APPS | 非生物处理改善了茯苓不同部位的理化品质

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Abstract

发汗是茯苓原产地加工中的一个关键步骤，传统上用于提高其质量。在这项研究中，开发了一种新的非生物治疗方法，称为应激发汗，以模拟环境应激条件并诱导内部代谢反应。与传统方法相比，应激发汗是一种创新策略，可以增强或选择性地调节茯苓不同部位（包括茯苓皮（PC）、赤茯苓（RP）和白茯苓（WP））中生物活性化合物的积累。系统地研究了PC、RP和WP对应激性发汗的理化反应。实验结果表明，应激发汗处理促进了PC、RP和WP中水溶性多糖（WSP）、总三萜类化合物（TT）和醇溶性提取物（ASE）的积累。PC、RP和WP的最高WSP含量出现在应激发汗温度35 °C时（分别为63.78、105.22和101.66 mg/g）。抗氧化活性（DPPH自由基清除试验、铁离子还原抗氧化力试验和羟基自由基清除了活性试验）与TT和ASE均有很强的相关性。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外（FTIR）分析进一步证实了茯苓中组分的积累。应激性发汗处理显著影响PC和RP的颜色参数。采用综合评价方法得出了最佳应力发汗条件，应力温度为30 °C，应力时间为60 h，相对湿度为85%。结果表明，应激发汗是一种有前途的预处理方法，可实现高品质、高效率的茯苓工业化生产。

Introduction

茯苓（Poriacocos）是多孔菌科的一种真菌，在中医药领域有数百年的应用历史，在亚洲也被广泛作为功能性食品消费。它含有多种生物活性成分，主要是水溶性多糖（WSP）和三萜类化合物，这些成分已被证实与免疫调节、抗高血压、抗肿瘤和心脏保护作用有关。一般来说，茯苓的子实体主要由外到内分为三部分：分别为茯苓皮（深棕色外皮层，PC）、赤茯苓（红棕色中层，RP）和白茯苓（白色内层，WP）。由于其温和的口感和营养价值，茯苓被广泛应用于日常应用中，如粥、汤、茶，甚至用于旨在促进健康和美容的化妆品和功能食品。

茯苓的原产地加工是其产品形成过程中的关键且复杂阶段，涉及收获后的四个基本步骤：发汗预处理、去皮、切割和干燥。在这些步骤中，发汗预处理被视为最为关键的一步，正如《中国药典》（2020版）所强调的，因为它有助于干燥并影响功能性代谢物的转化和积累。近期关于其他药用植物的研究进一步证实了发汗处理在改善生物活性化合物谱方面的重要性。例如，研究表明，经过汗蒸处理后，龙胆根中的多酚含量和相关酶活性有所增加，从而使其品质优于未经处理的样品。传统上，发汗过程依赖于自然的环境条件，如温度和湿度，往往需要超过一周的时间才能完成。然而，这种方法存在诸多局限性，包括环境控制不佳、加工时间过长，以及因缺乏标准化而导致产品质量不稳定。最近的发现表明，在35 °C和85%相对湿度的环境下持续3 d进行应激发汗，不仅能够加速茯苓的干燥过程，而且与自然的发汗方法相比，会导致WSP的积累量显著增加。

发汗处理作为一种非生物应激过程，在茯苓硬角质体中引发生理反应，导致生物活性化合物的转化和积累。主要代谢物，如碳水化合物、蛋白质和脂类，对于茯苓的生长和发育至关重要，而次生代谢物则在通信和对环境因素的防御中发挥关键作用。通过调控细胞代谢途径，生物体激活多种防御机制以应对生物和非生物应激，这进而促进了次生代谢物的合成。这些化合物对于抗压能力至关重要，包括抵御紫外线辐射、极端温度、干旱、盐度以及其他不利条件的能力。在药用真菌的采收后处理中，已越来越多地采用受控非生物胁迫方法来促进次生代谢。例如，研究发现，应激诱导的发汗行为在茯苓的不同组织中上调了辛烯醇的表达，这突显了苯丙素类生物合成在应激响应中的关键作用。与传统的自然发汗方式相比，本研究中提出的应激发汗方法提供了更好的环境控制和可重复性，从而能够有针对性地调控代谢产物的积累。这一策略为茯苓的增值加工开辟了一条新途径。

