澳大利亚高粱（Sorghum bicolor L. Moench）基因型酚类物质组成与抗氧化活性的全面表征

《Journal of Agriculture and Food Research》：Comprehensive characterisation of phenolic composition and antioxidant activity across diverse Australian-grown sorghum ( Sorghum bicolor L. Moench) genotypes

　　

专业术语翻译 十三种高粱基因型的多酚组成和抗氧化活性因基因型、果皮颜色和生长地点而异。黑色高粱品种SSb-1的总酚含量和抗氧化活性最高。高分辨率UHPLC-DAD-ESI-QTOF MS/MS结合在线ABTS法共鉴定出80种酚类化合物。高分子量的原花青素二聚体、三聚体和四聚体得到了广泛表征。这些发现为选择和利用富含多酚的高粱品种用于育种、食品和营养保健品应用提供了见解。

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一、研究背景与科学问题

高粱（Sorghum bicolor L. Moench）是全球最具价值的谷类作物之一，因其耐旱性和适应干旱环境的能力而备受关注。除了农业优势外，高粱含有丰富多样的生物活性酚类化合物，尤其是带有黑色、棕色或红色果皮的色素高粱品种，其多酚浓度更高。高粱中的酚类化合物包括酚酸（羟基肉桂酸和羟基苯甲酸）、黄酮类化合物以及芪类等。与其他谷物不同的是，高粱是3-脱氧花青素（3-DXAs）的唯一来源，这种不常见的花青素具有稳定的着色特性。此外，高粱还含有大量鞣质，特别是缩合鞣质（即原花青素），它们是由多羟基黄烷-3-醇单元通过C4-C6或C4-C8键连接而成的高分子量聚合物和低聚物，具有显著的抗炎和抗氧化健康功效。

然而，目前存在以下关键问题：不同高粱品种的多酚含量因基因型、生长温度和环境影响而存在显著差异；高粱中聚合态原花青素尚未被充分表征；以往研究虽采用液相色谱-四极杆飞行时间质谱（LC-QTOF MS）结合抗氧化实验进行鉴定，但由于多酚结构复杂且易聚合，对多种高粱品种中酚类代谢物的全面表征仍面临挑战。因此，本研究旨在评估来自不同种植地点的多种高粱基因型的酚类组成和抗氧化活性多样性，强调基因型和环境因素的影响，并通过高分辨率超高效液相色谱-二极管阵列检测器-电喷雾电离-四极杆飞行时间串联质谱（UHPLC-DAD-ESI-QTOF MS/MS）结合在线ABTS分析，实现单个酚类化合物的深度鉴定。

二、研究方法

研究人员选取了13种高粱品种，包括白色（Liberty）、红色（MR-Buster、MR-Bazley）、黑色（Shawaya Short Black-1，SSb-1）、棕色（B14A111）等，分别采集自澳大利亚新南威尔士州Bellata和Croppa Creek的田间试验以及昆士兰州Toowoomba的Genetech Seeds公司。主要关键技术方法包括：（1）采用酸化丙酮-水-乙酸溶剂体系提取多酚；（2）使用Folin-Ciocalteu（FC）比色法测定总酚含量（TPC）；（3）采用香草醛-硫酸法测定总原花青素含量（TPAC）；（4）分别采用DPPH、ABTS和FRAP三种抗氧化实验评价抗氧化活性；（5）核心鉴定技术为高分辨率UHPLC-DAD-ESI-QTOF MS/MS结合在线ABTS自由基清除反应系统，在负离子模式下进行全扫描（m/z 50–1700），并结合标准品、数据库及文献进行化合物鉴定。

三、研究结果

3.1 高粱籽粒总酚含量的变异

研究发现13种高粱品种间TPC存在显著差异（p < 0.05）。黑色品种SSb-1的TPC最高，达11.08±0.07 mg GAE/g；棕色品种B14次之，为8.16±0.1 mg GAE/g；红色品种范围在0.49至1.21 mg GAE/g之间；白色品种最低，其中WA353仅为0.16±0.00 mg GAE/g。同一品种在不同种植地点的TPC也存在差异，Bellata种植的白高粱和红高粱TPC略高于Croppa Creek。研究表明，提取溶剂和方法对多酚得率影响显著，酸化丙酮可提高多酚释放效率。

3.2 高粱品种间总原花青素含量的变异

棕色品种B14的TPAC最高，达10.08±0.37 mg CE/g，黑色品种SSb-1次之，为9.32±0.24 mg CE/g。这与果皮结构和遗传因素有关：具有色素化种皮层和厚果皮的高粱品种（如棕色和黑色品种）含有更高的缩合鞣质水平，而缺乏色素化种皮或薄果皮的品种则鞣质含量极低。

3.3 高粱籽粒的抗氧化与自由基清除活性

三种抗氧化实验均显示有色高粱品种的抗氧化活性显著高于白色品种。DPPH实验中，SSb-1活性最高（18.94±0.05 mg TE/g），其次为B14（16.36±0.22 mg TE/g），白色WA353最低（0.30±0.00 mg TE/g）。ABTS实验中，B14活性最高（6.31±0.006 mg TE/g），SSb-1次之（4.76±0.00 mg TE/g）。FRAP实验中，SSb-1最强（18.96±0.355 mg TE/g），B14次之（12.86±0.23 mg TE/g）。相关性分析表明，TPC与三种抗氧化实验均呈强正相关（TPC vs DPPH，r = 0.9796；TPC vs ABTS，r = 0.7229；TPC vs FRAP，r = 0.9568），TPAC也表现出类似趋势。

3.4 高粱籽粒中酚类化合物的鉴定与表征

通过UHPLC-DAD-ESI-QTOF MS/MS结合在线ABTS分析，研究人员从13种高粱品种中共初步鉴定出80种酚类化合物，包括酚酸类（14种羟基肉桂酸和7种酚酰胺）和黄酮类（3种黄酮醇、8种黄烷-3-醇、13种黄烷酮、17种原花青素和4种多聚黄酮）。白色和某些红色品种以羟基肉桂酸为主，而棕色、黑色及其他红色品种则以黄酮类化合物为主。特别值得关注的是，研究首次在高粱中广泛表征了高分子量原花青素二聚体、三聚体和四聚体。

四、总结与讨论

本研究的结论表明：高粱籽粒的多酚含量和抗氧化活性受基因型和生长地点的双重影响，有色品种（尤其是黑色SSb-1和棕色B14）显著优于白色品种。高分辨率质谱联用在线ABTS技术成功鉴定了80种酚类化合物，并首次系统表征了高分子量原花青素聚合物。这些发现为农民、育种者和食品工业选择具有更优营养和促进健康特性的高粱品种提供了重要依据，也为将富多酚高粱品种应用于功能性食品和营养保健品领域奠定了科学基础。