不同品種綠豆中代謝產(chǎn)物的分離鑒定及代謝機制分析

張麗媛，于英博，趙子瑩，于潤眾，李志江,4，張東杰,3,5,*

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學電氣與信息學院，黑龍江 大慶 163319；3.北大荒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術省級培育協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 大慶 163319；4.黑龍江省雜糧加工及質量安全工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319；5.國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319）

綠豆在我國已有2 000多年的栽培史，綠豆中營養(yǎng)成分豐富[1-2]，消化生理實驗證明[3]，綠豆中的許多低肽不僅能提供人體生長、發(fā)育所需營養(yǎng)物質與能量，還具有防治疾病、調節(jié)人體生理機能功能[4-6]。綠豆不僅膳食纖維含量較高[7]，其所含淀粉在65～90 ℃時表現(xiàn)出較高的膨脹性及顯著的熱糊黏度穩(wěn)定性[8]。綠豆還具有降血脂、降膽固醇、抗過敏、抗菌、抗腫瘤等功效[9]。但綠豆性寒涼，泄瀉者慎食[10]，所有這些功效都與綠豆內部成分和代謝過程有關。

代謝是生命活動中所有（生物）化學變化的總稱[11]。代謝活動是生命活動的本質特征和物質基礎[12]，是多學科交叉[13]的科學，通過研究相對分子質量小于1 000的所有內源性代謝物，從而揭示生命個體代謝活動的本質。到20世紀90年代末，隨著基因組學的發(fā)展，Oliver在1997年提出代謝組學的概念后[14-15]，很多植物學家隨之開展了相關的研究[16]。Nicholson等[17]提出了一種新的基于核磁共振的代謝組學法，旨在通過測量對異生物所暴露出的基因組學和蛋白質組學的反應信息，進行進一步的增強和互補，并定義為“定量測量生命系統(tǒng)對病理生理刺激或遺傳修飾的動態(tài)多參數(shù)代謝反應”。進行代謝物整體水平的檢測分析[18-19]：必須依賴分析化學中的各種譜學技術獲取代謝組數(shù)據(jù)[20-21]，從而提取代謝特征整體變化軌跡[22]。另外，通過代謝組變化獲取的“生物標志物簇”也只是代謝組學研究的一個初級階段性目標，而建立代謝特征或代謝時空變化規(guī)律與生物體特性變化之間的有機聯(lián)系，才是代謝組學研究的根本目標。

大明綠豆品質優(yōu)良，質地純正，色澤墨綠，呈圓柱狀，富含淀粉和多種營養(yǎng)成分，含脂肪19.8%，含蛋白質40.1%，并含有6 種人體必需的氨基酸，味甘性寒，九鯉湖綠豆顆粒飽滿，皮薄圓潤，色澤青綠，含豐富的蛋白質和脂肪，口感清甜，有淡香氣。本實驗通過使用非靶向代謝組學技術分離鑒定2 個品種綠豆的代謝產(chǎn)物，進一步分析了代謝途徑差異，并對不同品種綠豆的代謝機制差異探索，以期通過對綠豆代謝產(chǎn)物的分析，為不同品種綠豆的特性差異提供參考，為綠豆的品質改善提供基礎信息。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

在黑龍江八一農(nóng)墾大學寒地雜糧食品安全控制及全程追溯實驗教學示范中心食品質量追溯實驗室種植獲得的綠豆樣品，品種分別為大明綠豆（DM）、九鯉湖綠豆（JLH），在相同種植和管理條件下同時生長，同時收獲，貯藏在-80 ℃冰箱備用，3 個生物學重復用于代謝產(chǎn)物測定。

2-氯-L-苯丙氨酸、N,O-雙(三甲基硅基)三氟乙酰胺（N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoroacetamide，BSTFA）上海麥克林生化科技有限公司；吡啶（色譜級，≥99.9%）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；甲醇（色譜級）美國Fisher公司。

