基于超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜法高分辨非靶代謝組學(xué)的竹葉青組方發(fā)酵前后成分比較研究

蔚慧欣,張鑫,袁茂森

1(中國露酒植物提取與健康山西省重點實驗室,山西 汾陽,032205)

2(西北農(nóng)林科技大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院,陜西 楊凌,712100)

3(天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院,天津,300457)

發(fā)酵技術(shù)在中藥生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,現(xiàn)代中藥發(fā)酵研究已成為當(dāng)前中藥領(lǐng)域研究熱點之一[1-2]。中藥發(fā)酵技術(shù)是采用現(xiàn)代生物工程技術(shù),在人體外建立一個“工業(yè)化腸胃系統(tǒng)”,通過添加人體腸道內(nèi)的多種益生菌,把大分子的中間物質(zhì),分解和轉(zhuǎn)化成為能夠被直接吸收的有效小分子物質(zhì)。中藥發(fā)酵菌株乳酸菌具有改善腸道菌群,降低膽固醇,增強人體免疫力的功效,且乳酸菌發(fā)酵還能改善食品風(fēng)味。此外,中藥發(fā)酵后產(chǎn)品可一定程度上減少毒副作用[3-8]。雖然中藥發(fā)酵在我國具有幾千年悠久歷史,但是采用純菌種微生物發(fā)酵改性中藥材在近幾十年才興起,可以說是方興未艾,需要進(jìn)一步拓展和深入。梅曉丹等[9-10]、王喻淇等[11]采用液態(tài)發(fā)酵技術(shù)對黃精覆盆子,玫瑰花、玫瑰咖、枸杞子及生姜進(jìn)行乳酸菌發(fā)酵,并對開發(fā)的飲品化學(xué)成分進(jìn)行超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜法(ultra performance liquid chcromatography-high resolution mass spectrum,UPLC-HRMS)鑒定分析,明確了中藥發(fā)酵產(chǎn)品對食療和保健的正向作用。張妍等[12]以2種乳酸菌為發(fā)酵劑,以玉米及其副產(chǎn)物飲料為研究對象,利用非靶向代謝組技術(shù)對飲料發(fā)酵前后小分子質(zhì)量物質(zhì)變化進(jìn)行了對比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),玉米及其副產(chǎn)物飲料發(fā)酵前后存在較大的代謝物差異。

利用中藥發(fā)酵技術(shù)創(chuàng)新求變,功能性轉(zhuǎn)化為賣點突出、形式新穎的產(chǎn)品是值得我們探索的新方向。竹葉青酒是中國唯一的露酒傳統(tǒng)名酒,具有獨特的草本古方,其出自明末清初的大學(xué)者傅山,源于傳統(tǒng)中醫(yī)藥學(xué)、藥食同源的理論與實踐經(jīng)驗指導(dǎo),具有極強的現(xiàn)代功能食品優(yōu)勢[13]。竹葉青酒是以汾酒為基酒,配以淡竹葉(竹葉)、菊花、梔子等十幾味中藥材浸泡而成。現(xiàn)代研究表明,得益于山西杏花村得天獨厚的汾酒微生物體系,以及傳承千年的古法工藝釀造而成的竹葉青酒具有顯著的保肝、護胃、清心、除煩、消食之功效,它的健康功效成分已獲得8項國家發(fā)明專利[14]。

鑒于酒是物質(zhì)與精神融合的風(fēng)味嗜好品,目前在竹葉青酒與中藥材健康邏輯的研究上仍缺少有效論證。本研究以竹葉青傳統(tǒng)組方以及藥食同源文化為根本,選擇現(xiàn)代發(fā)酵中藥技術(shù)(液態(tài)深層發(fā)酵),優(yōu)選3株純種益生菌與竹葉青藥食同源組方進(jìn)行雙向發(fā)酵,制備無糖、高黃酮、零酒精新型中藥發(fā)酵液。研究采用超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜法(ultra performance liquid chcromatography-high resolution mass spectrum,UPLC-HRMS)對竹葉青藥食同源組方發(fā)酵前后的化學(xué)成分進(jìn)行分析,以期從活性成分變化的角度初步揭示竹葉青組方配伍的科學(xué)內(nèi)涵。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

