粳高粱和糯高粱的非靶向代谢组学分析

摘 要：为探究不同品种高粱的代谢物差异及其对白酒酿造过程和白酒品质的潜在影响，本文通过非靶向代谢组学对川粱红9号和东北粳高粱籽粒的代谢物差异进行分析。结果表明，两种高粱中萜类、黄酮类、脂类及氨基化合物的含量和种类存在明显的差异。这些差异可能通过调控发酵微生物的代谢活动，进而影响高粱白酒的发酵进程和风味物质的生成，最终导致其风味及品质的差异化。

关键词：高粱品种；非靶向代谢组学；白酒酿造；风味

Non-Targeted Metabolomics Analysis of Non-Glutinous and Glutinous Sorghum

LI Qiang， ZHU Hui， WANG Ning*

（Sichuan Engineering Technology Research Center for Liquor-Making Grains，

Sichuan University of Science & Engineering， Yibin 644000， China）

Abstract： In order to investigate the metabolite differences of sorghum varieties and their potential effects on liquor brewing process and liquor quality， the metabolites of Chuanlianghong No.9 sorghum and northeast japonica sorghum were analyzed by non-targeted metabolomics. The results showed that there were significant differences in contents and types of terpenoids， flavonoids， lipids and amino compounds in two kinds of sorghum. These differences may affect the fermentation process and the production of flavor substances by regulating the metabolic activities of fermentation microorganisms， and ultimately lead to the difference of flavor and quality of sorghum liquor.

Keywords： sorghum variety; non-targeted metabolomics; Baijiu brewing; flavour

高粱是酿造白酒的核心原料，其品种的变化与白酒的风味及整体品质的优劣密切相关。当前，主要的高粱品种包括糯高粱和粳高粱，在淀粉结构、蛋白质含量、脂肪含量以及单宁含量等方面存在显著差异，从而影响着白酒的发酵过程和最终品质[1]。

目前，已有研究报道高粱品种对白酒品质的影响，并利用气相色谱等技术手段分析不同品种高粱酿造白酒的挥发性风味化合物和原粮蒸煮风味的差异[2]。但是，相关研究多集中于高粱品种的淀粉结构、单宁含量、酿造性能的变化及其对出酒率和感官质量的影响[3]，而对于高粱的代谢物差异及其对酿造白酒品质影响的系统性研究还相对不足。本文通过分析不同高粱品种代谢物的差异，探讨其对白酒发酵过程及品质的影响，以期为白酒酿造工艺的优化及品质提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

川粱红9号高粱、东北粳高粱，由四川轻工化大学酿酒专用粮工程技术研究中心提供。

丙酮，天津市康科德科技有限公司；乙腈、甲酸、甲酸铵、甲醇，上海源叶生物科技有限公司。

1.2 前处理方法

将100 mg高粱样品用液氮研磨，随后在80%甲醇中进行涡旋混合再悬浮。将样品在冰上孵育5 min，在15 000×g、4 ℃条件下离心20 min。用超纯水将上清液稀释至甲醇浓度为53%。将样品转移到干净的EP管中，在15 000×g、4 ℃条件下离心20 min，备用待测。

1.3 超高效液相色谱质谱条件

（1）色谱条件。色谱柱：Hypersil GOLD C18柱（100 mm×2.1 mm，1.9 μm）；柱温：40 ℃；流速：0.2 mL·min-1。流动相A：0.1%甲酸；流动相B：甲醇；溶剂梯度洗脱程序：0～3 min，2%B；3～10 min，2%→85%B；10～10.1 min，85%B；10.1～11 min，85%→2%B；11～12 min，2%B。

（2）质谱条件。扫描范围：m/z 100～1 500；ESI喷雾电压：3.5 kV；鞘气流速：35 psi；辅助气流速：10 L·min-1；离子传输管温度：320 ℃；离子导入射频电平：60；辅助气加热器温度：350 ℃。

