《Journal of Food Composition and Analysis》：Unraveling metabolic heterogeneity in black ginseng using integrated UPLC-MS and DESI-MSI with multivariate data analysis
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中文摘要：人参（*Panax ginseng*）被广泛用作功能性食品配料。蒸制处理是深刻改变人参代谢谱并增强其治疗特性的关键加工步骤。本研究采用超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）结合多元数据分析，对八个人参样品中的人参皂苷、糖类和氨基酸进行了表征。共鉴
中文摘要：人参（*Panax ginseng*）被广泛用作功能性食品配料。蒸制处理是深刻改变人参代谢谱并增强其治疗特性的关键加工步骤。本研究采用超高效液相色谱-质谱联用（UPLC-MS）结合多元数据分析，对八个人参样品中的人参皂苷、糖类和氨基酸进行了表征。共鉴定出224种人参皂苷，其中128种化合物仅在黑参（BG）中检出。对49种代谢物的定量分析显示，黑参中稀有皂苷（如Rg3、Rg5和Rk1）和单糖（葡萄糖和果糖）富集，而碱性氨基酸（精氨酸）含量降低。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）确定了10个区分黑参与其他品种的关键判别标记物。此外，解吸电喷雾电离-质谱成像（DESI-MSI）可视化这些标记物的空间分布，揭示其在形成层和韧皮部组织中优先积累。这些发现为温和热处理过程中人参的植物化学转化提供了全面见解，有助于开发黑参作为功能性食品配料并支持食品工业中的质量控制。
**论文解读：基于UPLC-MS与DESI-MSI的黑参代谢异质性研究**
**1. 研究背景与问题**
人参（*Panax ginseng*）作为药食同源植物，含有皂苷、多糖、氨基酸等活性成分，其加工方式显著影响最终产品的功效与品质。传统加工如红参（RG）通过高温蒸制获得，而冷冻干燥人参（FDG）则保留鲜样外观。黑参（BG）通过反复蒸制将原型皂苷转化为稀有皂苷，可能增强其生物活性。然而，以往研究多聚焦于单一化合物类别（如仅皂苷或仅糖类），或采用高温蒸制条件，缺乏在温和热加工条件下对多种人参品种中皂苷、糖类和氨基酸进行系统比较的研究。温和处理可能保留热敏化合物并产生独特的转化模式，对功能性食品开发具有潜在优势。此外，传统均质化分析方法无法获取代谢物的空间分布信息，限制了对其加工过程中组织特异性变化的理解。因此，本研究旨在通过整合UPLC-MS与DESI-MSI技术，系统表征八种人参样品的代谢谱，并可视化关键代谢物的原位分布。
**2. 研究设计与技术方法**
研究人员选取五年生鲜参（FG）、美国参（AG）、红参（RG）及其对应的冷冻干燥品（FDG、DAG），并在70℃、相对湿度60%条件下连续蒸制16天制备三种黑参（BG、BAG、BRG），每组设六个独立重复。采用UPLC-Qtrap MS在多反应监测（MRM）模式下定量19种皂苷、9种糖类和21种氨基酸，同时利用UPLC-Orbitrap MS进行非靶向皂苷鉴定。DESI-MSI（解吸电喷雾电离质谱成像）在负离子模式下对FG和BG切片进行空间代谢物成像（m/z 50-1200，空间分辨率200μm）。数据经SIMCA软件进行偏最小二乘判别分析（PLS-DA），并以VIP>1且FDR校正q<0.05筛选关键标记物。
