食药用真菌资源生物技术及应用

本书适宜食药用真菌领域广大科技工作者和食品、生物技术等相关专业的科
技、教学、生产工作者研究参考

食药用真菌因其生长和代谢特性，是天然活性物质和相关酶的资源库，如何深入挖掘、高效利用这些资源是研究食药用真菌的重要内容。《食药用真菌资源生物技术及应用》通过借鉴国内外相关研究成果，并在本实验室研究工作的基础上，全面介绍了食药用真菌资源利用方面的研究进展。《食药用真菌资源生物技术及应用》共分7章，具体内容包括：食药用真菌中主要生物活性物质的结构、活性及其应用（第2章）；活性物质的合成途径、参与合成的酶及其发酵生产（第3、4、5章）；食药用真菌发酵产纤维素、木质素降解类酶（第6章）；生物信息学在食药用真菌活性物质与酶资源研究中的应用（第7章）。

目录
第1章 绪论 1
1.1 食药用真菌概况 1
1.2 研究 /利用史 3
1.2.1 起源及发展 3
1.2.2 食药用真菌产业发展 4
1.3 食药用真菌资源的多样性 6
1.3.1 菌种资源的多样性 7
1.3.2 代谢（天然）产物资源的多样性 7
1.3.3 酶资源的多样性 8
1.4 食药用真菌的培养方式 8
1.4.1 固体栽培 8
1.4.2 固体发酵 9
1.4.3 液体 10
参考文献 12
第2章 食药用真菌的活性物质资源 13
2.1 多糖 13
2.1.1 多糖结构 13
2.1.2 食药用真菌多糖的单糖组成 14
2.1.3 食药用真菌多糖的构效关系 15
2.1.4 食药用真菌多糖的结构修饰 18
2.1.5 食药用真菌多糖的生物活性 20
2.1.6 食药用真菌多糖的产品应用 22
2.2 三萜类化合物 25
2.2.1 食药真菌中主要三萜类化合物 25
2.2.2 三萜类化合物的结构特征及构效关系 28
2.2.3 三萜类化合物的生物活性 29
2.2.4 三萜类化合物的应用 31
2.3 单萜与倍半萜 32
2.3.1 单萜 32
2.3.2 倍半萜 35
2.4 酚类化合物 37
2.4.1 酚类化合物的结构和组成 37
2.4.2 酚类化合物与子实体褐变 40
2.4.3 酚类化合物的生物活性 41
2.5 其他活性物质 41
2.5.1 皂苷 41
2.5.2 活性肽 44
参考文献 47
第3章 食药用真菌多糖的生物合成 55
3.1 食药用真菌多糖生物合成的基本路径 55
3.2 糖供体途径及其相关酶 56
3.2.1 核苷酸糖（糖供体） 56
3.2.2 糖供体合成途径 58
3.2.3 核苷酸糖合成相关酶 59
3.3 糖基转移酶 66
3.3.1 糖基转移酶的分类 67
3.3.2 几种主要的糖基转移酶 68
3.3.3 糖基转移酶的测定 73
3.4 食药用真菌多糖的发酵制备 75
3.4.1 培养基及其组成 79
3.4.2 发酵工艺 80
3.4.3 基于合成路径解析的高产多糖菌株改造 81
参考文献 81
第4章 食药用真菌三萜类化合物的生物合成 86
4.1 三萜类化合物生物合成的基本路径 86
4.2 三萜类化合物合成途径中的酶 88
4.2.1 三萜合成上游过程的关键酶和基因 88
4.2.2 三萜合成下游过程的关键酶和基因 93
4.2.3 三萜类化合物的合成调控 95
4.3 三萜类化合物的发酵制备 98
4.3.1 培养基组成 98
4.3.2 培养条件 100
4.3.3 添加外源物质 102
4.3.4 其他方式 104
参考文献 104
第5章 食药用真菌其他活性物质的生物合成 109
5.1 酚类 109
5.1.1 莽草酸途径 109
