趙 旭,王新茹,段長青,何 非,*
(1.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,葡萄與葡萄酒研究中心,北京 100083;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部葡萄酒加工重點實驗室,北京 100083;3.寧夏雄牛酒業(yè)有限公司,寧夏 銀川 750200)
黑枸杞,也稱黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr.),為茄科(Solanceae)枸杞屬(Lycium L.)棘刺灌木,耐干旱,抗鹽堿,主要分布于我國青海、寧夏、新疆、甘肅等地高山沙林地區(qū),在歐洲和中亞地區(qū)也有少量分布[1]。過去,因為分布較分散、生長環(huán)境惡劣、不易采集等問題而少為人知,相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展也極其有限。近年來,隨著人工栽培技術的進步和政府的大力扶持,黑枸杞憑借其漿果味美多汁、營養(yǎng)豐富、保健功能眾多等優(yōu)勢逐漸成為我國西部最具特色的果品之一,隨之開展了一系列相關專業(yè)研究。有研究表明,黑枸杞富含人體必需的18 種氨基酸和K、Na、Fe等人體必需的礦質(zhì)元素[2-3],其在生長過程中大量積累的枸杞多糖、酚類物質(zhì)等成分也對人體起到十分積極的保健功效[4],因此在當?shù)乇环Q作“黑色的軟黃金”,其食用價值和藥用價值相當可觀,具備廣闊的開發(fā)前景。
酚類物質(zhì)是黑枸杞果實中最主要的功能性成分之一。與成熟后呈紅色的中華枸杞(L. chinense Mill.)果實不同,黑枸杞的果實在成熟后呈現(xiàn)紫黑色,這主要是由其果實中大量積累的花色苷造成的,有報道稱其花色苷含量最高可達386.9 mg/100 g(以鮮質(zhì)量計算),其含量超過越橘、黑加侖、桑葚、藍莓、黑莓等常見的紅色或黑色漿果[5]。目前,國內(nèi)外已經(jīng)有大量研究關注花色苷對人體的保健功能,如抗氧化、抗癌變、保護人體神經(jīng)細胞[6]、預防心血管疾病[7]。黑枸杞果實所富含的花色苷成分也成為其作為保健果品,或作為保健食品原材料的物質(zhì)基礎。除此之外,黑枸杞果實還含有豐富的非花色苷酚類物質(zhì),這往往是目前大量保健功能研究所忽略的。這些物質(zhì)雖然沒有艷麗的顏色,但一樣對人體保健起著重要的功能。例如,苯甲酸、肉桂酸、黃酮醇和黃烷醇類物質(zhì),雖然大多有酸、苦的味覺和澀的口感,但均有著廣泛的生物活性,對人體也有著抗氧化、抗腫瘤[8]、抗菌[9]等作用。
到目前為止,對黑枸杞果實中酚類物質(zhì)組成和含量的研究還比較有限,大部分已發(fā)表研究僅專注于對黑枸杞果實中酚類物質(zhì)提取方法的探索或是對其總酚含量的一般性化學分析,至今仍缺少對黑枸杞果實中酚類物質(zhì)系統(tǒng)性的分析和研究。本研究以產(chǎn)自寧夏的野生黑枸杞新鮮果實為實驗材料,采用高效液相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜(high performance liquid chromatographytriple-quadrupole tandem mass spectrometry,HPLCQqQ-MS/MS)聯(lián)用技術對黑枸杞果實中酚類物質(zhì)進行系統(tǒng)的定性、定量分析,可以為黑枸杞果實品質(zhì)改進、產(chǎn)品的后續(xù)研究與真?zhèn)舞b定提供一定的理論和實踐基礎,為我國西部黑枸杞產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康的發(fā)展提供有效的助力。
