《食品科学》：基于GC-MS分析不同品种小米代谢产物及代谢途径

杂粮是具备“天然、绿色、营养、健康”品类特征的一类粮食。杂粮营养丰富，其营养价值大多优于主粮（小麦和水稻）。当前，我国政府实施的“健康中国”战略为健康食品市场发展提供了十分有利的政策机遇和空间，杂粮作为很好的营养素来源也是未来健康食品的主力军。小米（Setaria italica L.）是杂粮的一种，是北方广泛种植的杂粮作物之一，它具有一定的保健功能，深加工后能生产出易消化、高营养、高附加值的产品。

黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院的于润众和黑龙江八一农垦大学食品学院的张丽媛*、张东杰*等人利用气相色谱-质谱（GC-MS）联用技术分离鉴定同一产地2 个不同品种小米的代谢产物，分析2种小米的差异代谢产物和各自的优势代谢产物，进一步探讨代谢途径的差异。本研究旨在为小米的选育和品种改良提供参考，同时相应数据也可作为小米产品精深加工利用的依据。

1、代谢产物的GC-MS分离与鉴定

如图1、2所示，由代谢谱图中分离度、分辨率以及基线的稳定性看，本次实验分离鉴定方法的条件选择有效，两谱图的总离子流图大致相似，但是在25.0～27.0 min时间段存在不同。

其他数据经NIST标准谱库对比分析，确定了代谢产物的结构，分析得出2 个不同品种的小米共有代谢产物53种，如表1所示（点击下方 阅读原文 即可查看表1），其中古龙贡米代谢产物占48种，禾绅小米代谢产物占32种。可将代谢产物分为5 类：有机酸、脂肪酸、糖及其衍生物、氨基酸及其衍生物和中间代谢产物。在被鉴定的全离子分析物中，乙酰酸、N-甲基丙酰胺、乙胺、巴豆醇、叔丁醇、硅醇以上化合物为衍生化试剂形成，在此不作讨论。

2、2 个品种小米相同代谢产物分析

从图3可以看出，相同代谢产物中古龙贡米含量较高（＞10%）的有亚油酸；相对含量中等（2.5%～10%）的有甘油、丙酸酯、棕榈酸、油酸、正颉氨酸、醋酸盐；相对含量较低（＜2.5%）的有β-谷甾醇、甘油亚油酸酯、硬脂酸、2-亚麻酰基-rac-甘油、磷酸、D-葡萄糖、花生酸、D-山梨醇、乳酸、2,2-二甲基乙酰胺、氨基甲酸酯、氨基甲酸二乙酯、苹果酸、D-吡喃半乳糖、α-D-吡喃半乳糖、D-呋喃果糖、L-谷氨酸、木糖醇、蔗糖。

3、2 个品种小米差异代谢产物以及代谢途径分析

古龙贡米差异代谢产物的种类与含量分析

根据对比古龙贡米和禾绅小米二者代谢差异产物可知，古龙贡米差异代谢产物有21种，分别属于氨基酸、糖类、植物甾醇、脂肪酸及其他中间代谢产物。其中棕榈酸乙酯、油酸丙酯两物质相对含量较高，其他产物的相对含量均小于1%。

古龙贡米差异代谢产物代谢途径

通过KEGG数据库搜索确定2 个品种小米差异代谢产物主要来自于氨基酸代谢、糖代谢、三羧酸循环、植物甾醇代谢、脂肪酸代谢。

⑴氨基酸代谢途径分析：

丝氨酸可通过丝氨酸消旋酶与D-丝氨酸相互转化，丝氨酸消旋酶的直系同源基因为SRR；可通过甘氨酸羟甲基转移酶和丙氨酸-乙醛酸转氨酶与甘氨酸和羟基丙酮酸相互转化，2种酶的直系同源基因为GLyA、SHMT、AGXT；可由右磷丝氨酸通过磷酸丝氨酸磷酸化酶代谢而成，磷酸丝氨酸磷酸化酶的直系同源基因为serB、PSPH；也可由色氨酸合酶α链代谢成色氨酸，色氨酸合酶α链的直系同源基因为trpA。天冬氨酸可与L-天冬酰胺通过天冬酰胺合成酶相互转化，天冬酰胺合成酶的直系同源基因为asnB、ASNS；可与N-氨基甲酰基-L-天冬氨酸盐通过天冬氨酸氨基甲酰转移酶相互转化，天冬氨酸氨基甲酰转移酶的直系同源基因为CAD；可通过精氨琥珀酸合酶代谢成L-精氨酸琥珀酸，精氨琥珀酸合酶的直系同源基因为argG、ASS1；可通过腺苷琥珀酸合酶代谢成腺苷琥珀酸酯，腺苷琥珀酸合酶的直系同源基因为purA、ADSS；也可通过高丝氨酸脱氢酶1代谢成L-4-天冬氨酰磷酸，高丝氨酸脱氢酶1的直系同源基因为lysC。

