陕西理工大学燕飞副教授等:基于非靶向代谢组学分析杜仲金花茶发酵过程中代谢物的特征

2023-08-23作者:来源:责任编辑:食品界 字体A+AA-

杜仲(Eucommia ulmoides)是我国特有的单科单属单种木本植物,包含多种生物活性化学物质,如环烯醚萜、酚类、甾体、萜类和类黄酮等,杜仲叶是这些生物活性物质富集的主要部位,具有多种生物活性功效,如抗肥胖、抗氧化、糖基化抑制、抗高血压、抗骨质疏松、改善酒精性脂肪肝、改善阿尔兹海默症以及抗衰老等,2018年杜仲叶被纳入药食同源名单。

陕西理工大学生物科学与工程学院燕飞,曲东,习林杰等人在杜仲金花茶成功制作基础上,通过非靶向代谢组学方法分析杜仲金花茶发花过程中主要活性成分的变化规律,旨在揭示杜仲金花茶的品质形成机制,为高品质的杜仲金花茶产业化开发提供一定的理论参考。

1 .不同发酵时间杜仲金花代谢物PCA


如图1所示,各组样品(0、2、4、6、8 d和10 d)样品点集中,表明各发酵时间点的样品重复性好。由图1可知,未发酵杜仲金花茶(0 d)与发酵不同时间的杜仲金花茶代样品分布距离较远,表明发酵使得杜仲金花茶代谢物种类和含量发生显著改变。发酵2 d与4 d的样品分布很近,几乎重叠在一起,表明发酵2 d与4 d的杜仲金花茶代谢物差异不显著。发酵6 d和8 d的样品分布距离也较近,同样说明二者代谢物差异不显著,但是都距离2、4 d的样品较远,说明发酵6 d和8 d的样品代谢物与发酵2 d和4 d杜仲茶代谢物具有显著差异。当发酵10 d后,样品分布距离其他各时间点样品较远,说明发酵10 d后杜仲茶代谢物种类和含量与发酵0、2、4、6、8 d相比发生了显著改变。

2 .杜仲茶发酵过程中代谢物的OPLS-DA

0 d组对2 d组、0 d组对4 d组、0 d组对6 d组、0 d组对8 d组、0 d组对10 d组OPLS-DA模型得分散点图如图2所示。图2中OPLS-DA得分图的横坐标tp[1]表示在第1象限中主要成分得分值,展示样本组间差异,纵坐标to[1]表示在第1象限中正交PC得分值,展示样本组内差异,每个散点代表一个样本,散点形状和颜色表示不同的实验分组,样本间横向距离越远表明组间差异越大,纵向距离越近表明组内重复性越好。由图2可以看出,每两组样本的区分非常显著,样本全部处于95%置信区间内,表明杜仲金花茶发酵过程中的代谢物存在显著差异,可用于后续差异成分分析。

3.杜仲茶发酵前后的差异代谢物筛选及分析


以VIP>1且P<0.05为标准对杜仲金花茶发酵过程中的样品进行比较,共检测出显著差异代谢物13类172 种。主要有黄酮类化合物、脂肪酸类化合物、氨基酸、有机酸、糖类及其衍生物、芳香类化合物、苯丙素类、香豆素类、木脂素类、生物碱、醇类、植物激素13个类别(表1)。根据OPLS-DA,以FC>2或FC<0.5,P<0.05为标准,对发酵前后显著差异代谢物进行筛选,其中显著上调的代谢物有107 种,显著下调的代谢物有65 种,且黄酮类化合物、脂肪酸类化合物差异显著代谢物占比最高。

茶独特的健康功效与其丰富的功能性内含物质茶多酚、茶褐素、黄酮类、茶多糖等息息相关。发酵后的杜仲茶黄酮类化合物(26.74%)和脂肪酸类化合物(25.58%)的差异代谢物占据一半以上,它们是香气、滋味物质形成的重要前体物质,是杜仲茶滋味醇厚形成的重要原因。