野生黑枸杞新鮮果實樣品采集于寧夏回族自治區(qū)中寧縣紅梧山產(chǎn)區(qū)。其黑枸杞系紅梧山區(qū)野生黑枸杞品種,經(jīng)人工移栽至當?shù)厣介g平原地區(qū),并通過扦插等手段無性擴繁而來,暫命名該品種為‘野之中’,目前正在進行品種審定。掛果黑枸杞植株定植于2013年,其株行距為1 m×2.5 m,通過滴灌系統(tǒng)進行灌溉,其產(chǎn)量控制為200~250 kg/畝,商業(yè)采收期于10月中下旬,采收期可溶性固形物15~16 °Brix,可滴定酸(以酒石酸計)5 g/L。本研究在其商業(yè)采收期,由不同地塊、10 株以上不同黑枸杞植株、樹體不同部位上摘取300 粒以上發(fā)育正常、無機械損傷、無病蟲害侵害的枸杞果粒,以此取樣重復3 次,共采集900 粒以上黑枸杞果實,以此獲取黑枸杞果實樣品。
花色苷標準品,包括花青素-3-O-葡萄糖苷、花翠素-3-O-葡萄糖苷、甲基花青素-3-O-葡萄糖苷、甲基花翠素-3-O-葡萄糖苷、二甲花翠素-3-O-葡萄糖苷等;非花色苷酚類物質(zhì)標準品,包括綠原酸、原兒茶酸、4-羥基苯甲酸、4-羥基肉桂酸、咖啡酸、芥子酸、阿魏酸、槲皮素美國Sigma-Aidrich公司。
1200系列HPLC-6410系列QqQ-MS/MS聯(lián)用儀(配有G1322A真空脫氣機、G1312B二元高壓梯度泵、G1367C自動進樣器、G1316B柱溫箱、G1314C VWD檢測器)、Poroshell 120 EC-C18色譜柱(150 mm×2.1 mm,2.7 μm)美國安捷倫科技有限公司;SG3200HBT超聲波清洗機上海冠特超聲儀器有限公司;FD-1A-50冷凍干燥機北京必瑞克生物科技有限公司;RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;Sorvall ST 16R高速冷凍離心機 美國Thermo Fisher Scientific公司;一次性使用無菌注射器(1 mL) 上海治宇醫(yī)療器械有限公司;一次性孔徑0.22 μm尼龍66微孔濾膜 天津市津騰有限公司。
1.3.1 酚類物質(zhì)的提取
隨機稱取50 g(>100 粒果)新鮮采集的黑枸杞果實,經(jīng)液氮速凍后破碎、研磨為粉末狀,通過冷凍干燥制成干粉,-40 ℃貯存待用。
黑枸杞果實中酚類物質(zhì)的提取參考Downey等[10]的方法,并進行一定的改進。
花色苷的提?。簻蚀_稱取0.100 g制備的黑枸杞果實干粉于2 mL離心管中,加入2.0 mL含1%鹽酸的50%甲醇溶液,4 ℃避光超聲提取30 min,隨即4 ℃、12 000 r/min離心5 min,將上清液轉(zhuǎn)移到10 mL的離心管中,重復上述操作5 次至萃取沉淀物基本無色,合并上清液并將其凍干,用含1%鹽酸的50%甲醇溶液定容至2 mL,檢測前用0.22 μm針頭過濾器過濾,取過濾液待測。
非花色苷酚類物質(zhì)的提取:準確稱取5.000 g制備的黑枸杞果實干粉于錐形瓶中,加入5 mL蒸餾水和 45 mL乙酸乙酯,4 ℃避光200 r/min搖床振蕩30 min,轉(zhuǎn)移上清液于250 mL圓底燒瓶中,重復以上操作5 次,合并上清液于圓底燒瓶中,低溫真空旋蒸至干,用甲醇定容至5 mL,檢測之前用0.22 μm針頭過濾器過濾,取過濾液待測。
1.3.2 酚類物質(zhì)的檢測