色譜乙腈(≥99.5%)、色譜甲醇(≥99.5%)、色譜甲酸(>99.0%),阿拉丁試劑(上海)有限公司;植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum,CGMCC 17054,來自發(fā)酵泡菜)、發(fā)酵乳桿菌(Lactobacillusfermentum,CGMCC 22774,來自健康人體腸道)、青春雙歧桿菌(Bifidobacteriumadolescentis,CICC 6178,來自成人腸道),中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心(CGMCC)、中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC);中藥組方含淡竹葉、菊花、陳皮、梔子、丁香、砂仁,山西杏花村汾酒廠股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Vanquish UHPLC超高壓液相色譜儀、Q Exactive HF-X質(zhì)譜儀,Thermo;5430R低溫高速離心機,Eppendorf;ACQUITY UPLC HSST3色譜柱(2.1 mm×100 mm,1.8 μm),Waters;LT-36VLC8恒溫恒濕培養(yǎng)箱,PERCIVAL;ZHJH-C1109C超凈工作臺,ZHCHENG;MAC-350P高壓滅菌鍋,SANYO;Milli Q Plus超級純水儀,Bio-Rad。

1.3 實驗方法

1.3.1 供試品溶液的制備

工藝路線及參數(shù):中藥超微粉碎(粉碎度200目)、生物酶解(40 ℃,1 h)、提取滅菌(80 ℃,30 min)、厭氧發(fā)酵(30 ℃,48 h,pH:5.5～3.5,接種量106CFU/mL)、低溫滅菌(80 ℃,30 min)、離心(濁度<100 NTU)、口感調(diào)配。

1.3.2 樣本提取方法

樣本在4 ℃環(huán)境下緩慢解凍后,取竹葉青組方發(fā)酵液(發(fā)酵前、后)(上機名稱依次為:ZYQBF、ZYQLF)600 μL于不同的1.5 mL EP管中,加400 μL純甲醇溶液,渦旋混勻后,再用40%甲醇水溶液分別稀釋2倍,離心15 min (16 000×g,4 ℃),取上清液分析。

1.3.3 色譜與質(zhì)譜條件

色譜條件:樣品采用Vanquish UHPLC系統(tǒng)ACQUITY UPLC HSS T3色譜柱進(jìn)行分離;柱溫35 ℃;流速0.3 mL/min;進(jìn)樣量2 μL;流動相組成:0.1%甲酸水溶液(A)-0.1%甲酸乙腈溶液(B);梯度洗脫程序:0～17 min,5% B～98% B;17～17.2 min,98% B～5% B;17.2～20 min,5% B;整個分析過程中樣品置于4 ℃自動進(jìn)樣器中。為避免儀器檢測信號波動而造成的影響,采用隨機順序進(jìn)行樣本的連續(xù)分析。樣本隊列中插入QC樣品,用于監(jiān)測和評價系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

