基于植物广泛靶向代谢组学技术探究小米粥中

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多酚类化合物具有抗氧化、抗肿瘤、延缓衰老、预防或减少疾病的发生等作用,是世界上最广泛的膳食补充剂之一。多酚类化合物是小米中最主要的功能性成分之一,同样具有上述功能特性。小米中含有游离和共轭形式的酚酸,包括羟基苯甲酸和羟基肉桂酸的衍生物;还含有黄酮类化合物,包括黄酮、黄烷酮、异黄酮等。此外,部分小米中还含有少量的单宁类物质。小米粥作为家庭常吃的一种粥品,具有开肠胃、反胃热痢、健胃消食等养胃功能。而多酚类化合物作为一种功能因子存在于小米粥中,不仅具有抗氧化、抗肿瘤等作用,还具有修复胃黏膜损伤、提高胃肠动力和预防胃肠道疾病等功能,因此酚类化合物可能是小米粥养胃的功能因子之一。目前,小米经过煮制后酚类化合物含量和抗氧化能力变化的趋势鲜见报道,在此过程中,保持高含量或在体内具有重要作用的多酚类化合物种类也鲜见报道。黑龙江八一农垦大学食品学院的康子悦、沈蒙和曹龙奎*等人采用定性准确、灵敏度高、重复性好的植物广泛靶向代谢组学技术探究小米粥中酚类化合物的组成,并分析差异组分,以期为人们提供简便且更为合理的小米粥煮制方式,更为进一步探究小米粥中酚类化合物对胃的保护机制提供理论依据,同时也为开发功能性食品提供理论基础。

1小米粥煮制工艺的优化

1.1酚类化合物含量标准曲线

标准曲线回归方程为y=0.x+0.,R2=0.,具有较好的线性关系。

1.2煮制时间对小米粥总多酚含量影响

如图1所示,与生小米对比,随着煮制时间的延长,小米粥总多酚含量逐渐下降,且呈显著性差异。小米粥各因素间也存在差异性,其中煮制15min和煮制24min呈现高度显著差异。当煮制时间为15min时小米粥总多酚的含量最高。这是由于多酚类化合物是一种热不稳定性的物质,随着加热时间的延长,多酚被氧化破坏或降解,导致其含量下降。

1.3煮制功率对小米粥总多酚含量影响

如图2所示,与生小米相比,随着煮制功率的增加,小米粥总多酚的含量逐渐下降,且呈显著差异。当功率为W时小米粥总多酚的含量最高。其中,煮制功率W和W之间呈高度显著差异。这是由于总多酚类化合物热稳定差,随着功率的增加,温度也逐渐升高,导致总多酚含量下降。

1.4料液比对小米粥总多酚含量影响

由图3所示,与生小米相比,随着液体用量的增加,小米粥多酚的含量呈先上升后下降的趋势。当料液比为1∶25时小米粥总多酚的含量最高。可能是由于料液比为1∶25时小米保持良好的含水量,提高了总多酚的提取率。

1.5煮制工艺优化正交试验

根据R大小,判断因素的主次顺序为A<B<C。结果显示,最优结果为A1B2C2,即时间15min、料液比1∶25(g/mL)、功率W。由表4可知,B、C对小米粥总多酚含量影响显著(P<0.05)。将最优组合进行验证,测得小米粥总多酚含量平均值为1.25mg/g,与单因素试验相比其损失率降低了25%。

1.6小米粥淀粉糊化度的测定结果

如图4所示,试验1号的煮制时间最短、煮制功率最低,若在此参数下小米粥中淀粉完全糊化,则可断定在其他参数下煮制的小米粥也完全熟制。淀粉糊化过程代表了淀粉分子从有序到无序状态的转变,同时也伴随着能量的变化,因此采用差示扫描量热仪对淀粉的糊化特性及糊化程度进行测定。当小米粥中淀粉完全糊化时,在热分析过程中应没有吸收峰,呈一条平坦的直线。由图4可知,生小米出现了明显的吸热峰,表明其中含有大量的淀粉晶体,并未完全糊化。图中试验1号小米粥曲线没有出现吸收峰,表明小米粥已完全熟制。