1.4 数据分析

使用CD3.3搜库软件处理原始数据，对代谢物进行峰提取、峰对齐和定量。基于MetaX平台对代谢物执行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和偏最小二乘判别分析（Partial Least Squares-Discriminant Analysis，PLS-DA），筛选变量重要性投影（Variable Important in Projection，VIP）。使用t检验对两组样本的代谢物的统计学显著性（P值）和差异倍数（Fold Change，FC）进行分析。利用KEGG数据库（https：//www.kegg.jp/）对鉴定得到的代谢物的代谢途径进行注释。

2 结果与分析

2.1 不同品种高粱的超高效液相色谱-质谱数据分析

超高效液相色谱-质谱因其灵敏性高和分析范围广而在代谢组学中广泛使用。使用超高效液相色谱-质谱仪获取的不同品种高粱的总离子流图如图1所示（每个样品分别测定3次）。由图1可知，两种样品的出峰时间和范围基本一致，但在峰形和峰值上存在差别，表明两种高粱的代谢物成分存在差别。

为初步比较两种高粱的代谢物差异，对其代谢物进行PCA分析和分类，结果如图2所示。由PCA 3D评分可知[图2（a）]，川粱红9号组和东北粳高粱组的组间样本较为分散，整体差异大，而组内样本较为聚集，差异小，样本稳定性较好。说明两种高粱的代谢物具有明显差异。代谢物类型主要包括脂类和类脂分子（32.12%）、苯基丙烷类和聚酮类（15.91%）、有机酸及其衍生物（13.58%）等[图2（b）]，表明淀粉是高粱组分中占比最高的物质，而脂类化合物是高粱中种类最多的物质[4]。

2.2 不同品种高粱中的代谢物差异性比较

对PCA模型进行初步分析，模型稳定、可靠且组间差异明显，为进一步明确两种高粱中的差异代谢物，采用PLS-DA模型分析数据。根据PLS-DA结果[图3（a）]进行分析，发现从纵向来看，两组的样本聚集，组内重复性好；横向来看，两组样本间隔较远，组间代谢物具有明显差异。图3（a）中R2Y=1.00，表示所建模型对Y轴矩阵的解释率为100%；Q2Y=0.93，表示模型对Y轴矩阵的预测能力为93%。通常，R2、Q2数值越接近1，说明模型对观测数据的拟合程度和预测能力越好，越能反映不同品种高粱中代谢物的真实情况。为避免过度拟合而影响模型的可靠性，进一步对PLS-DA模型进行置换检验[图3（b）]。由置换检验结果可知，拟合值R2截距=0.94，预测值Q2截距=-0.86。其中，Q2截距＜0.05，表明预测的偶然性很小，具有较好的预测能力，且R2总是＞Q2，说明该模型可靠。

2.3 差异代谢物的筛选与表征

采用VIP＞1.0，FC＞1.5或FC＜0.667且P＜0.05作为筛选标准，进一步鉴定两种高粱中的差异代谢物。其中，上调表示在川粱红9号中差异代谢物含量相对更高（在东北粳高粱中差异代谢物含量相对更低），下调反之。在代谢物中筛选出148种上调、135种下调的显著差异代谢物[图4（a）]。差异代谢物在两组中的分布如图4（b）所示，川粱红9号高粱中洋川芎内酯A、酯蟾毒配基、冬凌草乙素、长春胺、灵芝酸H、甘草内酯、脂类（维生素D、8-异前列腺素）以及氨基酸化合物（L-同型半胱氨酸）等物质含量较高。而东北粳高粱中橙皮苷、表儿茶素、齐墩果酸、番麻皂素、五味子酚、血清素、氨基酸化合物（D-谷氨酰胺、γ-谷氨酰半胱氨酸、L-谷胱甘肽）、脂类化合物（二十二碳六烯酸）等物质含量较高。两种高粱的差异代谢物主要集中在脂类化合物、萜类、类黄酮、氨基化合物中。而代谢物成分的差异对白酒发酵过程中风味物质的形成具有重要影响，部分代谢物或作为风味贡献成分影响产品感官，或作为功能活性成分发挥健康调节功效。在发酵期间，高粱中脂类物质经微生物和生物酶的共同作用后，发生降解而溶出，赋予酒体丰富的脂肪酸。此外，少量的脂肪酸与乙醇在酶的催化作用下合成酯类化合物，经分解可产生一些醇、酸类物质，再经氧化还原生成醛类和酮类物质，从而使得白酒中的风味更加丰富[5]。ZHANG等[6]曾报道萜类物质（冬凌草乙素）对结直肠癌以及其他癌症具有抗癌活性。在发酵过程中，氨基化合物既可作为氮源为微生物提供营养，也可以在多种微生物酶的作用下分解生成氨基酸，再转化为高级醇、醛酮类、内酯类等独特的风味物质[7]。在发酵过程的高温环节，氨基酸还可以与还原糖发生美拉德反应，形成呋喃类、吡嗪类等多元杂环化合物，赋予白酒更多的焦香、坚果香等风味。这些风味化合物对于白酒，特别是酱香型白酒的风味有着重要的作用。