4.杜仲茶发酵过程中代谢物差异丰度分析


由KEGG通路差异丰度分析图(图3)知,杜仲金花茶经不同时间发酵后代谢物变化富集通路有所差异,且含量变化趋势也有所不同。代谢物主要富集在嘌呤代谢、嘧啶代谢、花生四烯酸代谢、鞘脂代谢、甘油磷脂代谢、泛酸和辅酶A的生物合成、亚油酸代谢等代谢通路上。其中嘌呤代谢、嘧啶代谢通路所包含的代谢物较多;且在发酵2 d和4 d,通路中代谢物变化趋势都上调;当发酵6 d,嘌呤代谢通路中代谢物没有变化,嘧啶代谢通路中代谢物下调;发酵8 d,这两个通路中的代谢物含量都下调;而发酵10 d后,嘌呤代谢通路中代谢物含量又上调,嘧啶代谢通路中代谢物含量无明显变化。
戊糖和葡萄糖醛酸相互转换通路中代谢物也较丰富,在发酵前4 d变化不明显,当发酵超过4 d后,该通路中的代谢物均出现上调趋势。花生四烯酸代谢通路中的化合物整体出现先上调(2 d和4 d)、再下调(6 d)后不变的趋势(8 d和10 d)。

在杜仲茶发酵第2天,脂肪代谢中鞘脂代谢、甘油磷脂、亚油酸代谢已经开始增加,蛋白代谢中的氨基酸却没有变化。可以推断接菌后,杜仲茶发酵前期以脂肪代谢为主。发酵到第4天,VB6开始降解,泛酸和辅酶A的生物合成和碳水化合物代谢开始显著增加。发酵到第6天,生物代谢开始大幅度降低,主要包括氨基酸代谢中的半胱氨酸、蛋氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸丰度降低,以及第2信使中内酰胺生物合成降低。脂质代谢中花生四烯酸代谢和亚油酸丰度降低,意味着杜仲茶风味物质的增加。发酵过程进行到第8天,VB6和VB2代谢开始增加。发酵第10天,戊糖、葡萄糖醛酸转换代谢、抗坏血酸和醛酸代谢丰度增加,半乳糖代谢降低。

5.差异代谢物变化趋势分析


杜仲金花茶中嘌呤代谢通路中代谢物含量随发酵时间的变化趋势如图4所示。该通路中富集9 种化合物,其中腺嘌呤、鸟嘌呤和环磷腺苷3 种物质在杜仲金花茶中的含量随发酵时间的变化趋势相同,都呈现出先升高(2 d和4 d)再降低(6 d和8 d)后回升(10 d)的趋势。腺苷酸、鸟苷酸、环鸟苷酸和单磷酸腺苷呈现先升高再下降后保持平稳的趋势。次黄嘌呤和5-羟基异硫酸含量在整个发酵过程中呈现整体升高的趋势。发酵后茶叶中富含嘌呤生物碱,会造成茶叶滋味苦涩,具有利尿、兴奋神经中枢等功能。

杜仲金花茶中嘧啶代谢通路中代谢物含量随发酵时间的变化趋势如图5所示。该通路中共有7 种代谢物,其中胞嘧啶、胞嘧啶核苷和尿嘧啶在发酵过程中整体呈现下降趋势,在发酵末期(10 d)时的含量比未发酵(0 d)低,有可能是杜仲茶叶发酵过程中合成大量微生物的遗传物质所致。二氢尿嘧啶、5-甲基胞嘧啶和胸腺嘧啶都呈现出先升高再降低后回升的趋势。L-谷氨酰胺在发酵过程中呈先降低后升高的趋势。L-谷氨酰胺可以促进能量代谢,去除自由基,起抗氧化和提高免疫力的作用。另外,L-谷氨酰胺是合成茶叶中特有的游离氨基酸茶氨酸的主要底物,茶氨酸可以调节脑内神经传达物质的变化,有助于缓解紧张的情绪,另外茶氨酸还具有降血压等的作用。