質(zhì)譜條件:采用Q-Exactive系列質(zhì)譜儀進(jìn)行樣本一級、二級譜圖的采集。樣品經(jīng)由Vanquish UHPLC系統(tǒng)分離后,進(jìn)行質(zhì)譜分析,分別采用電噴霧電離正離子和負(fù)離子模式進(jìn)行檢測。ESI源及質(zhì)譜設(shè)置參數(shù)如下:電噴霧電壓(+):3.8 kV,電噴霧電壓(-):3.0 kV;毛細(xì)管溫度:320 ℃;鞘氣流速:13.5 L/min;輔助氣流速:6 L/min;輔助加熱器溫度:370 ℃;一級質(zhì)荷比掃描范圍:90～1 300m/z;數(shù)據(jù)依賴性MS/MS:Top 10;循環(huán)數(shù):10。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)經(jīng)ProteoWizard轉(zhuǎn)換成.mzXML格式,然后采用XCMS軟件進(jìn)行峰對齊、保留時間校正和提取峰面積。對XCMS提取得到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行代謝物結(jié)構(gòu)鑒定、數(shù)據(jù)預(yù)處理,然后進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)質(zhì)量評價,最后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析內(nèi)容包括主成分分析(principal component analysis,PCA)、偏最小二乘判別分析(partial least squares discriminant analysis,PLS-DA)、正交偏最小二乘判別分析(orthogonal partial least-squares discrimination analysis,OPLS-DA)和差異代謝物篩選等內(nèi)容。OPLS-DA模型得到的變量權(quán)重值(variable important inprojection,VIP)能夠用于衡量各代謝物的表達(dá)模式對各組樣本分類判別的影響強度和解釋能力,挖掘具有生物學(xué)意義的差異代謝物分子。在本研究中,差異代謝物篩選標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為:OPLS-DA模型得到的VIP>1且P<0.05。

1.3.5 網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析

選取竹葉青組方發(fā)酵液發(fā)酵后顯著增加的成分以及發(fā)酵后新生成的成分,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析,以初步探討其潛在的作用機制。使用SwissTargetPrediction軟件[15]預(yù)測化合物的靶點,使用clusterProfiler[16]對靶點功能進(jìn)行GO生物學(xué)過程(biological process,BP)、細(xì)胞組分(cell components,CC)、分子功能(molecular function,MF)和KEGG富集分析,顯著性閾值設(shè)定為BH法校正后P<0.05。

1.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析均采用R語言(版本4.4.2)進(jìn)行,數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。組間差異顯著性通過Student T-test進(jìn)行比較,P<0.05表示具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹葉青組方發(fā)酵液化學(xué)成分鑒定

根據(jù)設(shè)定的液相色譜及質(zhì)譜條件,取發(fā)酵后樣品進(jìn)樣分析。圖1為竹葉青組方發(fā)酵液在正、負(fù)離子模式下的總離子流色譜圖,對正離子模式下的主要峰進(jìn)行標(biāo)記,獲得25個峰(峰1～25),對負(fù)離子模式下的主要峰進(jìn)行標(biāo)記,獲得32個峰(峰26～54、12、14)。在電噴霧一級譜中獲得標(biāo)記峰的相對分子質(zhì)量信息,通過多級串聯(lián)質(zhì)譜分析并結(jié)合保留時間及相關(guān)文獻(xiàn)對各主要分子離子峰進(jìn)行指認(rèn),最終確定46個化合物,對應(yīng)峰的相關(guān)信息見表1。鑒定所得的46個化合物包括24個苯丙素類和聚酮類化合物(其中19個是黃酮類化合物,5個是異黃酮類化合物),9個脂類和類脂分子(其中有4個萜類),4個氨基酸、肽及類似物,3個脂肪酸,4個有機氧化合物(2個醇及多元醇,2個碳水化合物及其結(jié)合物),1個苯類,及1個有機氮化合物(季銨鹽類)(表1)。

表1 竹葉青組方發(fā)酵液化學(xué)成分的基本信息

2.2 竹葉青組方發(fā)酵前后差異成分確認(rèn)

