紫红毛霉菌MN 001对美洲人参进行生物转化过程中次生代谢物和抗氧化活性的时间变化：β-葡萄糖苷酶介导的人参皂苷水解的分子对接分析

《Food Bioscience》：Temporal Variation in Secondary Metabolites and Antioxidant Activity during the Biotransformation of American Ginseng by Monascus purpureus MN 001: Molecular Docking Analysis of β-Glucosidase-Mediated Ginsenoside Hydrolysis

　　

摘要

美国人参（AG）是一种重要的食品医药资源，但由于高度极性的原型人参皂苷生物利用率低，限制了其高效利用。本研究比较了两种使用可食用药用真菌Monascus purpureus MN 001的液态发酵系统：一种基于纯人参粉的培养基（PPBM）和一种麦芽与人参粉复合培养基（MPPCM）。两种系统均在30°C下发酵10天。通过分光光度法在410、465和505纳米处测定Monascus色素的颜色值，而β-葡萄糖苷酶活性、人参皂苷转化和抗氧化活性分别使用

-硝基苯基-β-D-葡吡喃糖苷测定法、UHPLC-Q-TOF-MS/MS、DPPH和ABTS自由基清除试验进行评估。MPPCM促进了色素积累，在第10天时达到182.5 U/g，而PPBM为115.7 U/g，并使monascorubrin的相对比例增加了23.5%。原型人参皂苷在发酵过程中减少，而稀有人参皂苷积累；PPBM中的人参皂苷谱型在第4天发生了显著变化，第6天后趋于稳定。发酵增强了DPPH和ABTS自由基清除活性，而citrinin的含量保持在10 ppb以下。Rb₁、Rc和Rd与β-葡萄糖苷酶的预测对接能量分别为-8.366、-9.941和-8.117 kcal/mol，其中Rc显示出最强的亲和力。这些发现表明，添加麦芽可以促进色素产生、人参皂苷转化和抗氧化活性，支持了对美国人参的增值利用。

引言

美国人参（Panax quinquefolium L.）是一种众所周知的药用和可食用草本植物，广泛用于功能性食品、膳食补充剂和传统保健品（Fan等人，2024年）。美国人参（AG）具有多种生物活性，包括免疫调节、抗癌、抗糖尿病、心血管保护和神经保护作用，这些作用主要归因于其主要活性成分人参皂苷（Flagg 2021年；Huang等人，2022年；Li等人，2022年）。然而，AG中的大多数天然人参皂苷是极性高、分子量大且膜通透性差的原型人参皂苷，导致肠道吸收低和体内疗效不佳（Li等人，2020年；Liu等人，2020年；Wang等人，2019年）。相比之下，通过逐步脱糖作用生成的稀有人参皂苷显示出显著改善的亲脂性、生物利用度和药理活性（Jia等人，2026年；Yang等人，2025年）。因此，将原型人参皂苷高效转化为稀有类似物已成为提升AG功能价值的关键方向。

微生物生物转化被认为是一种绿色、高效且高度特异性的策略，可用于修饰天然产物并增强其生物活性。与化学水解和酶促转化相比，微生物发酵具有条件温和、成本低、立体选择性高和环保等优点（Huang等人，2022年；Liu等人，2020年）。包括Aspergillus、Saccharomyces和内生真菌在内的多种真菌已被应用于人参成分的生物转化（Lee等人，2021年）。Monascus属因其强大的代谢能力和丰富的酶系统以及在食品发酵中的安全使用历史而受到广泛关注（Chen等人，2015年；Quan等人，2025年）。M. purpureus能够产生多种有益代谢物，如monacolins、天然色素、γ-氨基丁酸（GABA）和麦角甾醇，并已逐渐从传统粮食发酵扩展到中药（CHM）共发酵领域（He等人，2025年；Zhang等人，2024年）。

先前的和最近的研究证实，Monascus发酵可以通过脱糖作用将高极性的原型人参二醇（PPD）和原型人参三醇（PPT）型人参皂苷有效转化为小分子稀有人参皂苷（Hong等人，2011年；Zheng等人，2017年；Ruan等人，2026年；Yang等人，2025年）。用Monascus进行的人参固态发酵显著增加了稀有人参皂苷Rg₃的含量（Piao等人，2020年）。然而，大多数现有研究集中在固态发酵上，对于M. purpureus对AG进行液态发酵的系统研究仍不足。特别是关于次级代谢物（人参皂苷、色素、GABA、citrinin）的时间变化、抗氧化活性的变化以及液态发酵过程中人参皂苷转化的分子机制的报道很少。同时，底物组成强烈调节Monascus的代谢通量，影响色素合成、GABA生产和citrinin生成（Liang等人，2018年；Oliveira等人，2022年）。