1.2 儀器與設備

三重四極桿型GC-MS-TQ8040氣相色譜-質譜儀（配備電子電離源） 日本島津技術有限公司；AOC-5000自動進樣器、CR3i multifunction型離心機、1 000、200 μL移液槍 賽默飛世爾科技有限公司；DGG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱、DRP-9082型電熱恒溫培養(yǎng)箱上海森信實驗儀器有限公司；MTN-2800D氮吹濃縮裝置天津奧特塞恩斯儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣本預處理

分別取適量樣品放入研磨機進行研磨并過100 目篩處理。按四分法進一步取樣后分別稱取50 mg粉末于2 mL的EP管中，加入800 μL甲醇和10 μL內標（2-氯苯丙氨酸），快速混勻1 min。隨后置于4 ℃、12 000 r/min離心15 min，吸取200 μL上清液，轉入進樣小瓶中氮氣吹干。所有實驗做3 個平行樣。

1.3.2 衍生化處理

取30 μL甲氧銨鹽酸吡啶溶液加入氮氣吹干以至濃縮后的樣品中，快速混勻完全溶解，置于37 ℃恒溫箱90 min，取出后加入30 μL的N,O-雙(三甲基硅基)三氟乙酰胺，然后置70 ℃烘箱1 h。

1.3.3 色譜條件

色譜柱為Rxi-5Sil MS（30 m×0.25 mm，0.25 μm）；升溫程序：80 ℃保持2 min；以10 ℃/min升到320 ℃，保持6 min，運行時長32 min；柱溫80 ℃，進樣口溫度240 ℃，進樣模式為分流，流量控制模式為恒定線速率，載氣為氦氣，柱流量為1.20 mL/min，線速率為40.4 cm/s，分流比15∶1。

1.3.4 質譜條件

離子源溫度230 ℃，接口溫度300 ℃，溶劑切割時間2 min，采集模式Q3 Scan，質量掃描范圍m/z45～550。

1.4 數(shù)據(jù)分析與繪圖

實驗數(shù)據(jù)與美國國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）標準譜庫進行對比分析，代謝物信息在京都基因與基因組百科全書（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）數(shù)據(jù)庫中進行搜索，并采用Origin繪圖工具制圖。

2 結果與分析

2.1 氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）對代謝產(chǎn)物的分離與鑒定

2 種不同品種的綠豆GC-MS總離子流圖如圖1、2所示，可以看出，樣品中各組分分離良好，基線穩(wěn)定。2 個不同品種綠豆的總離子流圖較為相似，但也略有不同。

圖1 DM代謝產(chǎn)物的總離子流圖Fig. 1 Total ion current chromatogram of metabolites in Daming mung beans

圖2 JLH代謝產(chǎn)物的總離子流圖Fig. 2 Total ion current chromatogram of metabolites in Jiulihu mung beans

