代谢组学引导下发芽谷子粥中关键抗氧化成分的鉴定及其功能提升机制研究

《Applied Food Research》：Metabolomics-guided identification of potential antioxidant components in germinated foxtail millet porridge

本研究针对发芽谷物粥抗氧化活性机制不清的问题，通过代谢组学技术揭示了发芽谷子粥中抗氧化能力显著提升的化学基础。研究发现，与未发芽组相比，发芽谷子粥对DPPH·、ABTS+·和OH·的清除活性分别提高29%、132%和28.33倍，并鉴定出阿魏酸、荭草苷和异荭草苷为关键抗氧化成分，为开发功能性谷物食品提供了科学依据。

　　

在当今追求健康饮食的时代，全谷物因其富含膳食纤维、酚酸和类黄酮等生物活性成分而备受青睐。然而，全谷物中的抗营养因子、粗糙质地和烹煮困难等问题，给食品加工和营养吸收带来了挑战。氧化应激是多种慢性疾病发生发展的关键因素，而通过膳食摄入天然抗氧化剂是缓解氧化损伤的有效策略。谷子（Setaria italica）作为中国北方传统作物，其制成的粥品尤其适合婴幼儿、产后妇女和老年人食用。但谷子在加工成精米过程中存在30%-50%的重量损失，如何通过加工技术提升其营养价值成为重要课题。生物加工技术如发芽处理，被证明能够有效改善全谷物的营养和适口性。研究表明，发芽能显著提高谷物中的γ-氨基丁酸（GABA）、总酚含量（TPC）和总黄酮含量（TFC），并增强其清除DPPH·、ABTS⁺·和OH·等自由基的能力。尽管发芽谷子本身营养价值得到提升，但熬煮成粥的过程可能破坏这些热敏性成分，导致功能活性降低。因此，系统评估发芽谷子粥的抗氧化活性并明确其关键功效成分，对于开发功能性谷物食品具有重要意义。本研究发表于《Applied Food Research》，旨在通过代谢组学方法揭示发芽谷子粥抗氧化增强的化学本质。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过DPPH·、ABTS⁺·和OH·自由基清除实验评价抗氧化活性；利用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱质谱（UPLC-Q-Orbitrap/MS）进行非靶向代谢组学分析；运用主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）等多变量统计方法筛选差异化合物；样本来源于市售张杂谷13号品种，经发芽处理后制备粥样提取物。

3.1. 抗氧化活性差异

通过化学抗氧化评价发现，发芽谷子粥的抗氧化能力得到全面提升。具体而言，与未发芽谷子粥相比，其对DPPH·、ABTS⁺·和OH·的清除率分别显著提高了29%、132%和惊人的28.33倍。DPPH·作为稳定的氮中心自由基，主要通过氢原子转移机制与抗氧化剂反应；ABTS⁺·自由基则能同时与亲水性和亲脂性抗氧化剂发生电子或氢原子转移反应；而OH·作为人体内活性最强、破坏性最大的自由基，几乎能与所有类型的抗氧化剂反应。未发芽谷子粥的自由基清除能力表现为DPPH· > ABTS⁺· > OH·，这反映了其内源性抗氧化剂更擅长氢原子捐赠。发芽处理后所有指标的大幅提升，特别是OH·清除能力的极大增强，表明发芽过程不仅增加了抗氧化剂总量，还丰富了其作用机制的多样性，使其在复杂的粥体基质（淀粉、蛋白质）中仍能保持高效的自由基清除能力。

3.2. 未发芽与发芽谷子粥的成分差异

非靶向代谢组学分析揭示了两种粥样之间的显著化学成分差异。PCA分析显示未发芽组和发芽组样本明显分离，PC1和PC2的方差贡献率分别为63.0%和13.4%。PLS-DA模型（R²X = 0.853, R²Y = 0.999, Q²= 0.995）结合置换验证证实模型有效且未过拟合。通过变量重要性投影（VIP > 1）共筛选出29种差异化合物，主要包括9种氨基酸、4种有机酸、3种类黄酮、2种酚酸和6种脂质。热图分析将这些成分分为两类：第一类包含苹果酸、富马酸、2′′-O-L-半乳糖基荭草苷和泛酸，在发芽粥中含量降低；第二类包含绝大多数成分，在发芽粥中显著增加，特别是氨基酸（如L-组氨酸、L-天冬酰胺等）和磷脂（如溶血磷脂酰乙醇胺LPE、溶血磷脂酰胆碱LPC等）因蛋白质降解和细胞膜重构而大量积累。值得注意的是，黄酮类化合物荭草苷（vitexin）、异荭草苷（isovitexin）以及酚酸类化合物反式阿魏酸（trans-ferulic acid）和十二烷基没食子酸酯（dodecyl gallate）的含量也显著上升。

3.3. 抗氧化活性与差异成分的关联分析

在29种差异成分中，具有明确抗氧化潜力的成分包括荭草苷、异荭草苷、2′′-O-L-半乳糖基荭草苷、反式阿魏酸和十二烷基没食子酸酯。然而，2′′-O-L-半乳糖基荭草苷含量显著下降，十二烷基没食子酸酯水溶性差，因此荭草苷、异荭草苷和反式阿魏酸被确定为发芽谷子粥高抗氧化活性的主要潜在贡献者。反式阿魏酸是谷子中常见的酚酸，通过氢原子捐赠发挥强效抗氧化作用；发芽过程中酯酶的激活使其从与细胞壁结合的状态释放为游离型，生物利用度提高。荭草苷和异荭草苷是C-糖基化黄酮，其糖苷键具有优异的热稳定性，能够耐受粥的熬煮过程。研究表明，富含反式阿魏酸的提取物表现出最高的DPPH·清除活性，而富含荭草苷和异荭草苷的提取物则对ABTS⁺·清除最为有效，后两者还对OH·具有高清除活性。

研究结论与意义

本研究通过代谢组学方法明确揭示了发芽处理显著提升谷子粥抗氧化能力的化学机制。发芽谷子粥对三种自由基的清除能力均得到极大增强，特别是对OH·的清除能力提升了28.33倍，表明其作为一种功能性食品的巨大潜力。研究成功鉴定出反式阿魏酸、荭草苷和异荭草苷为关键抗氧化成分，这些成分的积累与发芽过程中植物的次级代谢防御机制激活以及结合态酚酸的释放密切相关。该发现为发芽谷子粥的健康促进作用提供了明确的化学基础，为开发具有特定生物活性成分的谷物基功能性食品提供了理论依据和方向。未来的研究可进一步通过靶向定量分析和体内实验验证这些成分的生物利用度及实际生理功效。