尽管取得了这些进展，但对分泌过程中特定应激因素影响的深入研究仍较为有限。更好地理解这些因素如何影响茯苓各部位的物理特性、功能性成分含量以及生物活性，对于优化这一过程、提升其整体功效和质量至关重要。因此，本研究的主要目标包括：1）探究在不同应激汗液处理条件下，茯苓不同部位的WSP、总三萜类化合物（TT）、醇溶性萃取物（ASE）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、色泽以及抗氧化能力之间的差异；2）分析茯苓不同品质特征之间的相关性，并进行全面的品质评估；3）阐明不同应激汗液条件对茯苓品质变化的影响机制。所获取的信息将为茯苓应激汗液处理的标准化和科学性提供依据和支持。

Results and Discussion

WSP、TT和ASE分析

图1A-C展示了在不同应激发汗条件下样本中WSP含量的变化。如图1A所示，随着应激发汗温度的升高，茯苓的不同部位的WSP含量呈现出先升高后降低的趋势。适当提高温度可以促进WSP的积累。在35 °C的应力温度下，PC、RP和WP中的WSP含量达到最高（分别为63.78、105.22和101.66 mg DE/g）。WSP随应力发汗时间增加的变化趋势与应力发汗温度的变化趋势相似（图1B）。这一现象可能源于在初始应力发汗阶段，适当温度下β-葡糖苷酶等水解酶对茯苓的酶解作用，导致茯苓的分子量降低，从而提高了其水溶性，进而导致WSP的累积。然而，随着应力发汗时间的延长，累积的WSP被用于茯苓各部位的组织进行生命活动。在不同相对湿度条件下获得的样本的比较（图1C）显示，不同部位的WSP含量存在波动变化。在75%、90%和70%的相对湿度条件下，PC、RP和WP中的最高WSP含量分别达到了43.11、92.07和59.00 mg DE/g。适度的湿度条件可能通过增加组织通透性并增强酶促或自溶作用，从而促进多糖的溶解或迁移。相对湿度的增加提高了材料的内部温度，并促进了水分从内部向表面的迁移，从而导致WSP在RP和PC中累积。

图1 在不同应激发汗条件下，测定茯苓的不同部位的（A-C）WSP、（D-F）TT和（G-I）ASE

甲羟戊酸（MVA）途径是真菌中三萜类生物合成的主要途径。图1D-F展示了在不同应激条件下TT含量的变化。有趣的是，PC中的TT含量显著高于RP和WP，这与先前的研究结果相吻合。从生物学角度看，PC源自菌核的外层，这部分在环境交互和防御中发挥着更积极的作用。它往往表现出与次级代谢相关的基因更高水平的表达，包括那些参与MVA途径和三萜类骨架生物合成的基因。因此，关键的酶类如角鲨烯合成酶和氧化角鲨烯环化酶在PC中可能更为活跃，从而促进TT的生产。在不同的应激发汗温度下（图1D），40和45 °C的应激发汗温度明显促进了TT在PC中的积累，分别达到了39.71和36.38 mg OAE/g。研究表明，相对较高的温度可以促进三萜类化合物的合成，从而防止热损伤。RP和WP中的TT含量在温度升高时起初有所增加，随后出现下降。图1E中的数据显示，在60 h的应激发汗处理后，PC、RP和WP中的TT含量达到了最佳水平（分别为34.97、11.18和5.09 mg OAE/g）。这可以解释为，适度的应激发汗处理在一定时间内有利于三萜类生物合成途径中酶基因的表达，从而增加TT的含量。相对湿度与TT含量之间的关系如图1F所示，在相对湿度为80%的条件下，PC中的TT含量达到最大值（39.82 mg OAE/g）。WP在相对湿度为75%时获得了最高的TT含量值。可控的干旱胁迫可以上调参与三萜皂苷生物合成的关键基因的表达，并直接促进次生代谢产物的产量。

