陳志琳，趙 穎，李 瑋，楊立新*

基于UPLC-MS技術(shù)分析鐵皮石斛炮制前后糖類成分差異

陳志琳1, 2，趙 穎2, 3，李 瑋1*，楊立新2, 3*

1. 貴州中醫(yī)藥大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025 2. 中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所植物醫(yī)生研發(fā)中心，云南 昆明 650201 3. 云南省生物多樣性和傳統(tǒng)知識(shí)研究會(huì)，云南 昆明 650034

研究鐵皮石斛鮮條及其炮制品中糖類化合物，探討鐵皮石斛炮制前后對(duì)糖類化合物積累的影響，為鐵皮石斛炮制工藝提供基礎(chǔ)研究。采用超高效液相色譜-串聯(lián)高分辨質(zhì)譜（UPLC-MS）非靶向技術(shù)對(duì)鐵皮石斛鮮條及其炮制品代謝物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，使用主成分分析（principal component analysis，PCA）和正交偏最小二乘判別分析法（orthogonal partial least squares-discriminant analysis，OPLS-DA）鑒定代謝物中糖類化合物的差異代謝物。共鑒定76個(gè)糖類化合物，61個(gè)糖類化合物在西楓斗中上調(diào)積累。其中麥芽五糖和麥芽六糖炮制前后差異倍數(shù)達(dá)30倍，15個(gè)糖類化合物及其團(tuán)聚體下調(diào)積累，炮制前后下調(diào)的差異倍數(shù)幅度較小。炮制明顯提升鐵皮石斛炮制品西楓斗中代謝物的積累，研究結(jié)果為西楓斗炮制的深入研究提供理論基礎(chǔ)。

鐵皮石斛；西楓斗；炮制方法；UPLC-MS；糖類化合物

云南是石斛原產(chǎn)地之一，廣南鐵皮石斛“西楓斗”馳名中外，“楓斗”據(jù)《本草綱目拾遺》記載至今已有200多年歷史。由于新鮮的石斛不能長(zhǎng)久保存，通過炮制將新鮮石斛炮制成楓斗后不易霉?fàn)€、蟲蛀和變質(zhì)，同時(shí)由于石斛類植物的莖多含有黏液成分，炮制成楓斗后其黏液成分被固化而穩(wěn)定，使有效成分不易分解[12]。本研究采用的西楓斗為廣南縣壯族手工制作，主要分為以下6個(gè)步驟：（1）經(jīng)分類成3個(gè)等級(jí)；（2）炒草：用猛火炒、反復(fù)搓揉去皮后晾置2～3 d，讓其回軟有韌性；（3）分段：剪為3～5 cm的長(zhǎng)段；（4）繞圈，溫火烤軟，扭制繞圈第一步定形，冷卻，再溫火烘烤、再搓揉去皮、鞏固繞圈，反復(fù)3次可完全定形；（5）修剪：剪棄毛邊、棱角；（6）烤干：溫火慢烤至干透方成。整個(gè)過程一般需要一周時(shí)間，火溫的控制是制作優(yōu)質(zhì)西楓斗的關(guān)鍵，如火溫、烤制時(shí)間掌握不當(dāng)，便會(huì)出現(xiàn)“死草”，不能繞圈定形。

糖類化合物是最豐富的天然產(chǎn)物。除了在新陳代謝和構(gòu)造方面的作用，它們是每個(gè)細(xì)胞表面的基本成分，參與了重要的細(xì)胞識(shí)別過程[13]。鐵皮石斛中富含豐富的糖類物質(zhì)，這些糖類物質(zhì)與苷元結(jié)合發(fā)揮更多的生物活性[14]。鐵皮石斛多糖（polysaccharide，DOP）為其主要的活性成分，也是其中含量最高的物質(zhì)，主要包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖、甘露糖及微量果糖，多糖是鐵皮石斛抗氧化、清除自由基等藥理作用的主要成分，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，石斛多糖含量越高，質(zhì)量越重，咀嚼越粘稠，則藥性價(jià)值也就越好，種質(zhì)更加優(yōu)質(zhì)[15-17]。品種、生長(zhǎng)期、部位、產(chǎn)地、炮制等均會(huì)影響多糖含量[18]。鐵皮石斛在民族民間傳統(tǒng)炮制西楓斗的手工工藝，亦是影響其質(zhì)量的重要因素[19]。然而，對(duì)鐵皮石斛炮制前后代謝物的變化規(guī)律及其相關(guān)藥理活性之間的關(guān)系鮮有研究。