5.1.2 苯丙烷途径和类黄酮途径 110
5.1.3 环境对酚类生物合成的影响 112
5.2 单萜和倍半萜 113
5.3 活性肽 114
5.3.1 非核糖体肽的生物合成 115
5.3.2 食药用真菌中活性肽的生物合成 116
5.4 皂苷 117
参考文献 118
第6章 食药用真菌其他重要的酶资源及其应用 120
6.1 纤维素酶 120
6.1.1 纤维素酶概况 120
6.1.2 纤维素酶的催化机制 121
6.1.3 纤维素酶的发酵及其酶学性质 122
6.1.4 纤维素酶的应用 124
6.2 漆酶 125
6.2.1 漆酶概况 125
6.2.2 漆酶的催化机理 125
6.2.3 漆酶的发酵及其酶学性质 126
6.2.4 漆酶的应用 130
6.3 其他木质素降解类酶 132
6.3.1 木质素过氧化物酶 132
6.3.2 锰过氧化物酶 136
参考文献 139
第7章 食药用真菌的生物信息学研究与运用 142
7.1 微生物生物信息学研究的基本方法 142
7.1.1 基因组注释的常用方法 142
7.1.2 代谢反应与路径信息的查找 143
7.1.3 核苷酸序列与蛋白质序列的获取 143
7.1.4 亚细胞系统的定位 143
7.1.5 蛋白质结构的分析与预测 144
7.2 生物信息学的应用 145
7.2.1 真菌天然产物的发现 145
7.2.2 基因组代谢模型构建 146
7.3 常见食药用真菌的基因组信息分析 151
7.4 蛹虫草基因组代谢模型的构建及分析 155
7.5 灵芝多糖基因组代谢模型的构建及应用 157
7.5.1 灵芝基因组代谢模型的构建 157
7.5.2 灵芝基因组代谢模型的分析 161
7.5.3 灵芝基因组代谢模型的多糖合成模拟预测 163
7.5.4 基于模型预测的灵芝多糖高效发酵策略 165
参考文献 167

第1章 绪论
　　1.1 食药用真菌概况
　　食药用真菌是一类在分类学、生态学和生理学上极为多样化的真核生物群体，真菌分类中属于担子菌亚门和子囊菌亚门，其种类繁多、形态各异。目前，已有近2000种食用和（或）药用大型真菌被鉴定。一般而言，可食用的大型真菌称之为食用菌，具有药用价值的大型真菌称之为药用菌，而许多大型真菌往往既是食用菌又是药用菌，故将其统称为食药用真菌。食药用真菌是人类饮食的重要组成部分，在世界各地普遍生产。在过去几年中，随着消费者对食药用真菌需求的增大，其产量有了显著增长。据 FAOSTAT（Food and Agriculture Organization Statistical）统计，2000～2018年全球食药用真菌产量从419万吨/年增加到899万吨/年。预计在未来的几年中，食药用真菌的总产量、商业化品种的数量以及食药用真菌在人类饮食中的重要性将继续增加[1]。据《2015年全球蘑菇市场报告：2021年》估计，2015年全球食药用真菌市场规模约为350亿美元，预计到2021年将达到600亿美元，复合年增长率为9.2%[2]。
　　食药用真菌易于栽培，且栽培所需物料及面积要求低，大多数是通过大规模固态发酵进行商业栽培，产生食用或药用子实体；其栽培所使用的基质主要来自小麦和水稻秸秆、麸皮、稻壳、林业副产品、玉米芯等木质纤维素废弃物。液体深层发酵培养是近年来应用于大型真菌的一项新技术，与传统固态发酵相比，它具有培养周期短、培养条件易于控制、活性代谢产物和特定培养成分易于获得等诸多优点。此外，深层发酵可能会增加从大型真菌中获得的生物活性化合物的相对数量。因此，适宜的生产和栽培条件对于食药用真菌的规模化生产至关重要，特别是对于稀有菌株资源[3]。