茯苓的ASE包含多种化合物，包括单萜类、倍半萜类、二萜类、三萜类、甾醇类和脂肪酸。关于在不同条件下茯苓样本ASE的变化（图1G-I），在整个应激发汗过程中，不同部位的ASE含量处于动态波动状态。在40 °C时，PC获得了最高的ASE含量，与新鲜PC相当（图1G）。RP和WP在35 °C时达到了ASE积累的峰值。可以观察到，当应激时间超过60 h时，PC中的ASE含量显著下降（图1H）。至于相对湿度对ASE的影响（图1I），在相对湿度为80%时（9.26%）观测到了最大累积值。相关性分析进一步揭示了WSP、TT与ASE之间的关系（图2）。在茯苓中，WSP和TT的含量之间存在负相关。这种反向关系可能反映了在非生物胁迫条件下，初级代谢与次级代谢之间的代谢分配权衡。多糖主要经由中央碳水化合物代谢途径（如糖酵解和磷酸戊糖途径）合成，而三萜类化合物则通过MVA途径合成，该途径也使用乙酰-CoA作为共同前体。在应激条件下，茯苓可能会调整其碳通量和能量使用方向，要么向储存化合物（如WSP）积累，要么向防御相关的次生代谢物（如TT）生物合成转移，这取决于组织类型和生理需求。

图2 在不同应激发汗条件下，WSP、TT、ASE、颜色以及茯苓不同部位的抗氧化能力之间的相关性矩阵

XRD分析

XRD分析是一种基本方法，用于检测样品的结晶度并理解其物理、化学及其他特性。图3展示了样品的XRD谱及其相对结晶度。所有样品均在约12°处显示出明显的峰，且衍射谱的几何拓扑形状相似，这表明不同的应力发汗处理条件并未改变茯苓的结晶结构。然而，在不同条件下进行的应力发汗处理对茯苓的无定形区域和相结构产生了显著影响，这与先前报告的结果相吻合。结晶度的降低意味着非晶态区域的扩展，这些区域的特征是较高的分子运动性和较大的官能团可及性。这些结构特性使得水和溶剂能够更轻易地渗透，从而增强生物活性成分的溶解度、萃取效率和潜在的生物利用度。先前的研究已经表明，降低结晶度有助于促进药用材料中药理活性物质的释放和功能活性。

图3 在不同应力发汗条件下，茯苓不同部位的XRD谱图和相对结晶度

FTIR分析

FTIR是准确测定多种样品成分结构组成的有效方法。图4描绘了不同应力发汗条件下茯苓的红外光谱。根据先前的研究，位于3415～3380 cm−1的区域主要归因于水分子、三萜类化合物、多糖和醇的O-H的拉伸振动。在2925 cm−1附近的吸收峰归因于亚甲基的反对称拉伸振动，这可能与多糖物质有关。在1650 cm−1附近的吸收主要归因于O-H和N-H的弯曲振动，以及C-O和C-N的拉伸振动。在1375 cm−1处的吸收峰属于多糖和三萜类化合物中C-H和C-O-H的弯曲振动。在约1313 cm−1处，观测光谱特征的主要贡献者是多糖和草酸钙中的C-H、C-O-H的弯曲振动，以及不对称的SO2拉伸。在1260 cm−1处的峰值分配给酰胺III带和多糖。在1204、1164、1079和1036 cm−1处的带状物主要归因于多糖中C-C和C-O的拉伸振动和C-O-H的弯曲振动。995 cm−1的带状物与结晶多糖中的C-H的弯曲振动有关。值得注意的是，在889 cm−1附近的吸收峰是由于β-D-葡聚糖的β-糖苷键，这是真菌多糖中常见的结构特征，以其免疫调节和抗氧化特性而闻名。该峰的存在和相对强度提示在一定的应激发汗条件下β-D-葡聚糖结构的保留或增强。一般来说，FTIR光谱反映了茯苓不同部位样品中多糖、三萜类化合物和其他成分的综合结构信息。详细的峰值分布和可能的化合物汇总在表1中。在所有FTIR光谱中，多糖没有明显的吸收峰或功能基团变化，这表明应激发汗处理对茯苓的化学成分没有显著影响。值得注意的是，所有样品吸收峰的形状和位置基本相同，但在吸收强度上存在明显差异。这表明样品具有相似的化学成分，而每种成分的积累程度不同。