目前對(duì)鐵皮石斛藥材的研究主要集中于化學(xué)成分、藥理作用和資源研究方面，對(duì)于不同炮制方法的研究主要集中于主要成分含量變化，亦有指紋圖譜研究，紫外譜線組鑒別等，而西楓斗的研究鮮有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)采用高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜（UPLC-MS）結(jié)合植物非靶向代謝組學(xué)技術(shù)整體表征鐵皮石斛鮮條及其炮制品西楓斗中糖類化合物差異性。為發(fā)掘鐵皮石斛炮制前后代謝物的變化與相關(guān)藥理活性之間的潛在規(guī)律，闡明鐵皮石斛炮制過程中的主要糖類化合物物質(zhì)變化，為鐵皮石斛炮制方法提供理論依據(jù)。

1 材料與儀器

1.1 材料

樣品采自我國(guó)西南部云南省文山州廣南縣，西楓斗為同一批次鐵皮石斛藥材炮制品。樣品由中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所楊立新教授鑒定為鐵皮石斛Kimura et Migo鮮條。模式標(biāo)本保存于昆明植物標(biāo)本館。

1.2 儀器

Dionex U3000型高效液相色譜儀（賽默飛世爾科技公司），QE型高分辨質(zhì)譜儀（賽默飛世爾科技公司），ACQUITY UPLC HSS T3型色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.8 μm，Waters公司）。主要試劑包括甲醇、甲酸、水、乙腈均購(gòu)自Thermo公司，-2-氯苯丙氨酸購(gòu)自上海恒創(chuàng)生物科技有限公司。所有化學(xué)藥品和溶劑均為分析純或色譜級(jí)。

2 方法

2.1 樣品制備

選擇同樣大小的樣本，液氮下研碎，均勻混合，鮮品和炮制品均4次生物學(xué)重復(fù)，共8個(gè)樣品。此外，鐵皮石斛鮮條及其炮制品樣品等量混合成質(zhì)控樣本，共3個(gè)重復(fù)，用于檢測(cè)儀器的重復(fù)性和精確度。用于分析的鐵皮石斛鮮條和西楓斗分別為80 mg，轉(zhuǎn)入1.5 mL微離心管，加入2個(gè)小鋼球。然后，將20 μL的l-2-氯苯丙氨酸（0.3 mg/mL甲醇）加入1.0 mL的甲醇-水7∶3中作為內(nèi)標(biāo)。冷凍2 min至-20 ℃，60 Hz研磨2 min，冰水浴超聲提取30 min，-20 ℃培養(yǎng)20 min，4 ℃，13 000 r/min離心10 min。用玻璃注射器收集上清液150 μL，用微過濾器（0.22 μm）濾過上清液，備用。

2.2 液相色譜-質(zhì)譜分析條件

2.2.1 色譜條件：ACQUITY UPLC HSS T3（100 mm ×2.1 mm，1.8 μm）色譜柱；柱溫為40 ℃；流動(dòng)相為A-水（含0.1%甲酸），B-乙腈（含0.1%甲酸）；體積流量0.35 mL/min；進(jìn)樣體積為5 μL；梯度為0～1 min，95% A；1.0～2.5 min，95%～70% A；2.5～6.0 min，70%～50% A；6～7 min，50%～30% A；7～10 min，30%～20% A；10～12 min，20%～0% A；12～14.2 min，100% B；14.2～16 min，95% A。

2.2.2 采用正負(fù)離子模式檢測(cè) 霧化氣體為高純度（N2），噴涂電壓3800 V，毛細(xì)管溫度320 ℃，輔助燃?xì)饧訜崞鳒囟?50 ℃，質(zhì)量范圍/100～1200。MS掃描的分辨率為70 000，高能碰撞解離（HCD）MS/MS掃描的分辨率為17 500，碰撞能量分別為10、20和40 eV。

2.3 數(shù)據(jù)處理

Progenesis QI V2.3（Nonlinear Dynamics，Newcastle，UK）軟件進(jìn)行基線過濾、峰識(shí)別、積分、保留時(shí)間校正、峰對(duì)齊和歸一化，每個(gè)色譜峰的峰面積代表對(duì)應(yīng)物質(zhì)的相對(duì)含量，導(dǎo)出數(shù)據(jù)矩陣。利用三重四級(jí)桿質(zhì)譜的多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式（MRM）將獲得的二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)化合物進(jìn)行定性、定量分析。使用數(shù)據(jù)庫(kù)包括邁維公司自建MWDB、MassBank、HMDB等數(shù)據(jù)庫(kù)。R軟件ropls包對(duì)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行PCA和OPLS-DA、PLS-DA分析，鑒定差異性代謝產(chǎn)物。使用R軟件pheatmap包進(jìn)行聚類分析（hierarchical cluster analysis，HCA），以表征不同樣本代謝物的積累模式。