數(shù)據(jù)經(jīng)過NIST標準譜庫進行對比分析，從而確定了代謝產(chǎn)物的結構，分離檢測了樣品共有67 種代謝產(chǎn)物，其中DM代謝產(chǎn)物有40 種，JLH代謝產(chǎn)物有50 種，包括有機酸、脂肪酸、糖及其衍生物、氨基酸和中間產(chǎn)物，如表1所示。有機酸主要有丁酸、乳酸、2-丁烯二酸、蘋果酸、酒石酸、磷酸、檸檬酸、奎寧酸；脂肪酸中含有棕櫚酸、亞油酸、亞麻酸、硬脂酸、13-二十碳烯酸、花生酸等；檢測到的糖及其衍生物包括D-呋喃果糖、塔羅糖、D-松醇、葡萄糖、β-D-呋喃半乳糖、D-半乳糖、D-甘露糖、蔗糖、β-乳糖、乳糖、2-α-甘露二糖、麥芽糖；氨基酸有L-正纈氨酸、L-纈氨酸、L-脯氨酸、絲氨酸、L-蘇氨酸、苯丙氨酸、天冬酰胺、L-谷氨酸、L-苯丙氨酸；醇類包括乙二醇、丙二醇、甘油；糖醇有山梨醇；植物甾醇有菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇；中間產(chǎn)物包括氨基甲酸、2-哌啶酸、3-氨基-2-哌啶酮、4-叔丁基-2,6-二甲氧基苯酚、呋喃半乳糖醛酸、月桂酰胺、5-甲基尿苷、肌醇、亞油醇乙醇胺、單硬脂酸甘油酯、甜菜苷、D-生育酚、棕櫚酰、2-亞麻?；?rac-甘油；檢測到有機合成化合物萘普生。在DM中氨基酸的總相對含量占10.05%，醇類的總相對含量占1.62%，有機酸的總相對含量占4.97%，糖類的總相對含量占8.98%，脂肪酸的總相對含量占8.99%，植物甾醇的總相對含量占2.24%，中間產(chǎn)物的總相對含量占15.97%；在JLH中氨基酸的總相對含量占19.06%，醇類的總相對含量占2.3%，糖醇的總相對含量占0.05%，有機酸的總相對含量占9.84%，糖類的總相對含量占10.66%，脂肪酸的總相對含量占4.96%，植物甾醇的總相對含量占3.13%，中間產(chǎn)物的總相對含量占9%。根據(jù)2 種綠豆各個代謝物種類相對含量的對比發(fā)現(xiàn)，DM只有中間產(chǎn)物的相對含量占比高于JLH，其余種類相對含量的占比均低于JLH，JLH綠豆更適合產(chǎn)生有益代謝產(chǎn)物。

表1 DM和JLH中代謝產(chǎn)物的相對含量Table 1 Contents of metabolites in two cultivars of mung beans

續(xù)表1

在被鑒定的全離子分析物中，乙酰酸、N-甲基丙酰胺、乙胺、丁胺、雙羥乙基砜、乙酰胺為衍生化試劑形成，在此不作討論。

2.2 差異代謝物的相對含量及代謝途徑分析

2.2.1 DM的差異代謝物及代謝途徑分析

如表2所示，通過與JLH的代謝產(chǎn)物對比分析得出，DM共有10 個差異代謝物，分別為丁酸、乙二醇、丙二醇、L-纈氨酸、呋喃半乳糖醛酸、D-半乳糖、13-二十碳烯酸、花生酸、棕櫚酰、2-亞麻?；?rac-甘油。

表2 DM的差異代謝物Table 2 Retention times of differential metabolites in Daming mung beans

如圖3所示，2-亞麻?；?rac-甘油、棕櫚酰相對含量較高，達到2%以上。

圖3 DM的差異代謝物Fig. 3 Relative contents of differential metabolites in Daming mung beans

L-丙氨酸、L-纈氨酸通過氨基酸代謝途徑形成；丁酸、2-亞麻酰基-rac-甘油、棕櫚酰、花生酸、13-二十碳烯酸、乙二醇、丙二醇通過脂肪代謝途徑形成；綠豆細胞內脂肪酸氧化分解為乙酰CoA之后，在乙醛酸體內生成琥珀酸、乙醛酸和蘋果酸等代謝產(chǎn)物；此外琥珀酸可用于糖的合成，綠豆內部含有乙醛酸體，在萌發(fā)時存在著能夠將脂肪轉化為糖的乙醛酸循環(huán)。

2.2.2 JLH的差異代謝物及代謝途徑分析

通過與DM代謝產(chǎn)物對比分析得出，JLH共有20 個差異代謝物，如表3所示，分別是氨基甲酸、甘氨酸、2-哌啶酸、L-蘇氨酸、苯丙氨酸、酒石酸、萘普生、D-呋喃果糖、塔羅糖、山梨醇、葡萄糖、左旋谷氨酸、月桂酰胺、奎寧酸、5-甲基尿苷、亞油醇乙醇胺、單硬脂酸甘油酯、乳糖、2-α-甘露二糖、麥芽糖。