竹葉青的藥食同源組方藥材中含大量黃酮類、萜類、生物堿、多糖、皂苷等有效成分,均具有較好的抗氧化活性,可調(diào)節(jié)和增強機體特異性及非特異性免疫功能,抑制自由基的產(chǎn)生。經(jīng)乳酸菌深度發(fā)酵后,中藥成分溶出率提高了5.3倍,各類成分種類及含量均發(fā)生不同程度的變化。實驗結(jié)果表明發(fā)酵前后樣品的各色譜峰的響應(yīng)強度與保留時間基本重疊,說明發(fā)酵前后樣品在整體化學(xué)成分類別上變異程度較小。高分辨非靶代謝組學(xué)主成分分析顯示,實驗樣本組內(nèi)聚集度高,組間分離明顯,說明實驗結(jié)果可靠,組間有明顯差異(圖2-a,圖2-b)。發(fā)酵前后樣品在正、負(fù)離子模式下的OPLS-DA模型得分如圖2-c和圖2-d所示,可見OPLS-DA模型能較好地區(qū)分2組樣本。為了避免有監(jiān)督模型在建模過程中發(fā)生過擬合,采用置換檢驗對模型進(jìn)行檢驗,以保證模型的有效性。圖2-e和圖2-f分別展示了發(fā)酵前后樣品在正、負(fù)離子模式下OPLS-DA模型的置換檢驗圖,隨著置換保留度逐漸降低,隨機模型的R2和Q2均逐漸下降,說明原模型不存在過擬合現(xiàn)象,模型穩(wěn)健性良好。

a-正離子模式PCA得分圖;b-負(fù)離子模式PCA得分圖;c-正離子模式OPLS-DA模型圖;d-負(fù)離子模式OPLS-DA模型圖;e-正離子模式OPLS-DA模型置換檢驗圖;f-負(fù)離子模式OPLS-DA模型置換檢驗圖

本研究以O(shè)PLS-DA VIP>1且P<0.05為顯著性差異代謝物篩選標(biāo)準(zhǔn),在正離子模式下篩選到50個差異代謝物,有8個成分在發(fā)酵后含量上升,有42個成分在發(fā)酵后含量下降。包括27個苯丙素類和聚酮類化合物(其中21個是黃酮類化合物,4個異黃酮類化合物),4個有機雜環(huán)化合物,3個脂類和類脂分子,3個核苷酸及其衍生物,3個有機酸及其衍生物,2個有機氮化合物,以及2個有機氧化合物(圖3-a)。在負(fù)離子模式下篩選到41個差異代謝物(圖3-b),有9個成分在發(fā)酵后含量上升,有32個成分在發(fā)酵后含量下降。包括16個苯丙素類和聚酮類化合物(其中11個是黃酮類化合物,2個是異黃酮類化合物),13個有機氧化合物,7個有機酸及其衍生物,4個脂類和類脂分子,以及1個核苷酸及其衍生物。

a-正離子模式差異分析氣泡圖;b-負(fù)離子模式差異分析氣泡圖

2.3 發(fā)酵前后差異成分豐度變化

以O(shè)PLS-DA VIP>1且P<0.05為顯著性差異代謝物篩選標(biāo)準(zhǔn),在正離子模式下,竹葉青組方發(fā)酵后代表性上調(diào)化合物如圖4-a所示,分別為:4,6′-二甲氧基-2′-羥基查爾酮(4,6′-dimethoxy-2′-hydroxychalcone),松葉水蘇烯B(psilostachyin B),纈更昔洛韋(valganciclovir),蟲草素(cordycepin),L-1,2,3,4-tetrahydro-beta-carboline-3-carboxylic acid;發(fā)酵后代表性下調(diào)化合物如圖4-b所示,分別為:6-{[2-(3,4-dihydroxyphenyl)-5-hydroxy-4-oxo-4H-chromen-7-yl]oxy}-3,4,5-trihydroxyoxane-2-carboxylic acid,芹菜素7-葡糖苷酸(apigenin 7-glucuronide),8-甲基茶堿(8-methyltheophylline),千層紙苷(oroxyloside),鳥嘌呤(guanosine),外源類多效唑(paclobutrazol)。