3 結(jié)果與分析

3.1 鐵皮石斛炮制前后糖類化合物的鑒定

根據(jù)設(shè)定的液相色譜質(zhì)譜條件，取供試品溶液進(jìn)樣分析。UPLC-MS首先以正、負(fù)離子模式對(duì)混樣質(zhì)控QC樣品進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)控樣本TIC曲線重疊性高、質(zhì)譜峰保留時(shí)間和強(qiáng)度一致，表明所建方法可靠、儀器穩(wěn)定性較好（圖1）。所獲得的代謝物高分辨二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)經(jīng)與公共數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，從鐵皮石斛鮮品和炮制品中共鑒定76個(gè)糖類化合物。從表1中差異倍數(shù)值可以看出，西楓斗樣品中有61個(gè)糖類化合物上調(diào)高積累，而有15個(gè)糖類化合物下調(diào)積累。其中，在上調(diào)的糖類化合物中，西楓斗中有52個(gè)糖類化合物的差異倍數(shù)至少是鐵皮石斛鮮條的2倍，尤其是麥芽五糖和麥芽六糖的差異倍數(shù)炮制前后達(dá)30倍。在下調(diào)的糖類化合物中，2-磷芒果苷和花青素。3-(6-咖啡基葡萄糖苷)-5-葡萄糖苷、芐基-[阿拉伯呋喃磺基- (1→6)-葡萄糖苷]、1---肉桂基-(6-阿拉伯糖基)、5a,6a-環(huán)氧-7e-megastigmene-3b,9e-二醇9-葡萄糖苷西楓斗的差異倍數(shù)比鐵皮石斛鮮條平均降低3倍，有15個(gè)糖類化合物的差異倍數(shù)是鐵皮石斛鮮條的2倍以下。以上結(jié)果顯示，鐵皮石斛炮制前后糖類化合物的積累有顯著性差異

圖1 鐵皮石斛糖類化合物正離子模式總離子圖

3.2 PCA和代謝物積累模式分析

代謝組數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行PCA分析，前2個(gè)主成分特征值＞1，模型累積解釋率R為0.83。一般認(rèn)為R大于0.5，表示模型可靠，值越大越能反映樣本間的差異。PCA得分見（圖2-A），表明各組樣本分布于不同區(qū)域，所建立方法可良好表征炮制前后代謝物的差異性。變量載荷圖顯示幾種物質(zhì)位于坐標(biāo)邊緣（圖2-B），表明這些物質(zhì)在組間樣本中差異明顯（有較大/較小的極端值等），它們對(duì)排序空間和樣本差異的貢獻(xiàn)較大，是潛在的重要標(biāo)志性代謝物。其中，差異較大的代謝物包括了糖類化合物，例如，-紅血球--半乳糖-辛糖醇、麥芽五糖、麥芽六糖、()-2--肉桂酰-β--吡喃葡萄糖、(8,8)-海杉醇9-木糖苷、乙基香草醛糖苷、1-(3-甲基-2-丁烯基)-6-無糖基葡萄糖、3-呋喃甲醇葡萄糖苷、乙酯--吡喃葡萄糖苷、呋喃醇4-葡萄糖苷等。此外，聚類分析顯示（圖2-C），不同組間代謝物積累模式存在明顯的差異，同一組的樣本代謝物積累趨勢(shì)較為一致且高度聚合為一支。

表1 鐵皮石斛鮮條和西楓斗糖類差異代謝物

N/A表示未查到活性報(bào)道

N/A indicates no activity reports have been found

圖2 不同炮制方法樣品PCA分析及代謝物積累模式

3.3 炮制前后糖類化合物差異的鑒定

OPLS-DA為分類監(jiān)督模式識(shí)別方法，可降低樣本組內(nèi)差異，能更加準(zhǔn)確表征樣本組間特征。為進(jìn)一步挖掘鐵皮石斛鮮條及其炮制品中代謝物的差異性，鑒定潛在的差異性糖類物質(zhì)，分別對(duì)鐵皮石斛炮制前后組間代謝數(shù)據(jù)進(jìn)行OPLS-DA分析。根據(jù)OPLS-DA模型的變量重要性投影（variable importance in project，VIP）鑒定差異代謝物，標(biāo)準(zhǔn)為VIP＞1且單維檢驗(yàn)＜0.05（差異倍數(shù)值＞2），共鑒定37個(gè)差異物質(zhì)（表1）。由表1分析發(fā)現(xiàn)，西楓斗與鮮條共存在37個(gè)差異物質(zhì)，且均在西楓斗組上調(diào)高積累。OPLS-DA模型優(yōu)化表明鮮條與西楓斗的R、R值，分別為0.98、1.00，OPLS-DA得分圖如圖3所示，表明所建立的模型對(duì)組間樣品具有良好的區(qū)分度，相同組內(nèi)樣品高度聚合一類。OPLS-DA排列驗(yàn)證（＝200）實(shí)驗(yàn)表明2組模型的原始R和Q均大于置換后的相應(yīng)的值，暗示2組模型未過度擬合，可用于后續(xù)代謝物的鑒定。