表3 JLH的差異代謝物Table 3 Retention times of differential metabolites in Jiulihu mung bean

如圖4所示，2-哌啶酸相對含量最高，其次是L-蘇氨酸、苯丙氨酸、酒石酸含量較高，相對含量均達到2%以上。

圖4 JLH的差異代謝物Fig. 4 Relative contents of differential metabolites in Jiulihu mung beans

在20 種代謝產(chǎn)物中，參與脂類代謝途徑的有3 種：月桂酰胺、亞油醇乙醇胺、單硬脂酸甘油酯。磷脂酸與取代基團代謝生成單硬脂酸甘油酯，磷脂酸可由糖和脂轉變生成的甘油和脂肪酸生成[23]。乙醇胺是植物中天然存在的脂質生物活性化合物[24]，通過氨解二乙醇綠豆體內還有的油脂類物質而得，在油脂的聚氨酯分子骨架上引入綠豆油脂分子，利用油脂中雙鍵醇胺在催化的作用下生成亞麻油酰胺。單硬脂酸甘油酯則推測是通過綠豆內油脂中含有的磷脂酸與取代基團代謝生成單硬脂酸甘油酯。其中磷脂酸可由糖和脂轉變生成的甘油和脂肪酸生成。

參與氨基酸代謝途徑的有9 種：氨基甲酸、甘氨酸、2-哌啶酸、L-蘇氨酸、苯丙氨酸、酒石酸、左旋谷氨酸、奎寧酸、5-甲基尿苷。因為植物的生長需要甘氨酸等多種氨基酸，在組織培養(yǎng)中，植物不能自身合成，必須得有原料。而甘氨酸是很多種氨基酸在生物體內合成的前體物質，在脫氨基轉氨基作用時都會用于合成其他物質，因此推測甘氨酸是多種氨基酸脫氨時的代謝物，是綠豆體內胺類物質水解的中間產(chǎn)物。2-哌啶酸是一種非天然氨基酸，由于2-取代衍生物是哌啶酸最常見的衍生物，其是一種經(jīng)過修飾的非天然氨基酸，常常表現(xiàn)出有效地生物活性，在這些化合物中，4-甲基-2-哌啶酸乙酯是一個關鍵中間體。因此推測2-哌啶酸可能是通過4-甲基-3,4-烯-6-哌啶酸乙酯的氫化還原4-甲基-2-哌啶酸乙酯而得到[25]。蘇氨酸是通過綠豆體內蛋白質水解產(chǎn)生，L-蘇氨酸是其具有活性的一類，其在體內的分解代謝中，是唯一不經(jīng)過脫氨基作用和轉氨基作用，而是直接通過蘇氨酸脫水酶、蘇氨酸脫氫酶和蘇氨酸醛縮酶催化轉變?yōu)槠渌镔|的氨基酸，例如蘇氨酸可轉變成丁酰輔酶A、琥珀酰輔酶A、絲氨酸、甘氨酸等[26]。苯丙氨酸氨解酶是豆類植物苯丙酸類化合物代謝過程中的一個關鍵酶，它催化L-苯丙氨酸氨解生成反式苯丙烯酸，依據(jù)此酶特異的催化反應降低腫瘤細胞生長所需的苯丙氨酸[27]。

酒石酸即二羥基琥珀酸，是三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)中的積累形成的?？鼘幩崾歉叩戎参锾赜械闹h(huán)族有機酸，奎寧酸還發(fā)現(xiàn)在許多植物組織中作為綠原酸等的縮酚酸類組成成分，在植物體內經(jīng)莽草酸途徑作為一種芳香族氨基酸生物合成的前體物質[28]，但在代謝上的作用仍未闡明。5-甲基尿苷是生產(chǎn)抗艾滋病藥物AZT和d4T的主要原料，可以采用化學合成法和生物合成法生產(chǎn)[29]，該代謝產(chǎn)物是鳥苷和胸腺嘧啶在酶的作用下形成的。

