基于GC-MS代谢组学的莫帕尼蠕虫与高粱生物加工代谢特征解析及其营养强化机制

本研究采用GC-MS代谢组学技术系统分析了莫帕尼蠕虫（Gonimbrasia belina）和高粱（Sorghum bicolor L.）在发酵、发芽和超声处理后的代谢物动态变化。研究发现不同加工方式显著改变氨基酸（AA）、脂肪酸（FA）和糖类代谢谱，超声处理使莫帕尼蠕虫代谢物数量增加至67种，发酵使高粱代谢物增至49种。关键差异代谢物包括亚油酸、赖氨酸和苏氨酸等。通过PCA和OPLS-DA分析揭示加工引起的代谢重组机制，为开发营养强化型可持续食品提供理论依据。

　　

引言

随着全球对可持续、健康且经济实惠食品需求的持续增长，研究者与食品技术人员开始积极探索替代蛋白质来源。莫帕尼蠕虫作为南部非洲本土的可食用毛虫，以其高蛋白含量和营养益处著称。而高粱作为一种耐干旱的谷类作物，因其天然无麸质特性成为生产无麸质零食的理想选择。将高粱基产品与昆虫蛋白粉结合，可协同提升产品的营养品质，同时解决蛋白质缺乏和食品可持续性问题。

现有文献指出，需要采用食品加工策略进一步提升食品的价值和有益成分。发酵作为一种传统方法，通过微生物分解有机化合物，产生独特风味和潜在有益的生物活性化合物。发芽通过激活水解酶诱导底物成分改变，超声波处理则利用高频声波破坏细胞结构，增强生物活性化合物的提取效率。代谢组学作为研究生物系统中小分子的全面方法，已成为研究食品加工诱导生化改变的有力工具。其中气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）因其高灵敏度、特异性和能够鉴定多种代谢物的能力而脱颖而出。

材料与方法

样品制备与处理

干燥的莫帕尼蠕虫购自南非约翰内斯堡，高粱购自南非Chamdor的AGT公司。所有分析级化学品和试剂均购自Merck及其他信誉良好的供应商。莫帕尼蠕虫和高粱籽粒经清洁后储存于室温（24°C）密闭容器中。部分样品经研磨并通过500μm筛网获得面粉，标记为生莫帕尼蠕虫（RM）和生高粱（RS）。其余面粉进行发酵、发芽和超声处理。

发酵使用乳酸菌冻干发酵剂（Lactococcus lactis subsp. Lactis, CHN-22），面粉与灭菌蒸馏水混合后加入发酵剂，在35°C下培养48小时，获得发酵莫帕尼蠕虫（FM）和发酵高粱（FS）。发芽过程包括浸泡、孵育和干燥，获得发芽高粱（MS）。超声处理使用Misonix超声液体处理器，在70Hz振幅下处理10分钟，温度维持在4°C，获得超声处理莫帕尼蠕虫（UM）和超声处理高粱（US）。

代谢物提取与GC-MS分析

样品提取采用甲醇/水溶液（60:40, v/v），离心后取上清液，加入内标环亮氨酸，经氮气吹干后衍生化处理。衍生化样品使用GC-MS（型号GC 7820A）进行分析，分离在ZB-5MSplus毛细管柱上进行，采用无分流模式进样，氦气作为载气，流速1.0mL·min^?1。质谱扫描范围m/z 50-500，电子轰击电离模式。代谢物通过线性保留指数与烷烃标准品比对进行鉴定。

数据分析

使用无监督主成分分析（PCA）可视化分组模式和识别异常值。从高粱和莫帕尼蠕虫样品中分别提取44和39种代谢物含量，数据在Excel中处理，使用Simca-P 13.0软件分析传统和新型加工样品中已鉴定化合物数量的差异。

结果与讨论

加工对莫帕尼蠕虫和高粱代谢物的影响

莫帕尼蠕虫

GC-MS分析显示，可食用昆虫中糖类广泛存在，葡萄糖、海藻糖和果糖最为常见。本研究中发现糖类是最大的化合物组，大多数在发酵（FM）和超声处理（UM）样品中检出。Scyllo-肌醇是唯一在所有三种样品（RM、FM和UM）中均存在的糖化合物。检测到的主要糖包括麦芽糖和蔗糖，后者在RM和UM中检出，这可能源于莫帕尼蠕虫以含天然蔗糖的莫帕尼树叶为食。麦芽糖在FM和UM中检出，但在UM中因空化效应产生的热量使部分糖分解为小分子或酸而减少。

