Food Chemistry：CO2浓度升高可促进硫代葡萄糖甙代谢并刺激花椰菜芽的抗癌和抗炎特性

在高营养芽苗菜中，花椰菜芽（Brassica oleracea）因其富含抗氧化剂、维生素、矿物质和硫代葡萄糖甙（glucosinolates，GLs）及其羟基衍生物，具有抗氧化、抗癌和抗炎活性而备受关注。
这些有益代谢物的积累，可提高植物的营养和保健价值。高浓度CO2可作为生长诱导剂和代谢调节剂促进植物光合作用，被认为是提高植物营养和健康价值的有效肥料。它不仅能促进植物生长，还能诱导植物的新陈代谢，包括糖的积累和能量的分解。因此，这种方法可以提供生物活性植物中化学物质生物合成所需的前体和代谢能，如抗氧化剂。尽管据我们所知，高浓度CO2排放是激发植物营养价值的有效途径，CO2浓度升高（elevated CO2，eCO2）对芽菜化学成分和营养价值的影响还未见报道。

沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王大学医学院临床微生物学和寄生虫学系的Mohammed Almuhayawi、埃及贝尼苏韦夫大学理学院植物学和微生物学系的Hamada AbdElgawad等人旨在通过测定eCO2暴露对花椰菜芽中生物活性物质（主要是氨基酸衍生GLs）含量的影响，探讨eCO2暴露对花椰菜芽营养保健价值的影响。研究了GLs水解对酶活性的影响，以及富含GLs的西兰花提取物及其水解产物作为抗癌抗炎药的潜力。研究人员认为eCO2不仅可以促进花椰菜芽的生长，而且可以提高其营养和保健价值。

1、 eCO2对花椰菜芽生长和光合作用的促进作用

用eCO 2 处理后9天老豆芽的新鲜生物量来表示豆芽的生长。与对照组相比，高浓度CO2 处理促进了花椰菜芽的生长。与Southern star品种相比，高浓度CO2处理显著提高了生物量（1.78倍，p<0.05），其次是Monotop品种（1.46倍，p<0.05）。在这方面，CO2被认为是植物光合作用机制的重要底物，因此即使在短时间暴露于700 mmol -1 CO2之后，CO2水平的升高也直接促进了植物的光合作用。

2、 eCO2增加花椰菜芽中氨基酸衍生GLs

在目前的研究中，研究团队测量了在控制和eCO2条件下生长的3 个不同品种的花椰菜芽中几种氨基酸的分布（图1和表2）。显然，与对照组相比，经eCO2处理后，每种西兰花芽中的大多数氨基酸含量都增加了。Monotop基因型的色氨酸、蛋氨酸、酪氨酸、天冬酰胺和谷氨酸含量均显著高于对照（p<0.05） ，分别是对照的4.14、2.32、2.1和1.8倍。在所有品种中，谷氨酸是主要氨基酸，其次是天冬酰胺。这些结果与López Cervantes等人的研究结果一致。

图1 不同花椰菜芽栽培品种中eCO2对A）蛋氨酸和B）色氨酸浓度的影响

表2 eCO2对不同品种花椰菜幼苗氨基酸含量的影响

3、 高浓度CO2（highCO2）处理提高了GLs的产量和水解率

根据研究团队的数据和之前的研究，西兰花植物富含硫代葡萄糖甙（图2）。高浓度CO2处理进一步增加了总GLs和优势GLs（萝卜苷（glucoraphanin））的水平。此外，eCO2增加了葡萄糖硫苷酶（myrosinase）在硫代葡萄糖甙水解中的活性（图2）。葡萄糖硫苷酶的活性控制硫代葡萄糖甙水解为异硫氰酸酯（isothiocyanates，ITCs）产物，即有效GLs（萝卜硫素）和无效GLs（萝卜硫素腈）。