β-葡萄糖苷酶在人参皂苷的脱糖过程中起核心作用。真菌β-葡萄糖苷酶表现出高催化效率和强环境适应性，能够在固态和液态发酵条件下实现高效转化（Wang等人，2022年；Zhang等人，2024年）。尽管已有研究表明了人参皂苷的转化途径，但M. purpureus β-葡萄糖苷酶选择性识别和水解的分子机制仍有待阐明。分子对接结合酶活性测定提供了一种强有力的工具，可以揭示分子水平的结合模式和催化机制（Liu等人，2022年；Yang等人，2022年）。

因此，本研究开发并比较了两种使用M. purpureus MN 001的液态发酵系统，以研究次级代谢物、抗氧化活性和人参皂苷生物转化的时间变化。通过超高效液相色谱（UHPLC）、四极杆飞行时间质谱（Q-TOF-MS/MS）、光谱分析和生化测定方法研究了人参皂苷谱型、Monascus色素、GABA含量、citrinin和抗氧化活性。此外，还采用分子对接和β-葡萄糖苷酶活性测定来阐明人参皂苷选择性脱糖的分子机制。本研究的目的是为AG的深度加工和高效利用提供理论基础和技术支持，并基于Monascus介导的生物转化开发安全、高效的功能性食品级发酵产品。

章节片段

材料

MN 001菌株来自中国的福建红酵母米，保存在河南工业大学生物工程学院。作为发酵底物的原始晒干的人参片从河南开封市的中医院获得，在使用前在4°C下干燥。随后，将人参片在50°C下干燥至恒重，研磨成粉末，并通过100目筛子筛选。

MN 001菌株的鉴定和特性

在PDA、MRS和MEA上观察到的Monascus sp. MN 001的宏观和微观形态特征与M. purpureus的典型特征一致，包括菌丝、分生孢子和闭囊壳的形成以及红色色素的产生。在相同的培养条件下，MN 001在MRS、MEA和PDA培养基上的生长没有明显差异，表明该菌株可以在后续使用的MRS培养基上良好生长

讨论

在本实验中，使用了两种以M. purpureus MN 001为起始菌的液态发酵系统：PPBM和添加了麦芽作为调节成分的MPPCM。进行了系统比较，以研究底物配方对M. purpureus代谢谱的影响，重点关注M. purpureus与AG之间的双向相互作用机制、人参皂苷的转化动力学以及基于citrinin含量的安全性评估。

合理

结论和未来展望

本研究表明，M. purpureus MN 001对美国人参的液态发酵受到培养基组成的显著影响。MPPCM有利于Monascus色素的积累并增强了抗氧化活性，而PPBM产生的GABA浓度更高。人参皂苷的转化主要发生在第4天到第6天之间，表现为几种主要人参皂苷的减少和极性较低的稀有人参皂苷的增加。Citrinin的含量保持不变

CRediT作者贡献声明

Na Liu：方法学。Zhongke Sun：形式分析。Siyuan Bai：方法学。Miaomiao Yang：形式分析、数据管理。Xueling Zhao：数据管理。Siliang Lyu：验证。Jiahao Bai：数据管理。Peng Li：资金筹集。Chengwei Li：资金筹集。Li Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。Le Wang：撰写 – 审稿与编辑。Zirui Liu：撰写 – 初稿。Boyuan Zhang：撰写 – 审稿与编辑，软件，数据管理

El和Dina，2021年；Li等人，2022年；Moradi和Mortazavi，2024年；Trott和Olson，2010年；Yang等人，2022年；Zhang等人，2024年。

资助

本研究得到了国家小麦和玉米深加工工程技术研究中心的开放项目计划、河南工业大学（编号NL2026007）、国家自然科学基金（编号32372621）、河南工业大学本科生科研训练计划（编号22430196）、河南省重大科技项目（编号251100110300、221100110700）以及河南省人才培育计划的支持

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

Li Zhang|Zirui Liu|Boyuan Zhang|Miaomiao Yang|Xueling Zhao|Siliang Lyu|Jiahao Bai|Siyuan Bai|Na Liu|Zhongke Sun|Peng Li|Chengwei Li|Le Wang

河南工业大学生物工程学院，河南省 Zhengzhou 450001