1.3.2.1 花色苷的HPLC-QqQ-MS/MS檢測
色譜條件:色譜柱為安捷倫Poroshell 120 EC-C18色譜柱(150 mm×2.1 mm,2.7 μm)。樣品測定前經(jīng)0.22 μm濾膜過濾,進樣量5 μL。洗脫采用的流動相:A為0.1%甲酸溶液,B為含0.1%甲酸的50%甲醇-乙腈溶液。洗脫程序:10%~100%的B相持續(xù)20 min,后運行程序5 min。流動相流速為0.4 mL/min。柱溫箱溫度55 ℃。
質(zhì)譜條件:電噴霧電離源,正離子模式,噴霧電壓4 kV,離子源溫度150 ℃,干燥氣溫度350 ℃,流量12 L/h,霧化器壓力35 psi;多反應監(jiān)測模式檢測。
1.3.2.2 非花色苷酚類物質(zhì)的檢測
實驗所采用的液相系統(tǒng)和質(zhì)譜系統(tǒng)與花色苷及其衍生物的檢測相同,離子源參數(shù)除了采用負離子模式外其余參數(shù)均與花色苷及其衍生物的檢測相同。
酚類物質(zhì)的定性結(jié)合本實驗室所建立的各種酚類物質(zhì)的質(zhì)譜信息、光譜信息以及保留時間信息庫。采用外標法定量,各花色苷及其衍生物含量均以含有相同花色素基元的-3-O-葡萄糖苷單體標準品的含量計算,各非花色苷酚的含量均以相應的非花色苷酚標準品的含量計算,各酚類物質(zhì)標準曲線的相關系數(shù)均在0.999 7~0.999 9之間,表明各酚類物質(zhì)在質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關系較好。
以果實鮮質(zhì)量計算酚類物質(zhì)含量,計算公式如下:
式中:C為酚類物質(zhì)重含量/(mg/kg);d為提取液中相應物質(zhì)質(zhì)量濃度/(mg/L);V為提取所用溶液體積/mL;mt為凍干后所得干粉總質(zhì)量/g;me為提取所用干粉質(zhì)量/g;mf為凍干前果實鮮質(zhì)量/kg。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計與作圖通過Excel 2016軟件完成。
通過本課題組建立的植物常見花色苷母離子譜庫和經(jīng)過碰撞誘導裂解產(chǎn)生的碎片離子譜庫[11],共從黑枸杞果實中靶標性鑒定得到花色苷類成分20 種,按糖苷及其修飾類型分為5 大類。其中,3-O-單葡萄糖苷類花色苷僅2 種,6-O-乙?;苌?-O-單葡萄糖苷類花色苷5 種,6-O-香豆?;苌?-O-單葡萄糖苷類花色苷5 種,3,5-O-雙葡萄糖苷類花色苷4 種,6-O-香豆?;苌?,5-O-雙葡萄糖苷類花色苷4 種,不同花色苷成分的液相色譜與質(zhì)譜信息,及其在黑枸杞果實中的含量測定結(jié)果如表1所示。
表 1 黑枸杞果實中20 種花色苷的靶標定性、定量檢測Table 1 Qualitative and quantitative analysis of 20 anthocyanins in black wolfberries
除3-O-單葡萄糖苷類花色苷,黑枸杞果實中也檢測到3,5-O-雙葡萄糖苷類花色苷,這也是與許多非歐亞種(non-Vitis vinifera)野生種葡萄等多種紅、黑色漿果類水果果實中花色苷的合成與積累相類似的,說明黑枸杞具備較古老且較全面的花色苷生物合成路徑。然而,黑枸杞果實中簡單的3-O-單葡萄糖苷類花色苷種類極少,僅存在2 種,而3,5-O-雙葡萄糖苷類花色苷則有4 種,在對應的3-O-單葡萄糖苷類花色苷之外多了2 種,說明黑枸杞果實5-O-糖苷轉(zhuǎn)移酶具有較高的活性,連同花色苷酰基轉(zhuǎn)移酶的作用,甚至可將其部分3-O-單葡萄糖苷類花色苷底物使用殆盡,而無法檢測到。