　　食药用真菌不仅含有丰富的膳食纤维、多种氨基酸和蛋白质（酶、凝集素和麦角硫氨酸），还富含维生素 B1、维生素 B2、维生素 D2、维生素 C、微量元素、大量元素及不饱和脂肪酸等，具有重要的营养价值；此外，食药用真菌是多种生物活性成分（多糖、萜类、生物碱、抗生素和金属螯合剂）的重要来源，这些生物活性化合物具有不同的生理活性，包括抗肿瘤、抗炎、抗糖尿病、抗过敏、免疫调节、心血管保护、抗胆固醇、解毒、保肝、抗菌、抗氧化益生元等[4]。
　　食药用真菌具有广泛的生物活性和令人愉快的独特风味，可作为营养丰富的食品、商业营养品和医药产品。香菇、金针菇、木耳、猴头菇、草菇、杏鲍菇、蟹味菇、珍珠菇、鸡腿菇、凤尾菇等都是日常生活中常见的食用菌。食用菌的药用价值也十分突出，在中国古代的许多医药名著中都有大量的记载。表1-1中列举了部分传统医药名著中记载的食药用真菌的种类，早在神农氏炎帝和轩辕氏黄帝时期就应用真菌入药治疗疾病；《神农本草经》中记载了茯苓、赤芝、猪苓、雷丸等多种食药用真菌，其中茯苓和赤芝被列为“上品”药；陶弘景的《名医别录》介绍了雷丸、六芝、茯苓、猪苓、桑耳和马勃等食药用真菌，同样也把茯苓与六芝（青芝、赤芝、黄芝、白芝、黑芝、紫芝）列为上品。此外，《新修本草》以《本草经集注》为基础，增补注文与新药，是中国第一部国颁药典，也是世界上*早的药典，其对六芝、茯苓、雷丸等食药用真菌也进行了详细介绍。在《本草纲目》中，李时珍以《证类本草》为蓝本加以变革，采用“目随纲举”编写体例，故以“纲目”为名，主要介绍历代诸家本草及中药基本理论等内容；在草部、菜部与木部中增加了六芝、桑耳、槐耳、柳耳、皂荚蕈、香蕈、天花蕈、羊肚菜、鸡菌、鬼盖、鬼笔、竹荪、桑黄、蝉花、雪蚕、茯苓、猪苓、雷丸及马勃等40余种食药用真菌，相对于其他几部药学著作中所记载的食药用真菌更加全面。
　　表1-1 传统医药名著中记载的食药用真菌
　　中国现代许多医药名著中对于食药用真菌也有着大量的记载。《中国药用真菌学》是1997年徐锦堂主编的一部本草类中医著作，主要介绍了茯苓、灵芝、猪苓、冬虫夏草、香菇、木耳、猴头菇、蜜环菌等30余种重要药用真菌的药理、化学和生物学特性、栽培技术、发酵工艺及临床应用等有关资料和技术。科学出版社2007年出版的《中国东北野生食药用真菌图志》、上海科学技术文献出版社在2010年出版的《中国食药用菌学》等均对食药用真菌进行了详细的介绍，可供生物学、菌物学、林业、农业、医药资源科研工作者，以及从事食药用真菌栽培和贸易的有关人员及广大爱好者学习参考。
　　1.2 研究/利用史
　　食药用真菌的历史可以追溯到4000多年前，因其独特的食用和药用价值而被誉为健康食品。数百年来，中国、韩国、日本、东欧国家等均使用食药用真菌的提取物作为替代药物。在国内，目前已鉴定出食用真菌966种，其中药用真菌约700种。这些真菌中有100多种可作为食用和药用真菌对其进行商业化栽培[5]。
　　1.2.1 起源及发展
　　从古至今，世界上许多国家都以野生“蘑菇”作为食物、药物等，其在人们日常生活中发挥着重要作用。到了21世纪，食药用真菌不仅可作为健康美味的食物，更重要的是可作为功能性食品、抗癌药物、降血压和降血脂药物等，已经成为大健康产业密不可分的一部分。