⑵糖代谢途径分析：

D-阿洛酮糖作为D-果糖的差向异构体，可通过微生物来源的酮糖3-差向异构酶催化D-果糖C-3差向异构化获得。葡萄糖苷参与苯并嗪生物合成，由磷酸吲哚甘油通过吲哚-3-甘油磷酸裂解酶代谢而成。半乳聚糖可通过β-半乳糖苷酶代谢出D-半乳糖，或者由乳糖通过β-半乳糖苷酶代谢出D-半乳糖，β-半乳糖苷酶的直系同源基因为lacZ。

⑶植物甾醇代谢：

如图4所示，吲哚乙腈则可通过酶的作用代谢成吲哚-3-乙酰胺和吲哚乙酸，而且色氨酸也可通过吲哚乙腈转变为吲哚乙酸。

禾绅小米差异代谢产物的种类与含量分析

对比古龙贡米和禾绅小米二者代谢差异物可知，禾绅小米差异性代谢产物有5种，如表3所示。禾绅小米的差异代谢产物柠檬酸、D-甘露糖、棕榈酸、D-葡萄糖酸、焦性没食子酸相对含量都比较低，均低于1%。

禾绅小米差异代谢产物代谢途径

禾绅小米差异代谢产物主要参与了脂肪酸代谢、糖代谢、三羧酸循环。

⑴脂肪酸代谢途径分析：

棕榈酸可经脂肪水解或乙酰CoA经一系列生物合成，主要是由十六烯酰基-[酰基载体蛋白]通过脂肪酰基ACP硫酯酶A代谢形成，脂肪酰基ACP硫酯酶A的直系同源基因为FATA；也可由棕榈酰蛋白硫酯酶通过棕榈酰辅酶代谢形成，棕榈酰辅酶的直系同源基因为PPT。

⑵糖代谢途径分析：

D-甘露糖可由D-葡萄糖差向异构化形成，可与D-果糖相互转化，也可由D-半乳糖代谢形成。古洛糖通过鸟苷二磷酸-D-甘露糖-3’,5’-异构酶与D-甘露糖相互转化，也可由D-阿拉伯糖通过碳链增长或经葡糖-6-磷酸转化等途径合成。葡萄糖酸可经葡萄糖和尿苷三磷酸反应形成尿苷二磷酸葡糖，接着被氧化成二磷酸尿苷-葡糖醛酸然后水解生成，葡萄糖酸也可通过葡萄糖激酶代谢成D-核糖-5-磷酸。柠檬酸由乙酰CoA在柠檬酸合酶催化作用下与草酰乙酸缩合形成。

结论

结果表明，同一产地2 个不同品种小米共发现了53种代谢产物。古龙小米有48种代谢产物，其中优势代谢产物为亚油酸；禾绅小米代谢产物有32种，优势代谢产物为亚油酸。对比发现，古龙小米有21种差异代谢产物；禾绅小米有5种差异代谢产物。对2 个品种小米差异代谢产物的代谢途径分析，发现古龙小米的葡萄糖代谢途径、脂肪酸代谢途径、氨基酸代谢途径和三羧酸循环都比禾绅小米对应的代谢途径更活跃，推测古龙小米的代谢产物多是因为其代谢速率快于禾绅小米的代谢速率。

本文《基于GC-MS分析不同品种小米代谢产物及代谢途径》来源于《食品科学》2021年42卷24期199-205页，作者：于润众，宗恩祥，张丽媛，张东杰。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210120-219。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网。

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