相應的,黑枸杞果實中生成的單糖苷花色苷和雙糖苷花色苷也都可以經(jīng)歷后續(xù)的?;揎?,特別是6-O-香豆酰化,無論是單糖苷花色苷還是雙糖苷花色苷均存在此類后續(xù)衍生,但一個花色苷分子中只存在一個6-O-香豆酰基的修飾,不存在雙糖苷雙6-O-香豆?;那闆r。6-O-乙酰化只能修飾單糖苷類花色苷,而雙糖苷花色苷則不會受到乙?;男揎?,這在其他大量富含?;揎椈ㄉ盏臐{果中也是比較少見的,表現(xiàn)了黑枸杞果實花色苷生物合成路徑中相關酰基轉(zhuǎn)移酶獨特的底物選擇特異性。由此可以推測,黑枸杞果實中負責花色苷6-O-乙酰化的脂肪族?;D(zhuǎn)移酶僅可以利用3-O-單葡萄糖苷類花色苷為底物,而負責花色苷6-O-香豆?;闹咀艴;D(zhuǎn)移酶不僅可以利用3-O-單葡萄糖苷類花色苷為底物,也可以利用3,5-O-雙葡萄糖苷類花色苷為底物,但均只執(zhí)行3-O-葡萄糖苷的單?;揎?。此外,黑枸杞果實中均不存在咖啡?;幕ㄉ铡_@些特點,一同構(gòu)成了黑枸杞果實中花色苷合成與積累的特殊模式,可以由此進一步開發(fā)黑枸杞果實花色苷指紋圖譜,成為黑枸杞果實及其加工產(chǎn)品的真?zhèn)伪鎰e工具。
而以花色素糖苷配基而論,甲基花翠素和二甲基花翠素兩類花色素衍生而來的花色苷種類是最多的,兩者均出現(xiàn)于3-O-單葡萄糖苷、3,5-O-雙葡萄糖苷、3-O-(6-O-乙?;?-單葡萄糖苷、3-O-(6-O-香豆?;?-單葡萄糖苷和3,5-O-(6-O-香豆?;?-雙葡萄糖苷等不同類型的花色苷。其次是花青素、花翠素的各類衍生化花色苷,均存在于3,5-O-雙葡萄糖苷、3-O-(6-O-乙?;?-單葡萄糖苷、3,5-O-(6-O-乙?;?-雙葡萄糖苷的花色苷。然而,甲基花青素類的花色苷則僅存在于3-O-(6-O-乙?;?-單葡萄糖苷、3-O-(6-O-香豆?;?-單葡萄糖苷之中,并未參與3,5-O-雙葡萄糖苷類花色苷及其相應的酰基化花色苷的合成與積累。與此相應,在黑枸杞果實中并未檢測到花葵素-3-O-單葡萄糖苷及其衍生物的存在,這是與大部分富含花色苷的水果或漿果相一致的。這些均表明在黑枸杞花色苷的合成路徑中,類黃酮骨架B環(huán)的羥基化和甲基化修飾也有著獨特的特異性。
圖 1 黑枸杞果實中不同糖苷化及?;揎椈ㄉ战M成的分析Fig. 1 Composition of glycosylated and acylated anthocyanins from black wolfberries
如圖1所示,黑枸杞果實中所含3-O-單葡萄糖苷類花色苷極少,僅占其花色苷總量的3.00%,相應的3-O-(6-O-乙?;?-單葡萄糖苷含量更少,僅占總花色苷含量的0.51%,而3-O-(6-O-香豆?;?-單葡萄糖苷占比最多,達到了55.81%,并且以花翠素和甲基花翠素形成的花色苷為主(單葡萄糖花色苷的44%和35%)。相比而言,黑枸杞果實中3,5-O-雙葡萄糖苷花色苷則遠高于3-O-單葡萄糖苷類花色苷,其占比達到了30.99%,再次表明黑枸杞果實中5-O-糖苷轉(zhuǎn)移酶具有較高的活性,不僅在花色苷類型上,也在含量上對花色苷的積累起到了決定性的作用。與此同時,本研究中檢測到3,5-O-(6-O-香豆?;?-雙葡萄糖苷的大量積累,達到了總花色苷含量的9.69%,從側(cè)面說明了香豆酰化花色苷?;D(zhuǎn)移酶在黑枸杞花色苷的生物合成中具有極為重要的作用。