其他糖化合物如D-甘露醇、D-甘露糖、核糖醇和scyllo-肌醇在FM中高浓度检出。相比之下，UM中高糖水平可能表明超声波处理通过空化效应导致气泡破裂和细胞壁分解，释放出糖类。

仅检测到三种醇类化合物，这反映了可食用昆虫如莫帕尼蠕虫的固有代谢组成，其中醇相关化合物仅占代谢组的一小部分。Myo-肌醇是检测到的三种醇中含量最高的，FM中的水平高于RM和UM。这归因于微生物作用水解植酸相关化合物，释放游离myo-肌醇以及可能的从头合成。发酵微生物消耗可用糖并将其转化为醇，故在FM中观察到较高水平。

研究表明，微生物的某些活动将肽分解为氨基酸（AA），从而提高代谢率。因此，在所有加工（FM和UM）样品中检测到较高水平的AA，其中L-5-氧代脯氨酸是检测到的最高AA，同样可归因于肽的分解。UM样品中AA浓度最高，高于生样和发酵面粉，这可能源于空化过程破坏面粉细胞壁，使蛋白质物质在超声处理过程中渗入基质。赖氨酸、苏氨酸和缬氨酸是检测到的必需氨基酸，它们在UM中的水平均高于RM和FM。

有机酸和脂肪酸（FA）是第二大类组，各占12%。鉴定出的FA包括亚油酸、单棕榈酸、十八碳二烯酸、亚麻酸、棕榈酰甘油、油酸、硬脂酸和棕榈酸。这些FA是细胞膜的构建块，对维持膜完整性和昆虫的能量储存至关重要。大多数FA在所有样品中均检出，但十八碳二烯酸、亚油酸和油酸未在FM中检出。超声处理通过提高传质速率增强了FA的提取效率，而机械搅拌改善了溶剂进入昆虫组织的运动，协助脂肪的提取和溶解。因此，UM样品中FA水平最高。

发酵可能通过改变饱和、单不饱和和多不饱和FA的比例来改变FA谱。多不饱和FA如亚麻酸和α-亚麻酸可降低心脏病和炎症风险并有益大脑健康，而饱和FA如棕榈酸则与增加胆固醇和其他心脏病风险相关。本研究中，加工样品尤其是FM中的棕榈酸减少。发酵过程中pH降低，创造酸性环境，加速脂质水解并 destabilizes triacylglycerols，导致棕榈酸减少。此外，发酵微生物的微生物脂肪酶作用也可能导致此减少。另一方面，超声处理中诱导的空化可能促进脂质氧化和降解，导致观察到的减少。

有机酸如柠檬酸、乳酸、膦酸和磷酸在FM中水平增加。这可由研究中使用的乳酸菌菌株解释，据报道其通过各种酶具有广泛的植物化学代谢转化能力。乳酸和其他弱酸的产生支持了由乳酸菌发酵酸化导致的低pH值。乳酸是异发酵乳杆菌产生的主要代谢物，对最终发酵食品的感官质量和安全有积极贡献。

高粱

高粱发酵（FS）作为许多非洲国家的传统加工方法，与改善蛋白质消化率和提高某些维生素水平相关。本研究中对FS代谢谱变化的观察支持这些发现，表明发酵可能是改善高粱基食品产品营养含量的有用策略。超声处理（US）产生了不同的代谢谱，表明这种创新加工技术有潜力以新方式改变高粱的生化组成。先前研究表明，超声处理可增强酚类成分提取和抗氧化活性。

结果表明，超声处理可能是改善高粱营养方面的潜在策略，需要进一步研究其对生物活性成分和总体营养价值的影响。共鉴定出47种代谢物化合物，存在于生、发酵、发芽和US面粉中。代谢组分布显示氨基酸（AA）占27%，糖类占19%。有机酸占14%，醇类占12%，FA占10%，苯类占8%。其他显著组包括酯类、酸类和杂项化合物。

PCA分析中生、发芽、发酵和US样品的明显分离表明每种加工步骤引起一系列不同的生化改变。在不同加工过程中观察到的糖、有机酸和AA数量的变化对加工高粱的营养方面具有相当影响。发芽作为酿造中常见的预处理步骤，已证明通过提高酶活性和减少抗营养成