1.7小米粥品质的感官评定

根据感官评定标准,对16个试验组进行感官评价,评价结果显示,试验15组感官评定的结果最佳,其次为试验2组和试验11组。感官评定的结果表明,当水用量过高时,小米粥的香味呈下降趋势;当煮制功率过高时,其口感呈下降趋势;烹饪小米粥时,煮制功率不易过大,同时煮制时间可以略微延长,也就是常说的“小火慢熬”,在此条件下,小米粥的风味物质不仅可以较好的溶出,且米粒的口感软硬适中。结合总多酚含量,选取试验2组为最佳煮制工艺,也将采用试验2组的煮制工艺参数进行后续实验。

2小米粥游离酚和结合酚的测定结果

由图5可知,小米粥中游离酚损失率较高,差异显著,结合酚含量变化不显著。小米粥中游离酚和结合酚含量分别减少了53%和10%,这是由于游离酚不与大分子物质结合,结构不稳定,而结合酚通过碳碳双键、酯键或与细胞壁中木聚糖侧链上一些糖残基、结构蛋白、纤维素和果胶等大分子结合,结构稳定,不易被破坏,所以游离酚损失率高于结合酚。食物中的结合酚在胃和小肠进行消化,再由结肠中微生物菌群发酵后释放,所以结合酚在体内发挥着重要的作用。小米粥中结合酚含量下降不显著,说明小米经过煮制后结合酚在体内仍起到不可或缺的作用。

3小米粥中游离酚和结合酚抗氧化能力

结果显示,小米粥游离酚和结合酚DPPH自由基清除率分别为75.41%和56.54%,总抗氧化能力分别为14.72U/mL和9.58U/mL。与生小米游离酚相比,小米粥游离酚DPPH自由基清除率下降了2.2%,总抗氧化能力下降了1.91U/mL。与生小米结合酚相比,小米粥结合酚DPPH自由基清除率下降了9.69%,总抗氧化能力下降了3.06U/mL。本实验使用的东方亮小米其结合酚的抗氧化能力低于游离酚的抗氧化能力。小米粥中游离酚抗氧化能力变化不显著的原因可能是热处理引发的美拉德反应会导致新的物质形成,具有还原性和释放结合酚的能力,这也是小米粥结合酚抗氧化能力下降的原因。尽管煮制后小米粥中多酚类化合物含量下降,但其抗氧化能力仍维持较高的水平,说明多酚类化合物在体内发挥着不可或缺的作用。

4PCA结果

由图6可知,QC样本重合度较高,说明实验方法稳定性强、数据质量高。置信区间的右上角为小米多酚样本,左下角为小米粥多酚样本,说明小米经过煮制后样本之间存在显著差异。