在所有檢測出的花色苷中,香豆?;ㄉ账急壤罡?,達到了66%,其次為未?;幕ㄉ眨s為33%),而乙?;ㄉ赵诤阼坭焦麑嵵械暮亢苌?,幾乎不可計量,這也與Zheng Jie等[12]報道的相吻合。由于?;ㄉ盏慕Y(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[13],可以保護植株自身免受紫外線等外界逆境條件的損傷[14],所以黑枸杞果實中大量的?;ㄉ辗e累可能與其獨特的生長地理環(huán)境(高海拔)與氣候(干燥,強光照)有關,是一種生物適應的表現(xiàn)[15]。
在以5 種花色素為糖苷配基的花色苷中,甲基花翠素衍生物含量最高(58%),其次為花翠素(32%),其他花色素形成的花色苷僅占10%,表明了黑枸杞果實中類黃酮B環(huán)雙羥基化酶(F3’5’H)極高的生理催化活性。這與閆亞美[16]、譚亮[17]等的研究結(jié)果一致,但與張小敏等[18]的研究有所不同。前人研究發(fā)現(xiàn),一般情況下黑枸杞果實僅積累一種花色苷或其衍生物,這可能與前人研究方法的局限性有關。本實驗檢測到黑枸杞果實中甲基花翠素類花色苷及其衍生物占到了總花色苷含量的近6 成,與前人研究有一定的相似性,也與本實驗所用野生黑枸杞果實的獨特性有關。
此外,之前一些研究普遍認為黑枸杞中不存在以花青素為基體的花色苷[19-20],然而本研究檢測到少量的花青素類花色苷及其衍生物,打破了這一理解。此外,Hu Na等[21]曾經(jīng)從生長在青藏高原地區(qū)的黑枸杞果實中檢測到了此類成分,也說明了本研究的可靠性,之前部分研究結(jié)果的差異可能更多地來自于當時研究技術的局限性,隨著分析儀器靈敏度的提高和檢測方法的改進,將會有更加深入和全面的研究結(jié)果。
通過本課題組建立的植物常見非花色苷母離子譜庫和經(jīng)過碰撞誘導裂解產(chǎn)生的碎片離子譜庫,共從黑枸杞果實中靶標性鑒定得到非花色苷類成分16 種。其中,羥基苯甲酸3 種,羥基肉桂酸5 種,黃酮醇8 種,不同非花色苷酚類物質(zhì)成分液相色譜與質(zhì)譜信息如表2所示,其組成見圖2。
表 2 黑枸杞果實中16 種非花色苷酚類物質(zhì)的靶標定性、定量檢測Table 2 Qualitative and qantitative analysis of 16 non-anthocyanin phenolics in black wolfberries
圖 2 黑枸杞果實中非花色苷酚類物質(zhì)組成的分析Fig. 2 Composition of non-anthocyanin phenolics in black wolfberries
與葡萄、黑莓、藍莓等其他深色漿果類水果相類似,黑枸杞果實中非花色苷酚類物質(zhì)也主要包括酚酸類物質(zhì)和黃酮類物質(zhì)兩大類。酚酸類物質(zhì)中,羥基肉桂酸類物質(zhì)種類較多,而羥基苯甲酸類物質(zhì)種類較少,體現(xiàn)了較強的種屬特異性。黃酮類物質(zhì)中,僅檢測到了黃酮醇類物質(zhì),而沒有檢測到黃烷醇類物質(zhì),即沒有檢測到縮合單寧(原花色素)及其單體。一般而言,在葡萄等水果和其加工產(chǎn)品(如葡萄酒)中,花色苷幾乎不具備任何口感[22],酚酸類物質(zhì)呈現(xiàn)酸苦的味覺,黃酮醇類物質(zhì)具有苦味,而黃烷醇類物質(zhì)則呈現(xiàn)苦和澀的口感,對其風味有著重要的貢獻。在黑枸杞果實的感官品評中,在淡淡的苦味之外,幾乎不具備澀感,這也是與其酚類物質(zhì)的組成和它們對果實風味的貢獻相一致的。