图2 eCO2对不同品种花椰菜芽中A）总芥子油苷、B）萝卜苷、C）萝卜硫素、D）萝卜硫素腈、E）葡萄糖硫苷酶、F）上皮抑制物蛋白活性的影响

4、 eCO2提高花椰菜芽的抗癌和抗炎作用

结果表明，eCO2通过提高萝卜硫素的含量，抑制了花椰菜芽提取物中环氧合酶-2（cyclooxygenase-2 ，COX-2）和脂氧合酶（lipoxygenase，LOX）的活性，具有很高的抗炎作用。类似地，在COX-2转录调控中，萝卜硫素通过调节核心启动子（核转录因子（nuclear transcription factor-κB, NF-κB））、CCAAT-增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer binding protein，C/EBP）、环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP-response element binding protein ，CREB）和激活子蛋白-1（activator protein 1, AP-1））抑制COX-2的表达。COX-2活性的抑制作用以Monotop品种最高，其次是Prominence品种，经eCO2处理后，LOX活性的抑制作用以Prominence品种最高。

5、 对高浓度CO2的基因型特异性反应

我们的层次聚类（hierarchical clustering）证实了eCO2条件的影响是特定品种的。三个品种间的差异可归因于个体发育和物种多样性，其中在Monotop品种中发现了最高含量的氨基酸和硫代葡萄糖甙，其次是eCO2条件下的Prominence品种。花椰菜（Brassica oleracea var.italica）中生物活性物质的含量除基因型不同外，还与生长条件、环境条件、胁迫、食品加工和贮藏条件有关。

结 论

据我们所了解，这是第一篇研究eCO2与花椰菜芽接相互作用对花椰菜生长、营养价值、抗癌和抗炎作用的报道。花椰菜芽显著提高了葡萄糖硫苷酶的活性，从而增强了eCO2对氨基酸衍生的硫代葡萄糖甙的诱导作用，而无效的萝卜硫烷腈含量低。此外，大多数的花椰菜品种的谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase ，GST） 、醌还原酶（quinone reductase，QR）、COX-2和LOX活性降低。花椰菜品种间生长及生物活性物质含量的差异具有品种特异性。这些结果增加了利用eCO2培养的花椰菜芽作为一种有前景的营养保健功能食品或食品添加剂的潜力。

Elevated CO2improves glucosinolate metabolism and stimulates anticancer and anti-inflammatory properties of broccoli sprouts

Mohammed Almuhayawia,1，Hamada AbdElgawadb,1，Soad Al Jaounic，Samy Selimd,e，Abdelrahim H.A.Hassanf，Galal Khamisg

aDepartment of Clinical Microbiology and Parasitology, Faculty of Medicine, King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia
bBotany and Microbiology Department, Faculty of Science, Beni-Suef University, Beni-Suef, 62521, Egypt
cDepartment of Hematology/Pediatric Oncology, King Abdulaziz University Hospital, Faculty of Medicine, King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia
dDepartment of Clinical Laboratory Sciences, College of Applied Medical Sciences, Jouf university, Sakaka, P.O. 2014, Saudi Arabia
eBotany Department, Faculty of Science, Suez Canal University, Ismailia, P.O. 41522, Egypt
fDepartment of Food Hygiene and Control, Faculty of Veterinary Medicine, Beni-Suef University, Beni-Suef, 62511, Egypt
gDepartment of Laser Applications in Metrology, Photochemistry and Agriculture (LAMPA), National Institute of Laser Enhanced Sciences, Cairo University, Cairo, Egypt

Abstract
Sprouting process enhances plant bioactive compounds. Broccoli (Brassica oleracea L) sprouts are well known for their high levels of glucosinolates (GLs), amino acids, and antioxidants, which offer outstanding biological activities with positive impact on plant metabolism. elevated CO 2 (eCO 2 , 620ppm) was applied for 9 days to further improve nutritive and health-promoting values of three cultivars of broccoli sprouts i.e., Southern star, Prominence and Monotop. eCO2 improved sprouts growth and induced GLs accumulation e.g., glucoraphanin, possibly through amino acids production e.g., high methionine and tryptophan. There was increases in myrosinase activity, which stimulated GLs hydrolysis to yield health promoting sulforaphane. Interestingly low levels of ineffective sulforaphane nitrile was detected and positively correlated with reduced epithiospecifier protein after eCO2 treatment. High glucoraphanin and sulforaphane levels in eCO2 treated sprouts improved anticarcinogenic and anti-inflammatory properties of their extracts. In conclusion, eCO2 treatment enrich broccoli sprouts with health promoting metabolites and bioactivities.

该文章《Elevated CO2 improves glucosinolate metabolism and stimulates anticancer and anti-inflammatory properties of broccoli sprouts》于《Food Chemistry》2020年5月出版。

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