5小米粥中游离酚和结合酚组分鉴定

本实验定性出37种多酚类化合物,包含24种黄酮类化合物,其中7种为异黄酮类化合物以及3种为2-芳基苯并呋喃类黄酮类化合物;13种酚酸类化合物,其中4种为肉桂酸及其衍生物。鼠曲草黄素、表儿茶素、光甘草素、peonidin3-O-glucoside、金圣草黄素、芥子醇、香草酸、咖啡酸、丁香酸、间香豆酸、3,4,5-trimeth-oxycinnamicacid、芥子酸、大豆苷元、黄豆黄素、金雀异黄素、异黄樟素、胡椒醛、delphinidin-3-rutinoside和锦葵色素苷的含量均呈显著性差异。表儿茶素、香兰素、绿原酸、香草酸、芥子酸和芥子醇等酚类化合物相对含量较高。表儿茶素、绿原酸、芥子酸和香草酸为小米中主要的游离酚;而咖啡酸、间香豆酸为小米中主要的结合酚。香叶木苷、表儿茶素、川陈皮素等游离酚相对含量呈下降趋势。图7为生小米与小米粥差异组分层次聚类分析热力图。将差异组分的相对含量进行聚类,高低表达交互在一起,红色为高表达组分,绿色为低表达组分。表儿茶素、间香豆酸、辛弗林、咖啡酸、丁香酸等酚类化合物为高表达;yuccaolC、芹菜苷、芒柄花素和(-)-glycinol等为低表达;根据颜色变化差异得出绿原酸、紫菀苷、丁香酸、芥子酸、香木叶苷、芦丁、peonidin3-O-glucoside、大豆苷元、黄豆黄素、金雀异黄素和鼠曲草黄素等物质存在极显著差异;香兰素、表儿茶素、香草酸、咖啡酸、间香豆酸等差异显著。通过颜色深浅差异可知,游离酚变化差异大于结合酚,这表明小米经过煮制后游离酚含量变化显著,与图5结果相似。其中变化最显著的游离酚为芦丁、香木叶苷、peonidin3-O-glucoside、鼠曲草黄素和锦葵色等。结果显示,煮制后小米籽粒中部分酚类化合物含量呈下降趋势。有研究表明,小米贮藏过程中若存在温度过高的现象,其籽粒中多酚类化合物的含量会相应减少。酚类化合物性质不是很稳定,当环境温度升高时,酚类化合物极易分解,所以本实验针对小米在生熟2种状态下的差异组分进行KEGG富集分析,分析高温环境对小米中酚类化合物代谢通路的影响,以便为小米贮藏环境的选择提供参考。代谢通路富集分析结果以气泡图的形式展现,见图8。图中每个气泡代表一条代谢通路,共有10个气泡,即在KEGG中查询到了10个代谢通路,既有合成途径也有降解途径,分别为苯丙素的生物合成、异黄酮生物合成、苯丙烷类生物合成、氨基苯甲酸盐降解、次生代谢物的生物合成、黄酮和黄酮醇的生物合成、类黄酮生物合成、芳香化合物的降解、不同环境中的微生物代谢途径及新陈代谢途径。气泡所在横坐标和气泡大小表示该通路在拓扑分析中的影响因子大小,纵坐标和气泡颜色表示富集分析的P值(取负常用对数,即-lgP),颜色越深P值越小,富集程度越显著。其中苯丙素的生物合成途径、异黄酮生物合成途径、苯丙烷类生物合成途径气泡颜色较深,说明这些代谢途径受温度变化影响较大。结果显示,涉及到这10条代谢通路的差异组分有表儿茶素(C)、芥子醇(C)、咖啡酸(C)、大豆苷元(C)、金雀异黄素(C)、芥子酸(C)、香草酸(C)和金圣草黄素(C)。本实验通过KEGG富集差异组分得到的10条代谢通路,其中部分代谢通路与高温环境下酚类化合物含量下降有关。因此在小米未经过加工处理前,使其保持良好的环境温度(尤其是夏季),以延缓酚类物质的代谢,尽可能将酚类化合物的含量维持在最高水平,同时保持功能因子的保健功效。

结论

本实验通过单因素试验和正交试验得到小米粥最优煮制参数为煮制时间15min、煮制功率W、料液比1∶25(g/mL)。煮制后小米粥游离酚DPPH自由基清除率下降了2.2%,总抗氧化能力下降了1.91U/mL;小米粥结合酚DPPH自由基清除率下降了9.69%,总抗氧化能力下降了3.06U/mL。通过Folin-Ciocalteu法测定游离酚和结合酚含量,结果表明游离酚比结合酚对煮制更加敏感,说明结合酚在体内可能起到更为关键的作用。通过植物广泛靶向代谢组学方法,定性分析出37种多酚类化合物,其中鼠曲草黄素、表儿茶素、光甘草素、金圣草黄素等19种酚类化合物均呈显著性差异。通过KEGG富集分析得到了10个代谢通路。在定性检测出的37种物质中,表儿茶素、芦丁、香兰素、咖啡酸、大豆苷元等研究较为广泛,但辛弗林、间香豆酸、环桑皮黄素、刺芒柄花素、鼠曲草黄素、荭草素等物质鲜有研究,甚至鲜少有人深入了解其结构及功能特性。但是,多酚类化合物作为小米粥中重要的保护肠胃功能因子,其研究价值不应被忽略。后续研究可对多酚类化合物进行分离纯化,对每一种多酚类化合物进行体内和体外功能特性的研究,例如:细胞抗氧化活性、修复被损伤的胃上皮细胞及动物实验等。从酚类化合物的角度阐明小米粥保护肠胃功能机制,筛选出高效、无毒害作用的功能因子,为功能性食品的开发提供理论依据。

本文《基于植物广泛靶向代谢组学技术探究小米粥中酚类化合物组成及其抗氧化性》来源于《食品科学》年42卷4期-页,作者:康子悦,沈蒙,葛云飞,王娟,全志刚,肖金玲,王维浩,曹龙奎。DOI:10./spkx--2019-。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

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