在黑枸杞的黃酮醇類物質(zhì)中,除少數(shù)幾種未經(jīng)糖苷化修飾之外,多數(shù)經(jīng)歷了不同的糖苷化修飾,主要是葡萄糖苷化和半乳糖苷化,且全部為3-O-單糖苷化,未出現(xiàn)3,5-O-雙糖苷化及其進一步的?;揎?,這也與其他大部分漿果類水果中黃酮醇的合成與積累模式基本相一致[23-24]。
然而,從未糖苷化黃酮醇及糖苷化黃酮醇的糖苷配基角度而言,卻又存在著獨特的表現(xiàn)模式。簡而言之,主要以槲皮素類為代表的B環(huán)雙羥基化配基(5 種)為主,另有以山柰酚類為代表的B環(huán)單羥基化配基2 種,僅存在1 種B環(huán)三羥基化配基(丁香亭),未檢測到其他漿果中常見的楊梅酮類黃酮醇。這意味著黑枸杞果實中黃酮醇類黃酮骨架B環(huán)的修飾以C3′的F3H修飾為主,與之相比C3′5′修飾能力較弱。這也構(gòu)成了黑枸杞黃酮醇類物質(zhì)較為特別的合成和積累模式,與其花色苷組分相類似,也可以用于特征辨別性指紋圖譜的構(gòu)建和使用。
在所有檢測到的非花色苷酚類物質(zhì)中,以酚酸類物質(zhì)綠原酸含量最高,達到761.24 mg/kg,占總非花色苷酚類物質(zhì)的88%;咖啡酸次之,達到38.43 mg/kg,再次才為4-羥基肉桂酸,含量達到28.15 mg/kg,以上三者均為肉桂酸類酚酸物質(zhì),表明了黑枸杞在酚酸類物質(zhì)積累上的特異性。相比而言,其他酚酸類物質(zhì)含量均低于10 mg/kg,含量最高的非花色苷類黃酮物質(zhì)槲皮素,其含量也僅為12.9 mg/kg。所以,綠原酸、咖啡酸、4-羥基肉桂酸和槲皮素為黑枸杞果實中主要且特征性的酚酸類物質(zhì)成分,尤以綠原酸為主,這與樓舒婷[25]、陳晨等[26]的報道基本一致。大量研究表明,綠原酸具有抗氧化、抗炎癥[27]、抗病毒[28]等藥理學活性,能夠降低慢性疾病的發(fā)生率[29],所以在此方面,豐富的綠原酸可能是黑枸杞活性功能的重要物質(zhì)基礎(花色苷外)。
以現(xiàn)有研究結(jié)果可知,黑枸杞果實中主要的非花色苷酚類物質(zhì)種類與前人報道的類似,但是其種類與含量存在差異,一方面這可能與黑枸杞的品種、栽培環(huán)境或栽培條件有關,另一方面也可能源自于樣品處理方式的差異和檢測方法的不同。
劉鳳蘭等[30]研究表明,對于黑枸杞多酚物質(zhì)的提取來說,冷凍干燥的方式可以有效地抑制熱敏性物質(zhì)發(fā)生化學或物理變化,由此得到的花色苷與其他酚類物質(zhì)的含量最高;而HPLC-QqQ-MS/MS聯(lián)用技術的檢測方法是本實驗室通過科學的探索與改進所確定的最優(yōu)方案,所以也可能因提取工藝的不同導致測得酚類物質(zhì)含量有所差異[31]??傮w而言,本課題研究采用的方法可以在最大限度上提取黑枸杞的花色苷類物質(zhì)和非花色苷酚類物質(zhì),并可以通過精準的儀器分析技術對其進行定性、定量分析。本研究結(jié)果將會為后續(xù)研究有所鋪墊,也為進一步的深入研究提供一定的參考依據(jù)。
甲基花翠素和花翠素衍生物為黑枸杞果實中存在的主要花色苷,分別占總花色苷含量的58%和32%,二者總量可達花色苷總量的90%。其中,甲基花翠素-3,5-O-雙葡萄糖苷的含量最高,達1 212.38 mg/kg,同時檢測到少量的花青素衍生物。高度的香豆?;呛阼坭交ㄉ沾嬖谛问降囊粋€特點,是否與其特殊的生長環(huán)境有關,尚有待于進一步研究。在檢測到的非花色苷酚類成分中,綠原酸的含量極為豐富,達到761.24 mg/kg,咖啡酸次之,達到38.43 mg/kg。本研究對黑枸杞果實中20 種花色苷與16 種非花色苷酚的靶標性檢測,為全面認識黑枸杞果實中的酚類化合物組成及其含量提供依據(jù),同時也為黑枸杞的高效利用提供必要的基礎。