研究結(jié)果表明在鐵皮石斛鮮條及其炮制品的糖類化合物代謝過程中，由表1可以看出鐵皮石斛炮個(gè)糖類化合物差異變化最大為-紅血球--半乳糖-制前后25個(gè)糖類化合物存在較大差異。其中，10辛糖醇、麥芽五糖、麥芽六糖、()-2--肉桂酰-β--吡喃葡萄糖、(8,8)-海杉醇9-木糖苷、乙基香草醛糖苷、1-(3-甲基-2-丁烯基)-6-無糖基葡萄糖、3-呋喃甲醇葡萄糖苷、乙酯--吡喃葡萄糖苷、呋喃醇4-葡萄糖苷，且25個(gè)糖類化合物在炮制品中上調(diào)積累。典型糖類化合物結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 鮮品和炮制品的OPLS-DA得分圖

圖4 西楓斗中典型糖類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

4 討論

本實(shí)驗(yàn)將植物代謝組學(xué)的研究方法和思路應(yīng)用于鐵皮石斛炮制前后糖類代謝物差異的研究，麥芽五糖和麥芽六糖是一種直鏈麥芽低聚糖，由α（1→4）鏈接-葡萄糖單體和痕跡量的（1→6）鏈接葡萄糖縮合組成，聚合度分別為5和6[33]。麥芽五糖和麥芽六糖作為鐵皮石斛的重要次級(jí)代謝產(chǎn)物，其含量的高低對(duì)于鐵皮石斛的藥理活性具有重要影響，麥芽五糖和麥芽六糖甜度低，在食品中常作為口感柔和的低甜味劑使用，同時(shí)，麥芽五糖和麥芽六糖具有較強(qiáng)的持水性，作為保濕劑被廣泛應(yīng)用于化妝品[34]。此外，作為一種直鏈麥芽低聚糖，麥芽五糖和麥芽六糖可以不經(jīng)胃的消化直接進(jìn)入小腸，被小腸內(nèi)的α-葡萄糖苷酶水解進(jìn)而進(jìn)入血液迅速合成糖原，加速肌糖原和肝糖原的恢復(fù)，其所引起的胰島素反應(yīng)和血糖反應(yīng)比葡萄糖平穩(wěn)，能長(zhǎng)時(shí)間的為人體提高能量。同時(shí)能防止運(yùn)動(dòng)時(shí)大量乳酸的形成，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員和肝、腎病患者是一種理想的能量補(bǔ)充來源[35]。麥芽五糖和麥芽六糖在食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

因此，解析傳統(tǒng)西楓斗的炮制工藝，從而提高鐵皮石斛中麥芽五糖和麥芽六糖的含量是非常有意義的。但是，其變化是否能夠支撐鐵皮石斛炮制品主要生物活性仍需要進(jìn)一步進(jìn)行相對(duì)應(yīng)生物活性的體內(nèi)外藥理活性研究。其次，本研究首次通過代謝組學(xué)技術(shù)從鐵皮石斛中檢測(cè)到具有顯著護(hù)膚活性的糖類化合物，如海藻糖是一種植物天然保濕劑，具有很好的鎖水性；α-松油基葡萄糖苷、3,5-二羥基苯基1--(6--沒食子?；?-吡喃葡萄糖苷)、羥基酪醇1--葡萄糖苷具有很好的抗氧化作用；(4, 5,7,11)-11,12-OH-1(10)-spirovetiven2-1,11-gly-(3,7,9)-9-OH-4,7-megastigmadien- 3-one 9-gly是天然的表面活性劑；羥基酪醇1--葡萄糖苷、甲基β--吡喃葡萄糖苷具有抗炎的作用。這些物質(zhì)因具有與護(hù)膚相關(guān)的作用而被廣泛應(yīng)用于化妝品中。