在負(fù)離子模式下,竹葉青組方發(fā)酵后代表性上調(diào)化合物如圖4-c所示,分別為:5-酮-D-葡萄糖酸(5-keto-D-gluconic acid),DL-3-苯乳酸(DL-3-phenyllactic acid),對羥基苯乳酸(P-hydroxyphenyl lactic acid),半乳糖酸(galacturonic acid),tricarballylic anhydride,表沒食子兒茶素(epigallocatechin gallate);發(fā)酵后代表性下調(diào)化合物如圖4-d所示,分別為:5-(hexopyranosyloxy)-2,6-dihydroxycyclohex-3-en-1-yl,(2E)-3-(3,4-dihydroxyphenyl)prop-2-enoate,葡萄糖苷酸(oroxyloside),DL-蘋果酸(DL-malic acid),馬來酸(maleic acid),芫花素(genkwanin)。

非靶代謝組學(xué)分析顯示,竹葉青組方發(fā)酵液經(jīng)發(fā)酵后新產(chǎn)生70個化學(xué)成分(P<0.05),其中43個成分由正離子模式鑒定所得,27個成分由負(fù)離子模式鑒定所得(圖5)。正離子模式新增代表性成分如圖5-b所示,分別為:14,17,20-trihydroxy-1-oxowitha-2,5,24-trienolide,trans-3,5-dimethoxy-4-hydroxycinnamaldehyde,5-aminohexylamine,3-(1-hydroxyethyl)-2,3,6,7,8,8a-hexahydropyrrolo[1,2-a]pyrazine-1,4-dione,8-hydroxy-3-(4-ketopentyl)isochroman-1-one;負(fù)離子模式新增代表性成分如圖5-d所示,分別為:大豆甙元(daidzein),膽堿陽離子(cyanin cation),(3E)-4-(1-hydroxy-2,6,6-trimethyl-4-oxocyclohex-2-en-1-yl)but-3-en-2-yl 2-O-hexopyranosylhexopyranoside,吡咯-2-羧酸(pyrrole-2-carboxylic acid),龍膽酸(gentisic acid)、黃豆黃素苷(glycitin)。

a-正離子模式新增化合物熱圖;b-正離子模式代表性新增化合物柱狀圖;c-負(fù)離子模式代新增化合物熱圖;d-負(fù)離子模式代表性新增化合物柱狀圖

非靶代謝組學(xué)差異性分析顯示,經(jīng)乳酸發(fā)酵以黃酮類成分的變化最為顯著,發(fā)酵將大分子糖苷類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易吸收的小分子苷元,如黃酮苷在發(fā)酵過程中微生物產(chǎn)酶的作用下發(fā)生水解反應(yīng),使大豆苷水解為相應(yīng)的苷元——大豆苷元更利于有效成分在體內(nèi)發(fā)生廣泛的代謝和轉(zhuǎn)化[17];發(fā)酵后新物質(zhì)黃豆黃素苷具有防止心腦血管疾病、抗衰老和防止酒精中毒作用[18];發(fā)酵后有機酸類、氨基酸肽類會顯著增加,參與乳酸發(fā)酵過程相關(guān)的有機酸類特征物質(zhì)如蘋果酸、檸檬酸與馬來酸酸等會顯著下降,而苯乳酸、對羥基苯乳酸與壬二酸等會顯著增加,同時可有效改善發(fā)酵液風(fēng)味,氨基酸肽類如白氨酸、L-亮氨酸、阿魏酸等作為良好的膳食添加劑對人體有較高生物活性[19];其他活性物質(zhì)如表沒食子兒茶素沒食子酸酯、蟲草素及萜類內(nèi)酯松葉水蘇烯B等在提高人體免疫功力、延緩衰老、抗疲勞等方面廣受消費者接受[19-20];新型甜味劑新橙皮苷二氫查耳酮等也有顯著提升[22];這些生物源素小分子可直接作用于人體,具有強大的免疫激活力,同時極大地改善了藥材口感,飲用體驗更好。

2.4 竹葉青組方發(fā)酵后關(guān)鍵成分網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析