　　中国是世界上发现和利用食药用真菌*早的国家，数千年来，我国人民在和大自然相处过程中对大型真菌的形态、生长环境、习性进行了仔细的观察，创造了丰富的词汇进行描述，记载于历史、小说、农书、本草等各类书籍文献中，还以这些野生食用菌为题材，创作了许多优美的诗、词、歌、赋等。郭沫若在《中国通史》中记述，早在6000～7000年前的仰韶文化时期，人类就开始采食菌菇。公元前235年春秋时期，我国已经有利用野生食用菌的文字记载，《吕氏春秋 本味篇》中记载了“和之美者、阳朴之姜、招摇之桂、越骆之菌”。在西晋和隋代，我国有了香菇栽培（《古田县志》），唐代有了构菌（即金针菇）和黑木耳栽培。宋代陈仁玉撰写了专门的菌类著作《菌谱》。浙江庆元的吴三公创造了系统的人工栽培香菇技术。明代李时珍在《本草纲目》中已专门分列出菌类的中药材。我国传统的食药用真菌栽培起源于清代，四川通江有了大规模银耳栽培，广东南华有了草菇栽培。表1-2介绍了部分食药用真菌首次栽培记录[6]。
　　表1-2 世界食药用真菌首次栽培记录
　　1.2.2 食药用真菌产业发展
　　社会经济的发展和进步促进了人们对高品质生活的追求和对食品安全的高度重视。食药用真菌具有丰富的营养价值和药用价值，逐渐受到大众的关注和喜爱。食药用真菌产业在整个产业结构中占据越来越重要的地位，促进其产业良好发展十分必要。
　　在全世界范围内，中国是历史上*早对食药用真菌进行利用的国家，日常生活中的香菇、黑木耳、金针菇、银耳等均起源于我国。相较于我国，日本、欧美各国、俄罗斯等研究起步较晚，但以欧美各国的双孢蘑菇栽培、日本和韩国的木腐菌栽培为代表，国外食药用真菌产业自动化、机械化生产程度非常高，且具有高产和优质的特点[7]。
　　国外*早实现人工栽培的食药用真菌是双孢蘑菇，于1600年在法国实现商业化栽培。韩国食药用真菌栽培起源于1900年，首先实现了对香菇的人工栽培[8]。美国在1900年之前没有商业化的食药用真菌，而现在已发展为世界第二大规模的栽培食药用真菌大国[9]，据美国农业部的数据统计显示，2017年美国食用菌总产值为12.2亿元；2018年美国食用菌进口量为19.6万吨，是1970年进口量的8倍，进口品种主要是食用菌罐头和香菇、黑木耳、杏鲍菇和银耳等[10]。日本推行食用菌“培养中心”模式，是目前食药用真菌栽培种类*多的发达国家。作为俄罗斯的传统食物，食药用真菌大约在10世纪时逐渐流行；俄罗斯食用菌的进口量增长较快，从1995年到2014年的20年时间里，茶薪菇等鲜菇的进口量增加了数十倍。尽管俄罗斯食用菌人工栽培的产量增长缓慢，但食用菌的年消费量仍然达到140万吨[11]。
　　自20世纪90年代以来，伴随着国际食用菌产业发展空间的转移和国内食用菌生产得天独厚的自然条件，在各级政府部门的重视和推动下，我国食用菌产业获得了良好发展，成为世界第一的食用菌生产大国。经过30多年的快速发展，我国食药用真菌商业化品类已经扩增，生产标准逐步规范，生产设施日益专业，产业规模不断扩大，效益不断增加[12]。
　　现如今，我国的食药用真菌产量已经达到了世界产量的75%以上，出口到上百个国家。我国主要商业化菌种约有30多种，包括黑木耳、香菇、双孢蘑菇、平菇、金针菇、毛木耳等。我国现行食药用真菌国家技术标准共计30余项，涵盖了菌种、产品加工、成分检测、农药残留、卫生等多个方面（表1-3）[13]。
　　表1-3 我国食药用真菌国家技术标准
　　虽然我国是食药用真菌生产大国，但在资源、技术、规模上均不属于强国。我国的食药用真菌产业发展距离发达国家还有很大差距，目前还处于初级阶段。想要谋求我国食药用真菌产业可持续发展，必须突破现有技术壁垒，积极研究食药用真菌产业发展中存在的问题，使我国发展成为真正的食药用真菌技术强国[14，15]。
　　1.3 食药用真菌资源的多样性
　　食药用真菌作为生物多样性的一个重要组成部分，对人类的生活与健康都有