本研究從植物代謝組學(xué)的角度分析得出鐵皮石斛炮制成西楓斗，更有利于糖類化合物的積累，鐵皮石斛糖類物質(zhì)具有多種藥理活性，包括在護(hù)膚化妝品領(lǐng)域的多種活性，經(jīng)研究表明，鐵皮石斛多糖主要的生物活性化合物具有保濕、抗氧化、抗衰老和促進(jìn)頭發(fā)生長(zhǎng)的作用，受到皮膚科醫(yī)生和化妝品界的高度重視，應(yīng)用在護(hù)膚領(lǐng)域具有抗炎修復(fù)、止癢、抗輻射及抗衰老4大功效[36-38]。本研究結(jié)果不僅揭示了云南省文山州廣南縣鐵皮石斛獨(dú)特的“西楓斗”傳統(tǒng)炮制工藝價(jià)值，而且解析了西楓斗中豐富的糖類物質(zhì)，這些糖類物質(zhì)是鐵皮石斛發(fā)揮藥理功效的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究結(jié)果顯示：鐵皮石斛炮制成西楓斗更有利于糖類化合物的積累，與護(hù)膚相關(guān)的糖類化合物上調(diào)導(dǎo)致相關(guān)物質(zhì)的高積累特點(diǎn)，與生品相比具有顯著性差異。分析原因可能與鐵皮石斛炮制成西楓斗過程中糖類成分被固化穩(wěn)定，使有效成分不易分解有關(guān)。

對(duì)西楓斗的深入研究需借助現(xiàn)代分析檢測(cè)手段，開展鐵皮石斛炮制前后主要功效物質(zhì)成分的變化規(guī)律及主要功效物質(zhì)的含量變化，采用現(xiàn)代藥理學(xué)方法對(duì)鐵皮石斛炮制前后主要活性物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、鑒定、評(píng)價(jià)，例如用主要功效物質(zhì)進(jìn)行抗氧化、美白、抗炎、抗紫外線等皮膚化妝品活性研究，篩選鐵皮石斛炮制前后不同護(hù)膚功效活性物質(zhì)，并進(jìn)一步探索其活性物質(zhì)的作用機(jī)制，研發(fā)其在不同功效護(hù)膚品中的應(yīng)用，以期為西楓斗深加工工藝和鐵皮石斛提取物在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步提供科學(xué)依據(jù)，該研究為中藥現(xiàn)代化和中藥材的炮制工藝的評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)的制定提供一個(gè)案例支撐。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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UPLC-MS metabonomics technology revealing difference of carbohydrate inunder different processing methods

CHEN Zhi-lin1, 2, ZHAO Ying2, 3, LI wei1, YANG Li-xin2, 3

1. Guizhou University of Traditional Chinese Medicine, Guiyang 550025, China 2. Bio - Innovation Center of DR PLANT, Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650201, China 3. Center of Biodiversity and Indigenous Knowledge, Kunming 650034, China

To study the sugar compounds in rawand its processed products, to explore the effect ofon the accumulation of sugar compounds before and after processing, and to provide preliminary applied basic research for the processing technology of. Xifengdou.High liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UPLC-MS) non-targeted technology was used to detect the metabolites ofand its processed products. Principal component analysis (PCA) and orthogonal partial minimum Orthogonal partial least squares-discriminant analysis (OPLS-DA) was used to identify differential metabolites of carbohydrates in metabolites.A total of 76 carbohydrates were identified, and 61 carbohydrates were up-regulated and accumulated in Xifengdou. Among them, maltopentaose and maltohexaose had a 30-fold difference before and after processing, and 15 sugar compounds and their aggregates were down-regulated and accumulated, and the difference in the fold before and after processing was small.Processing significantly increases the accumulation of metabolites in Xifengdou, a processedproduct. The research results provide a theoretical basis for the in-depth study of Xifengdou concoction.

Dendrobium officinaleKimura et Migo; UPLC-MS; Xifengdou; carbohydrate compounds

R286.2

A

0253 - 2670(2023)13 - 4321 - 08

10.7501/j.issn.0253-2670.2023.13.025

2022-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31970357）；植物醫(yī)生項(xiàng)目（Y8570842C1）；中國(guó)科學(xué)院東南亞生物多樣性研究中心（2015CASEABRIRG001）；Southeast Asia Biodiversity Research Institute, Chinese Academy of Sciences (Grant Nos. 2015CASE-ABRIRG001，Y4ZK111B01)

陳志琳，在讀碩士，主要從事中藥炮制與中藥材產(chǎn)地加工研究。E-mail: 1427882883@qq.com

通信作者：楊立新，高級(jí)工程師，主要從事民族植物學(xué)研究。E-mail: rattan@mail.kib.ac.cn

李 瑋，教授，主要從事中藥民族藥產(chǎn)地加工與炮制研究。E-mail: 3304676447@qq.com

[責(zé)任編輯 時(shí)圣明]