選取竹葉青組方發(fā)酵后顯著增加的5個代表性成分松葉水蘇烯B、胸腺嘧啶核苷、苯乳酸、4,6′-二甲氧基-2′-羥基查爾酮和半乳糖酸,以及發(fā)酵后新增的5個代表性成分大豆甙元、14,17,20-trihydroxy-1-oxowitha-2,5,24-trienolide、膽堿陽離子、(3E)-4-(1-hydroxy-2,6,6-trimethyl-4-oxocyclohex-2-en-1-yl)but-3-en-2-yl 2-O-hexopyranosylhexopyranoside和trans-3,5-dimethoxy-4-hydroxycinnamaldehyde進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究?；衔?靶點網(wǎng)絡(luò)如圖6所示,竹葉青組方發(fā)酵液發(fā)酵后含量顯著提升的8個化學(xué)成分(2個化合物未預(yù)測到作用靶點)作用于217個靶點節(jié)點。對這些化學(xué)成分的靶點進(jìn)行GO富集與KEGG通路分析富集,取排名前五的條目進(jìn)行結(jié)果顯示,竹葉青組方發(fā)酵液的靶點顯著富集在神經(jīng)活性配體-受體相互作用(neuroactive ligand-receptor interaction)、TRP通道的炎癥介質(zhì)調(diào)節(jié)(inflammatory mediator regulation of TRP channels)、鈣信號通路(calcium signaling pathway)等信號通路上,通過調(diào)控以上潛在的信號通路,進(jìn)一步影響循環(huán)系統(tǒng)血管功能(vas-cular process in circulatory system)、MAP激酶活性(regulation of MAP kinase activity)、細(xì)胞鈣離子穩(wěn)態(tài)(cellular calcium ion homeostasis)等生物學(xué)過程以及膜筏(membrane raft)、膜微區(qū)(membrane microdomain)、膜(membrane region)等細(xì)胞組分,從而發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)受體活性(neurotransmitter receptor activity)、G蛋白偶聯(lián)受體活性(G protein-coupled amine receptor activity)、內(nèi)肽酶活性(endopeptidase activity)等分子功能(圖7)。其中靶點預(yù)測最多的化合物是松葉水蘇烯B,表明這個化合物潛在調(diào)節(jié)作用較大。

圖6 竹葉青組方發(fā)酵液關(guān)鍵成分的化合物-靶點網(wǎng)絡(luò)圖

圖7 竹葉青組方發(fā)酵液關(guān)鍵靶點功能富集分析圖

網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)分析體現(xiàn)了中藥多成分、多靶點、多途徑的作用特點。研究首次發(fā)現(xiàn)了竹葉青藥食同源組方可能在調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)受體活性的作用,對于抒解抑郁人群有一定正向調(diào)理作用。

3 結(jié)論

本研究采用UPLC-HRMS高分辨液質(zhì)聯(lián)用技術(shù),對竹葉青組方經(jīng)乳酸發(fā)酵后樣本的主要化學(xué)成分進(jìn)行了鑒定,獲得46個主要化學(xué)成分,表明了其成分多樣性的特點。通過高分辨非靶代謝組學(xué)技術(shù)比較了竹葉青組方發(fā)酵液發(fā)酵前后的化學(xué)成分,各類成分種類及含量均發(fā)生不同程度的變化,獲得91個在發(fā)酵前后顯著變化的差異成分,其中以黃酮類成分的變化最為顯著。進(jìn)一步從提高活性成分含量、經(jīng)過生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生新的活性物質(zhì)、減輕藥物毒性、風(fēng)味提升等方面進(jìn)行成分分類評價。研究初步闡明竹葉青組方發(fā)酵液的化學(xué)成分與藥理作用,為其進(jìn)一步開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù),并為現(xiàn)代中藥微生物發(fā)酵研究提供了參考和借鑒。