參與糖類代謝途徑的有7 種：D-呋喃果糖、塔羅糖、山梨醇、D-葡萄糖、乳糖、2-α-甘露二糖、麥芽糖。其中塔羅糖可由葡萄糖或甘露糖經(jīng)化學反應獲得。果糖最常見的六碳酮糖，廣泛存在于綠豆中。山梨醇是這些植物的主要光合產(chǎn)物，也是碳水化合物的運輸形式和一種可溶性的貯藏碳水化合物，其合成和分解由多種不同的酶經(jīng)多種途徑催化進行，其代謝調節(jié)著植物的庫源轉變和庫源強度[30]。在多元醇途徑中，葡萄糖經(jīng)醛糖還原酶催化還原成山梨醇，后者在山梨醇脫氫酶的作用下轉變?yōu)楣?。塔羅糖、山梨糖醇均是單糖，推測其由葡萄糖或甘露糖經(jīng)醛糖還原酶催化還原而成。乳糖是由葡萄糖和半乳糖組成的雙糖。2-α-甘露二糖于β-1,4-甘露聚糖降解的中間物，麥芽糖是由2 個葡萄糖單位經(jīng)由α-1,4-糖苷鍵連接而成的二糖，此外，在本樣品差異代謝產(chǎn)物中還發(fā)現(xiàn)有萘普生存在，萘普生是一種非甾體抗炎藥物[31]，在綠豆生化代謝途徑中并無該物質的產(chǎn)生，考慮到萘普生常用作化工合成青霉素合成酶抑制劑原料，據(jù)此推測此品種綠豆在生長過程中可能因外界藥物作用使萘普生最終殘留于綠豆中。

2.3 相同代謝產(chǎn)物分析

如圖5所示，2 個樣品中共有30 種相同代謝產(chǎn)物，其中L-正纈氨酸、肌醇、蔗糖含量較高（＞7%）。在30 種代謝物中參與氨基酸代謝途徑的有6 種：L-正纈氨酸、L-脯氨酸、絲氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、L-苯丙氨酸。

圖5 2 種樣品的相同代謝產(chǎn)物Fig. 5 Metabolites common to two cultivars

正纈氨酸是纈氨酸的同分異構體，也是一種非蛋白質支鏈氨基酸，L-正纈氨酸是其具有活性的一類，推測其是由于氨基腈通過水解及脫芐產(chǎn)生。L-脯氨酸是蛋白質組成成分之一，微生物體內的脯氨酸合成途徑有2 種，一是以谷氨酸為前體，另一種則以鳥氨酸為前體。綠豆體內L-脯氨酸的生物合成主要是以L-谷氨酸為前體，通過B-proA-pro途徑合成的脯氨酸用于合成蛋白質；而在外界高滲透壓環(huán)境的脅迫下，L-脯氨酸的合成則主要通過proJ-proA-proH途徑產(chǎn)生[32]。

參與脂類代謝途徑的有5 種：甘油、棕櫚酸、亞油酸、亞麻酸、硬脂酸。已有研究[33]說明植物種子中儲存的脂肪酸常以三酰甘油酯，即以在甘油骨架上附連3 個脂肪酸的形式存在。而脂肪酸成分主要是16～18碳或含1～3 個雙鍵的脂肪酸，如本實驗樣品中出現(xiàn)的棕櫚酸（C16:0）、硬脂酸（C18:0）、油酸（C18:1）、亞油酸（C18:2）和亞麻酸（C18:3）等。

參與糖代謝途徑的有7 種：β-D-呋喃半乳糖、肌醇、D-甘露糖、蔗糖、甜菜苷、β-乳糖、D-松醇。其中肌醇是廣泛存在于植物中的一種物質[34]，結構類似于葡萄糖，綠豆中的肌醇常為游離狀態(tài)，是一種由葡萄糖水解產(chǎn)生的碳水化合物。

