酶类型和水解时间对红高粱（Sorghum bicolor L.）代谢物谱的影响：基于非靶向代谢组学与化学计量学方法的联合研究

《Journal of Cereal Science》：Influence of Enzyme Type and Hydrolysis Duration on the Metabolite Profiles of Red Sorghum ( Sorghum bicolor L.): Untargeted Metabolomic Combined with Chemometrics Approach

红高粱水解物代谢谱受酶类型及水解时间显著影响，HPLC-Orbitrap-HRMS结合chemometrics分析显示菠萝蛋白酶处理在4小时水解时长下代谢物多样性最优，富含L-苯丙氨酸、Leu-Leu二肽及taxifolin黄酮类化合物。

　　

阿尤·塞普蒂·安格拉尼（Ayu Septi Anggraeni）|索巴里·阿姆鲁拉（Sobari Amrullah）|玛莱拉·阿德哈尼亚·德万托（Marella Adhania Dewanto）|尤尼亚尔·卡萨纳（Yuniar Khasanah）|伊卡·穆拉瓦蒂·普尔万蒂·诺维亚娜（Ika Mulawati Purwanti Noviana）|安贾尔·温达尔西（Anjar Windarsih）|卢基·普拉博沃·米夫塔丘尔·阿拉姆（Lucky Prabowo Miftachul Alam）|因德拉瓦蒂·迪安·乌塔米（Indrawati Dian Utami）|苏拉特诺·苏拉特诺（Suratno Suratno）

食品技术与加工研究中心（PRTPP），印度尼西亚国家研究与创新机构（BRIN），日惹55861

摘要

红高粱（Sorghum bicolor L. Moench）是一种富含营养的谷物，含有淀粉、蛋白质、脂质、非淀粉多糖以及有益健康的抗氧化酚类化合物。本研究探讨了酶类型和水解时间对高粱水解物代谢组的影响，以识别关键生物活性成分并确定最佳水解条件。水解实验使用菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶在60°C、pH 7.6的条件下进行，时间跨度为5小时（0–4小时），酶与底物的比例为1:10（w/w）。代谢组分析采用高效液相色谱-轨道阱高分辨率质谱仪（HPLC-Orbitrap-HRMS）完成。通过主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和变量重要性投影（VIP）评分等化学计量学方法评估了处理对代谢物变化的影响。化学计量学分析显示，不同酶和水解时间会导致红高粱代谢物的变化，其中菠萝蛋白酶能够促进更多代谢物的产生，尤其是在长时间孵育下，显著富集了氨基酸（L-苯丙氨酸）、二肽（Leu-Leu）和黄酮类化合物（taxifolin）。化学计量学分析表明，酶类型和水解时间对代谢物模式有显著影响，氨基酸是主要的区分因素。

这些发现强调了酶选择和孵育时间在提升高粱水解物功能特性中的关键作用，表明菠萝蛋白酶是制备富含生物活性成分提取物的理想酶。

部分内容摘录

引言

高粱（Sorghum bicolor L. Moench）被誉为“小米之王”，是全球第五大重要谷物，仅次于小麦、水稻、玉米和大麦（Kamble等人，2020年）。其籽粒富含淀粉、蛋白质、脂质和非淀粉多糖，并含有较高水平的抗氧化酚类化合物（Galal等人，2024年）。高粱蛋白质包含多种组分，如白蛋白、卡菲林（kafirin）、球蛋白、交联卡菲林等。

实验材料

本研究中使用的高粱品种为Suri 3，产自印度尼西亚楠榜省东楠榜县。种植过程中仅使用有机肥料，未使用合成化学肥料。实验前，高粱种子经过三次抛光处理以降低单宁含量。为确保种子质量，将种子浸泡在水中，浮选掉劣质种子，仅保留合格种子。

水解过程与代谢组分析

采用液相色谱-高分辨率质谱（LC-HRMS）对不同酶条件下处理的高粱水解物进行非靶向代谢组分析。从菠萝蛋白酶处理样品中鉴定出132种代谢物（补充文件1），从木瓜蛋白酶处理样品中鉴定出114种代谢物（补充文件2），分析采用了正离子和负离子两种电离模式。其中87种化合物被选为化学计量学分析对象，以评估孵育时间对代谢物的影响。

结论

研究表明，使用菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶进行酶解会显著改变红高粱水解物的代谢组特征，这一结论通过基于LC-HRMS的非靶向代谢组分析和化学计量学分析得到验证。菠萝蛋白酶处理样品产生的代谢物种类更丰富，尤其是在长时间孵育条件下，氨基酸（L-苯丙氨酸）、二肽（Leu-Leu）和生物活性黄酮类化合物（taxifolin）的含量更高。主成分分析（PCA）进一步证实了这一结果。

作者贡献声明

苏拉特诺·苏拉特诺（Suratno Suratno）：撰写、审稿与编辑、数据管理。因德拉瓦蒂·迪安·乌塔米（Indrawati Dian Utami）：实验设计、数据分析。安贾尔·温达尔西（Anjar Windarsih）：初稿撰写、数据管理。卢基·普拉博沃·米夫塔丘尔·阿拉姆（Lucky Prabowo Miftachul Alam）：实验设计、数据分析。伊卡·穆拉瓦蒂·普尔万蒂·诺维亚娜（Ika Mulawati Purwanti Noviana）：撰写、审稿与编辑、实验监督。玛莱拉·阿德哈尼亚·德万托（Marella Adhania Dewanto）：实验设计、数据分析。尤尼亚尔·卡萨纳（Yuniar Khasanah）：撰写、审稿与编辑、实验监督。

利益冲突

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究于2025年获得印度尼西亚国家研究与创新机构（BRIN）下属的农业与食品研究组织的资助，项目编号为III11HK/2025。作者衷心感谢日惹国家研究与创新机构先进表征实验室通过ELSA平台（https://elsa.brin.go.id/）提供的科学和技术支持。