图4 在不同应激发汗条件下，茯苓不同部位的FTIR分析

表1来自不同部位的茯苓的主要峰值归属比较

色彩分析

在应激发汗处理过程中，农产品的颜色可能会因化学和生物过程而发生显著变化，如酶促氧化和抗坏血酸褐变。新鲜和应激发汗的茯苓样品的L*、a*、b*和ΔE值如表2所示。

表2来自茯苓不同部位的颜色参数和CS

新鲜PC的L*、a*和b*值分别为52.68、3.32和10.61。这些数据表明，加工条件对PC的色参数具有显著统计学影响（P＜0.05），如表2所示。与新鲜PC相比，在35 °C以上的应力温度下，L*值较低，表明PC颜色变暗。在不同应力发汗温度下，PC的a*值低于新鲜样本。ΔE值最高的是在45°C时（9.22）。在较高温度下观察到的显著颜色变化可能归因于美拉德反应和氧化反应。当应力时间超过60 h时，L*值同样低于新鲜PC的相应值，这很可能是因为在应力处理过程中，PC长时间暴露于空气中加剧了氧化反应。此外，PC的a*和b*值随相对湿度的增加而降低，这一点通过它们高度正相关的关系得到证实（图2）。在应激发汗反应中观察到，L*值随应激发汗温度和时间的增加而降低。表2显示，新鲜RP的L*、a*和b*值分别为73.33、0.44和8.30。经应激发汗预处理后的RP的L*、a* 和b*值范围分别为62.68至88.58、−2.34至2.69和2.22至13.65。有趣的是，观察到RP的L*值随应力温度和时间的增加而降低，这与PC的变化趋势一致。RP在不同条件下的ΔE值范围从2.39至16.65，而PC的ΔE值范围从1.63至12.04。这一现象表明，RP在应激发汗反应中的颜色变化高于PC，这可能是因为在适当条件下，黑变反应的发生导致了还原糖（如较高水平的阿拉伯糖）的形成。相比之下，应激发汗处理对WP的颜色参数影响甚微。这种现象或许可以归因于WP位于茯苓内部并被完全包裹的事实，从而阻止了氧化反应。

抗氧化能力分析

通过DPPH、FRAP和HRSA测定法评估了茯苓不同部位的抗氧化能力，结果如图5所示。在各种应激性发汗温度下（图5A），茯苓的抗氧化能力在40 °C的应激温度下表现出最大增强。茯苓具有自发调节渗透平衡的能力，以应对升高温度。这一过程涉及一系列抗氧化酶的激活，这些酶有助于清除过量的活性氧物种（ROS），从而减轻高温应激的不利影响。在牡丹和长花百合的研究中也报告了类似结果。在高于40 °C的温度下，样品的抗氧化能力不同程度地下降。

图5 在不同应激汗液条件下，测定茯苓不同部位的抗氧化能力

如图5B所示，展示了应激发汗时间对不同部位椰子皮抗氧化能力的影响。新鲜PC、RP和WP样品的DPPH、FRAP和HRSA值分别为267.86、189.85和65.71 μmol Trolox/g DW，84.39、61.33和2.83 μmol Trolox/g DW，以及52.77%、34.38%和22.90%。而应激发汗样品的DPPH、FRAP 和HRSA值则介于41.16至270.16 μmol Trolox/g DW、0.32至102.87 μmol Trolox/g DW和16.39%至69.78%之间。PC、RP和WP样品在60 h后获得了最高的DPPH和FRAP值，这与TT和ASE测量结果相吻合。这一结果可能源于在长时间应激发汗处理后，次生代谢物（如三萜类化合物）和细胞质基质的有效释放所导致的抗氧化能力增强。此外，DPPH与FRAP之间的相关系数为0.96（图2）。图5C显示了相对湿度对赤茯苓不同部位的抗氧化活性的影响。在相对湿度为70%时，PC、RP和WP在DPPH和FRAP测试中的抗氧化能力均表现出最高值。较低的相对湿度有助于提升赤茯苓的抗氧化能力。可以推测，相对湿度应激刺激了茯苓抗氧化系统的激活。应激发汗PC、RP和WP的HRSA值分别介于56.39%至83.77%、29.13%至45.67%和19.3%至26.21%之间，这表明应激发汗样品具有显著的抗氧化活性。相关性分析进一步证实，抗氧化能力（包括DPPH、FRAP和HRSA值）与TT和ASE之间存在正相关。TT的相关系数分别为0.80、0.83和0.95，而ASE的相关系数分别为0.71、0.73和0.83（图2）。