**3. 研究结果**
**3.1 蒸制诱导BG样品中皂苷转化**
通过19种皂苷标准品定量分析发现，随着蒸制时间延长，人参根颜色逐渐加深，出现非酶褐变。三种BG中稀有皂苷总量分别在11天（BG、BAG）和15天（BRG）达到峰值。连续蒸制显著促进极性皂苷（如Rb1、Re）向低极性稀有皂苷（Rg3、Rg5、Rk1等）转化，其机制涉及C-3和C-20位糖苷键逐步水解、脱水和异构化。值得注意的是，BRG虽由RG额外蒸制而成，但稀有皂苷水平并未显著高于BG或BAG，表明反复蒸制并非线性累积稀有皂苷，起始材料的皂苷组成影响最终转化模式。BAG中Rg3、Rg5、Rg6、Rk1和Rk3含量分别比BG高2.83、2.94、1.99、2.12和1.24倍（均q<0.05）。通过UPLC-Orbitrap MS共鉴定224种皂苷，其中128种仅在BG类样品中检出，表明蒸制过程产生了独特的化学特征。
**3.2 BG样品中检出丰富单糖**
糖类谱显示，FG、AG、RG及其冷冻干燥品中麦芽糖最丰富，而三种BG中葡萄糖和果糖含量显著升高，蔗糖等低聚糖大幅降低。例如，BG中蔗糖从FG的8.44 mg/g降至0.06 mg/g。这种变化归因于热诱导的糖苷键水解，与皂苷脱糖基化过程并行。葡萄糖和果糖作为还原糖，可能参与美拉德反应，但具体产物未直接测定。
**3.3 八种人参样品的氨基酸差异**
定量21种氨基酸发现，三种BG中碱性氨基酸（精氨酸、赖氨酸、组氨酸）水平较低。精氨酸（人参中主要氨基酸）在BG中从FG的67.91 mg/g降至13.99 mg/g，类似趋势在RG/BRG和AG/DAG/BAG中也显著（q<0.05）。游离氨基酸的减少可能与美拉德反应、热降解及转化为含氮化合物有关，但由于未直接测量美拉德产物，不能完全归因于此。
**3.4 多元统计分析的整体比较与分类预测**
基于UPLC-MS数据的PLS-DA模型（R2X/R2Y/Q2值：皂苷0.787/0.987/0.983，糖类0.714/0.856/0.842，氨基酸0.791/0.862/0.811）显示八种样品分为两组：FG、FDG、AG、DAG、RG归为Group I，BG、BAG、BRG归为Group II。200次排列检验确认模型无过拟合。VIP值分析识别出稀有皂苷（Rh4、Rh1、Rg6、Rk3、Rg5、Rk1、Rg3）、果糖和蔗糖、精氨酸分别作为三类化合物中的主要判别标记物，共10个关键标记物。这些标记物反映了黑参加工中皂苷转化、碳水化合物水解和氨基酸消耗的协同变化。
**3.5 DESI-MSI揭示蒸制过程中皂苷、糖类和氨基酸的空间代谢重塑**
DESI-MSI对FG和BG组织切片成像显示，人参根茎的周皮、韧皮部、形成层、木质部和髓部可清晰区分。在BG中，稀有皂苷（Rh1、Rh2/Rg3、Rg5/Rg6/Rk1）信号在韧皮部和形成层较强，木质部较弱，髓部几乎无信号，而FG中信号极弱。糖类成像显示，FG中二糖主要分布于韧皮部和形成层，蒸制后仅局限于韧皮部且强度降低；三糖在FG中广泛分布于韧皮部、木质部和髓部，在BG中分布范围和强度显著减少。氨基酸成像中，精氨酸主要分布于韧皮部，FG中丰度高于BG，与定量结果一致。这些空间模式表明热加工引起组织特异性的化学重塑，与UPLC-MS数据相互印证。
**4. 讨论与结论**
本研究整合UPLC-MS/MS、多元分析和DESI-MSI，系统揭示了温和蒸制（70℃）过程中人参的化学演变规律。主要结论包括：（1）共鉴定224种皂苷，其中128种仅在黑参中检出；连续蒸制促进极性皂苷向稀有皂苷（Rh4、Rh1、Rg6、Rk3、Rg5、Rk1、Rg3）转化，途径涉及逐步脱糖基化、脱水和结构重排；（2）糖类代谢显示单糖积累伴随低聚糖消耗，氨基酸（尤其是精氨酸）显著减少，表明存在美拉德型反应等热诱导过程；（3）多元分析有效区分黑参与其他人参产品，并鉴定10个关键判别标记物；（4）DESI-MSI首次可视化这些标记物的组织特异性分布，揭示稀有皂苷在韧皮部和形成层优先积累，糖类和氨基酸分布也发生空间重塑。这些发现提供了多维视角理解温和加工如何改变人参的化学景观，为黑参作为功能性食品配料的开发和质量控制奠定基础。未来研究需结合感官分析、生物活性评价和反应路径验证，以全面确立加工诱导转化的功能意义。
本研究发表在《Journal of Food Composition and Analysis》，作者包括Simeng Shao、Yi Wu、Peng Yu、Xilin Wan和Hongmei Yang，单位为中国长春中医药大学公共实验中心。