2-丁烯二酸、蘋果酸、檸檬酸參與TCA循環(huán)，該循環(huán)不僅是糖代謝的重要途徑，也是脂肪、蛋白質和核酸代謝的最終氧化成CO2和H2O的重要途徑，如糖酵解中形成的磷酸烯醇式丙酮酸可不轉變?yōu)楸幔窃诹姿嵯┐际奖狒然复呋滦纬刹蒗Ｒ宜?，草酰乙酸再被還原為蘋果酸，蘋果酸可經(jīng)線粒體內膜上的二羧酸傳遞體與無機磷酸（Pi）進行交換進入線粒體襯質，可直接進入TCA循環(huán)；蘋果酸在襯質中，也可在蘋果酸酶的作用下脫羧形成丙酮酸，或在蘋果酸脫氫酶的作用下生成草酰乙酸，再進入TCA循環(huán)，可起到補充草酰乙酸和丙酮酸的作用。乳酸則是綠豆在進行無氧過程中的積累。因為DM與JLH所處環(huán)境的不同，最終表現(xiàn)出的特性有差異，不同基因型綠豆具有不同開花節(jié)位各功能葉片的衰老與活性氧代謝特性，而綠豆葉片衰老和活性氧代謝會直接影響TCA循環(huán)的代謝產(chǎn)物。在TCA循環(huán)中，由于活性氧代謝的差異性，兩者在相同的代謝過程中雖然能產(chǎn)生相同的代謝物，但是代謝物的產(chǎn)量卻有差異。

菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇參與了類固醇生物合成，植物甾醇是存在于植物中的一大類化學物質的總稱，其結構與膽固醇相似，幾乎存在于所有的植物性食物中[35]，通過在數(shù)據(jù)庫中搜索發(fā)現(xiàn)，菜油甾醇由亞甲基膽固醇通過固醇還原酶代謝而成，并且通過類固醇22-α-羥化酶代謝出22-α-羥基樟腦醇，谷甾醇由異巖藻甾醇通過固醇還原酶代謝而成。

3 結 論

本實驗基于GC-MS的代謝組學技術對兩不同種綠豆中的代謝產(chǎn)物進行分離與鑒定。共鑒定67 種代謝物，DM綠豆有40 種代謝產(chǎn)物，JLH綠豆有50 種代謝產(chǎn)物。而且實驗結果發(fā)現(xiàn)，DM的代謝產(chǎn)物中氨基酸、糖類、有機酸、脂肪酸、植物甾醇相對含量占比均低于JLH，中間產(chǎn)物相對含量占比較JLH高，可見，JLH相比于DM更容易代謝出有益的代謝產(chǎn)物。其中2 種樣品綠豆相同代謝物有30 種，在DM中L-正纈氨酸、亞油酸、肌醇、L-正纈氨酸、蔗糖、亞油酸含量較高，2-丁二烯酸、絲氨酸、4-叔丁基-2,6-二甲氧基苯酚、菜油甾醇含量較低；在JLH中L-正纈氨酸、檸檬酸、肌醇、蔗糖含量較高，D-甘露糖、甜菜苷、β-乳糖、菜油甾醇含量較低。由于樣品綠豆種類不同，基因也不完全相同，所得到的代謝產(chǎn)物也存在一定的差異性。在分析2 種樣品的差異代謝產(chǎn)物的代謝途徑時，DM的差異代謝物中參與脂肪代謝途徑的有2 種，參與氨基酸代謝途徑的7 種，參與糖代謝途徑的有1 種；而在JLH的差異代謝物中參與脂類代謝途徑的有3 種，參與氨基酸代謝途徑的有9 種，參與糖類代謝途徑的有7 種，并且發(fā)現(xiàn)了萘普生。由此可見，JLH的代謝過程相比大明綠豆的代謝過程更為復雜。此研究為綠豆品質分析提供理論基礎，也為綠豆分類加工或分品種提取功能性成分提供依據(jù)。