综合评价和工艺优化分析

如前所述，结果表明，不同的应力处理条件对茯苓不同部位的理化指标和抗氧化能力产生了相当复杂的影响。因此，本研究采用了一种综合评价方法，以确定优质茯苓制品的最佳应激发汗过程和参数。在AHP中，分配给PC、RP和WP的比例分别为0.25、0.25和0.50，而分配给WSP、TT、ASE、DPPH、FRAP和HRSA的权重分别为0.2、0.2、0.15、0.15、和0.15。关于EWM，显而易见的是，属性值的差异与信息内容的扩展相对应。因此，熵值越低，权重越大。在数据标准化后，通过综合分析得出每项指标对茯苓最终质量的贡献，统计结果见表2。可以观察到，在温度30°C、应力时间60 h、相对湿度85%（76.48）的应力条件下，茯苓实现了最大CS值，这可以被认为是获得高效应力发汗性能和优良品质的最佳条件。

Conclusion

本研究强调了应激性发汗处理对茯苓各种成分的理化性质的显著影响。与新鲜样品相比，应激发汗处理提高了不同部位的WSP、TT和ASE含量，以及DPPH、FRAP和HRSA值。在35 °C的应激发汗温度下，PC、RP和WP的多糖保留率最高，分别为63.78、105.22和101.66 mg DE/g。XRD和FTIR分析表明，应激发汗处理在影响物质积累的同时，并未改变茯苓的成分结构。除了WP外，应激发汗处理对PC和RP的颜色参数有显著影响。相关分析表明，抗氧化活性与TT和ASE含量呈显著正相关。基于AHP和EWM的综合评价表明，在胁迫温度30 °C、胁迫时间60 h、相对湿度85%时，茯苓的整体品质最优，CS值最高，为76.48。研究结果为选择茯苓的最佳应激发汗过程提供了有价值的信息。为了提高其实用价值，优化的应力发汗工艺，其特点是温度适中、湿度高和持续时间明确，可以可行地集成到茯苓采后工业工作流程中。它有可能取代或改善传统的发汗方法。在保持结构完整性的同时增强功能性化合物的能力，使其适合生产高价值的药用和功能性食品产品。未来的研究应探索其他非生物应激因素，如光照或缺氧，这些因素可能进一步调节代谢物谱。此外，对应激发汗对产品稳定性、储存行为和微生物耐受性的长期影响的调查将为其安全高效的工业应用提供见解。

Abiotic stress treatment improved the physicochemical quality of different parts in Poria cocos

Shanyu Wang1,2, Shaoying Lu1, Hongwei Xiao1, Hafiz Suleria2, Zhian Zheng1*, Ziliang Liu3*

1 College of Engineering, China Agricultural University, Beijing, 100083, China

2 School of Agriculture, Food and Ecosystem Sciences, Faculty of Science, The University of Melbourne, Parkville VIC 3010, Australia

3 State Key Laboratory of Food Science and Resources, Nanchang University, Nanchang, 330047, China

*Corresponding author.

Abstract

Sweating is a critical step in the origin processing of Poria cocos, traditionally used to improve its quality. In this study, a novel abiotic treatment method, termed stress sweating, was developed to simulate environmental stress conditions and induce internal metabolic responses. Compared with conventional methods, stress sweating represents an innovative strategy that enhances or selectively modulates the accumulation of bioactive compounds in different parts of P. cocos, including Poriae Cutis (PC), Rubra Poria (RP), and White Poria (WP). The physicochemical responses of PC, RP, and WP to stress sweating were systematically investigated. Experimental results indicated that stress sweating treatment promoted the accumulation of water-soluble polysaccharides (WSP), total triterpenoids (TT), and alcohol-soluble extract (ASE) in PC, RP, and WP. The highest WSP contents of PC, RP, and WP occurred at the stress sweating temperature of 35 °C (63.78, 105.22, and 101.66 mg dextrose equivalents/g, respectively). There was a strong correlation between antioxidant activities (DPPH radical scavenging assay, ferric ion reducing antioxidant power assay, and hydroxy free radical scavenging activity assay) and both TT and ASE. X-ray diffraction (XRD) and Fourier transforms infrared (FTIR) analyses further confirmed the accumulation of components in P. cocos. Stress sweating treatment significantly affected the colour parameters of PC and RP. The optimal stress sweating condition was obtained by a comprehensive evaluation method, which was the stress temperature of 30 °C, stress time of 60 h, and 85% relative humidity. Results indicated that stress sweating is a promising pretreatment method to achieve high-quality and efficient industrial production of P. cocos.

Reference:

Wang, S., Lu, S., Xiao, H. et al. Abiotic stress treatment improved the physicochemical quality of different parts in Poria cocos. Agric. Prod. Process. Sto.1, 6 (2025). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00011-x

翻译：罗敬（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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