2.4 差异代谢物的代谢途径分析

为确定差异代谢物所参与的代谢途径，对筛选出的283个代谢物进行KEGG代谢途径分析，结果如图5所示。由图5（a）可知，代谢物参与的主要途径中，除全局和概览地图以外，占比最高的为氨基酸代谢（16.06%），其次为脂代谢（14.6%）。途径散点图表明[图5（b）]，较多代谢物注释的代谢途径包括苯丙氨酸代谢、色氨酸代谢、谷胱甘肽代谢、硫胺素代谢、亚油酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、花生四烯酸、脂肪酸生物合成以及不饱和脂肪酸生物合成等。这些途径主要涉及氨基酸生物合成和脂肪酸代谢，表明川粱红9号与东北粳高粱中主要氨基酸和脂类物质存在显著差异。

3 结论

本文通过对川粱红9号、东北粳高粱两种不同品种高粱籽粒中的代谢物进行分析发现，两种品种高粱代谢物的组成、含量均存在一定的差异。川粱红9号与东北粳高粱中所含的萜类、黄酮类化合物、脂类化合物、氨基化合物的含量和种类存在明显差异。这些差异可能导致白酒酿造过程中糟醅的发酵进度和风味物质发生变化，最终造成白酒整体品质的不同。但白酒品质还可能与原料、环境等多种因素相关，不同品种高粱在酿造过程中对酿造特性、白酒品质的香气成分和功能成分的影响有待进一步研究。

参考文献

[1]LI Y L，MA Y，ZHU H，et al.Identifying distinct markers in two Sorghum varieties for Baijiu fermentation using untargeted metabolomics and molecular network approaches[J].Food Chemistry：X，2024，23：101646.

[2]高旭，徐建霞，丁延庆，等.酿酒高粱籽粒理化品质及蒸煮特性分析[J].食品科技，2023，48（1）：159-166.

[3]张雪瓶，罗艳平，陈波，等.不同高粱品种对浓香型白酒生产的影响研究[J].酿酒科技，2022（4）：43-47.

[4]肖银，项兴本，倪永培，等.不同品种高粱在浓香型白酒酿造过程中的对比研究[J].酿酒，2023，50（3）：42-47.

[5]牛姣，沈毅，张贵虎，等.白酒酿造原料与酒体品质关系的研究进展[J].食品与发酵工业，2023，49（3）：322-328.

[6]ZHANG Z G，XU J J，LIU B，et al.Ponicidin inhibits pro-inflammatory cytokine TNF-α-induced epithelial–mesenchymal transition and metastasis of colorectal cancer cells via suppressing the AKT/GSK-3β/Snail pathway[J].Inflammopharmacolo-gy，2019，27：627-638.

[7]罗惠波，苟云淩，叶光斌，等.影响白酒中高级醇生成的工艺条件研究[J].中国酿造，2011，30（8）：87-90.

基金项目：四川省酿酒专用粮工程技术研究中心（2022-04）；中国轻工业重点实验室“酿酒生物技术与智能制造”（2023-02）。

作者简介：李强（1997—），男，四川巴中人，硕士在读。研究方向：酿酒专用粮对白酒风味及品质的调控机制。

通信作者：王凝（1988—），女，四川成都人，博士，副教授。研究方向：酿酒专用粮对白酒风味及品质的调控机制。E-mail： wangningzhuhui@hotmail.com。