杜仲金花茶中花生四烯酸代谢通路中代谢物含量随发酵时间的变化趋势如图6所示。该通路中7 种代谢物含量的变化规律差异很大。5,6-二羟基三烯酸和11(R)-羟基二十碳四烯酸含量随着发酵时间的延长而显著降低,发酵末期时显著低于未发酵和发酵初期的含量,说明在发酵过程中被不断消耗。与此相反的是,20-羟二十碳四烯酸属于长链脂肪酸,含量呈现整体升高的趋势,发酵末期时的含量显著高于未发酵和发酵初期的含量。20-羟二十碳四烯酸是花生四烯酸的主要生物活性代谢物,由细胞色素P450(CYP)4A酶合成,可降血压抑制血管炎症的发生。白三烯F4、前列腺素I2和前列腺素B2含量在发酵过程中波动较大。而磷脂酰胆碱(24∶1(15Z)/22∶4(7Z,10Z,13Z,16Z))含量在整个发酵过程中变化不明显,趋于平缓。

杜仲金花茶中戊糖和葡萄糖醛酸相互转换通路中的代谢物含量在发酵过程中的变化如图7所示。该通路中的5 种物质在发酵过程中都呈现出整体升高的趋势,在发酵末期含量显著高于未发酵和发酵初期。尤其是辛酰葡萄糖醛酸,在未发酵的金花茶和发酵初期含量近乎为零,到发酵中期含量迅速升高。葡萄糖醛酸在肝脏中可与多种有害物质结合,发挥解毒作用。杜仲茶发酵中后期葡萄糖醛酸含量的提高,进一步增加了杜仲茶的保健功效。

6.杜仲茶发酵过程中代谢物含量总体变化趋势

根据未发酵杜仲金花茶中代谢物的相对含量,评估相对含量最高的前50种代谢物质在发酵过程中的变化趋势,其结果如图8所示。这些代谢物的含量在发酵过程中的变化趋势各不相同。2-二羟基-3-酮-5-甲基硫代戊烯和反式阿魏酸在杜仲金花茶中含量丰富,经过发酵后,其含量显著降低,说明在发酵过程中被消耗掉,或者转化成别的物质。与此相似的还有4-羟基氟比洛芬、烟酰胺等物质。通过非靶向代谢组学研究表明,杜仲金花茶中反式阿魏酸相对含量丰富,说明其在杜仲叶中含量丰富,因此杜仲叶以及以杜仲叶为原料制成杜仲金花茶具有开发成抗氧化等一系列生理活性产品的潜能和前景。然而本研究表明,反式阿魏酸只在杜仲金花茶未发酵以及发酵初期(2 d和4 d)中含量较高,发酵中期和末期(6、8 d和10 d)含量降低,因此杜仲金花茶不宜发酵过久,以避免反式阿魏酸含量快速降低。

诺缬氨酸是人体的一种必需氨基酸,在杜仲金花茶中含量相对较低,但是经过发酵后,其含量显著升高,说明发酵过程促进了这些物质的生成。与此相同变化趋势的物质还有豆甾烷-3,6-二酮等。金丝桃苷在杜仲金花茶中含量也相对较高,在发酵过程中,其含量随着发酵时间的延长而进一步增加。

结论

杜仲金花茶在发酵过程中产生了13类172 种显著差异代谢产物,最佳发酵时间为6~8 d。发酵各时期中的差异代谢物含量显著提高的生物活性物质包括黄酮类、脂肪酸类能占据总代谢物一半以上,黄酮和黄酮醇的生物合成、氨基酸的生物合成和脂类代谢物为提升杜仲茶的滋味和香气起到重要作用。代谢物L-谷氨酰胺、20-羟二十碳四烯酸、葡萄糖醛酸、反式阿魏酸、诺缬氨酸和金丝桃苷,赋予了发酵杜仲茶抗氧化、降血压、解毒、抗炎、提高免疫力等保健功效。

本文《基于非靶向代谢组学分析杜仲金花茶发酵过程中代谢物的特征》来源于《食品科学》2023年44卷第10期300-309页,作者:燕飞,曲东*,纪鹏彬,李新生,习林杰。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220411-121。