbubbleamount，durationofsparkle，andstickinessinthreekindsofvaginaleffervescenttable s
药品名称 泡沫性状 发泡持续时间 气泡试管内停留时间 泡沫最大体积 试管内药物分布情况
妇炎消泡腾片 气泡细腻、浅棕黄色，泡 约180rain 约5h，气泡下降至6
沫间空隙细小 mL处，试管中有
多处泡沫空洞
治糜灵泡腾片 气泡开始时较小，后来 约16rain
较大，棕褐色，气泡间
空隙较大
洁尔阴泡腾片 气泡开始时较小，后来 约15rain
较大，气泡大小不一，
浅棕褐色，气泡间空
隙较大
约30min时气泡全
部消失
约35min时气泡全
部消失
药物不分层，流动不明显，管壁有均匀黄
色药物黏附，将试管倾斜90。无药液流
出，180。短时间内没有药液和泡沫流
出管外
有小块棕褐色药物不均匀的黏附在试管
壁上，试管底部药物有分层现象可以
流动，将试管倾斜90。药液流出试管外
少量棕褐色小块药物不均匀的黏附在试
管壁上，试管底部药物分层可以流动，
将试管倾斜90。药液流出试管外
片气泡细腻、泡沫间空隙细小。在发泡持续时间和泡
沫维持时间上妇炎泡腾片是治糜灵泡腾片、洁尔阴
泡腾片的10倍，差距较大。黏附性方面治糜灵泡腾
片、沽尔阴泡腾片很小，药物发泡完成后(35min)，
将试管倾斜90。药液流出试管外。妇炎消泡腾片(药
物发泡35rain)将试管倾斜90。无药液流出。180。(倒
立)短时间内没有药液和泡沫流出管外。说明妇炎消
泡腾片在泡沫维持时间和黏附性方面较优。
3讨论
本实验采用试管观测法对比了好炎消泡腾片、
治糜灵泡腾片、洁尔阴泡腾片3种阴道泡腾片的发
泡量、泡沫持续时间和黏附性，结果表明该方法简单
方便，重复性较好，特别是对观察阴道泡腾片的有无
黏附性有一定的帮助。阴道泡腾片的黏附性虽然不
在质量控制指标内，但是对实际临床应用有较大意
义，可以使药物停留在患处时间更长，不易流出，更
好地保证疗效。另外也可以减少污染衣物，不妨碍患
者的正常生活。
．+．+-+-+-+‘◆-+-¨-◆-+-+-◆．◆-+-◆-+-+-+-¨m+-◆．+-◆-+-+-◆_+-+-◆_+-¨-◆-¨-◆-◆-+-+-·●·_+-+-+-+-+m+
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超声波酶促反应在中药和天然产物中的应用
作者： 赵余庆， 韩颖， ZHAO Yu-qing， HAN Ying
作者单位： 赵余庆,ZHAO Yu-qing(辽宁省中药现代化工程技术中心,辽宁,沈阳,110032)， 韩颖,HAN
Ying(东北大学资源与土木工程学院,辽宁,沈阳,110004)
刊名： 中草药
英文刊名： CHINESE TRADITIONAL AND HERBAL DRUGS
年，卷(期)： 2005,36(8)
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2006(3)

引证文献(5条)
1.崔玲.姚春才 超声波、牛血清蛋白和吐温试剂辅助玉米秸秆酶水解[期刊论文]-纤维素科学与技术 2007(3)
2.党斌.杨希娟.孙小凤 碱提和超声波辅助提取菜籽蛋白比较研究[期刊论文]-中国油脂 2012(3)
3.丁青芝.马海乐.骆琳.毛丽琴.贾俊强.王振斌.何荣海.刘斌 超声处理对菜籽蛋白酶解效果的影响[期刊论文]-农
业工程学报 2009(1)
4.安华.郭一平 微波辐射杂多酸催化合成7-羟基-4-甲基香豆素的研究[期刊论文]-陕西科技大学学报（自然科学版
） 2013(4)
5.李菊芳.董绪燕.魏芳.袁钢友.江木兰.黄凤洪.赵元弟.李光明.陈洪 微波/超声波及固定化酶技术在食品蛋白质高
效水解中的应用研究进展[期刊论文]-中国农业科技导报 2009(6)


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