基于代谢组学研究原花青素B<sub>1</sub>的肠道微生物代谢

原花青素B1 是膳食多酚黄烷-3-醇类化合物二聚体的典型代表（结构见图1），黄烷-3-醇类化合物基本组成单位的分子骨架是C6-C3-C6，即在两个芳香环（A 环、B 环）之间以1 个三碳链的吡喃环（C 环）相连，形成最基本的黄烷-3-醇单体，再以此聚合形成黄烷-3-醇聚合物（即原花青素，包括二聚体、三聚体直至高聚体等）。原花青素分为A 型原花青素和B 型原花青素，B 型原花青素是基本结构单元之间通过C4-C8 键或C4-C6 键连接而成，而A 型原花青素在C2-C7，C2-C5 之间形成醚键[1]。黄烷-3-醇类化合物分布广泛，水果及其制品、豆类、坚果、谷物、中草药等都是黄烷-3-醇类化合物的重要来源[1-2]。许多国内外研究都证明黄烷-3-醇类化合物在促进健康方面发挥着重要作用，如：抗氧化、抗炎，预防心血管疾病、癌症以及衰老相关的代谢综合症[3-4]。

自1964年，Griffiths 等[5]首次提出黄烷-3-醇类化合物的某些代谢产物的形成依赖于肠道菌群的作用后，研究者就对黄烷-3-醇类化合物的肠道微生物转化产生了极大的兴趣。尽管对黄烷-3-醇类化合物的代谢机制和生物利用度的认识有了很大的进步，然而，不同结构黄烷-3-醇类化合物经肠道微生物代谢的特征还不明确。黄烷-3-醇类化合物的结构虽有一定的相似性，但代谢产物出现差异，比较两种均以表儿茶素（Epicatechin，简写为EC）聚合形成的B 型二聚体和A 型二聚体的肠道微生物体外模型代谢时，发现两者都发生C4-C8间黄烷键的早期断裂和C 环的开环，且均存在不同的代谢产物，在A 型二聚体的代谢产物中检测到一种未知的代谢产物及更多的低分子质量酚酸，而在B 型二聚体中未有类似的发现，这可能是由于这两种二聚体经历了不同的降解途径[6-7]。此外，黄烷-3-醇类化合物低聚体间存在生理活性及作用机制的差异，荔枝核黄酮干预四氯化碳诱导的大鼠肝纤维化的研究发现，相比原花青素B4，原花青素A2 是更为重要的Q-maker（中药质量标志物）[8]。而原花青素B1 在细胞炎症[9-10]和激活交感神经活动[11]等方面具有重要意义。Nakagawa 等[12]发现EC 以及由EC 构成的B 型二聚体（原花青素B2）、B 型三聚体（原花青素C1）、B 型四聚体（[EC（4β-＞8）]3-EC）等分别通过不同的作用机制改善小鼠能量消耗，如：二聚体和四聚体显著提高了血浆去甲肾上腺素，而三聚体在血浆儿茶酚胺水平和棕色脂肪组织解偶联蛋白的表达等方面有显著的改善效果。这些可能与上述黄烷-3-醇类化合物的代谢途径和代谢特征密切相关。确定原花青素B1 的肠道微生物代谢途径与代谢产物，对于探究其生理活性意义重大。

现有黄烷-3-醇类化合物肠道微生物代谢机制的研究大都以其单体（儿茶素、表儿茶素等）展开，黄烷-3-醇单体经肠道微生物群介导的生物转化后，产生5-碳环裂变代谢产物，如：5-（羟基苯基）-γ-戊内酯和5-（羟基苯基）-γ-戊酸，进而可降解为几种酚酸，即苯丙酸、苯乙酸、苯甲酸和马尿酸[13-14]。对于不同聚合度的二聚体、三聚体以及A 型结构和B 型结构的黄烷-3-醇类化合物的代谢与转化机制鲜有报道。目前对于特定结构黄烷-3-醇类化合物代谢产物的研究主要有原花青素A2[15]、表没食子儿茶素没食子酸酯构成的A 型二聚体[7]、表儿茶素构成的三聚体（EC-（2β-＞7，4β-＞8）- EC-（4β-＞8）-EC）[15]、原花青素B2[16]，然而，这些研究均未完全明确代谢路径。

体外模型是探究黄烷-3-醇类化合物代谢机制的有效方法，这种方法容易进行，且母体化合物不受体内吸收和代谢的影响，代谢物以相对高的浓度存在[17]。现有的体外模拟研究主要以大鼠粪便、人类粪便展开，然而，Almeida 等[18]的研究证实盲肠菌群与粪便微生物群有很大不同，即使采用人类粪便标本也不能准确反映黄烷-3-醇类化合物在体内经盲肠微生物的代谢与转化情况。有研究进而提出猪盲肠模型，这是因为猪相对于其它非灵长类哺乳动物而言，与人类更加相近，消化解剖学、生理和营养上都存在相似之处，而且与结肠接近的一端盲肠被认为对摄入的食物具有最高的发酵速率[19]。也有研究采用16S rRNA 寡核苷酸探针荧光原位杂交，证实猪盲肠的微生物群特征对人体肠道微生物代谢研究的适用性[20]。猪盲肠模型不失为研究食品成分的肠道微生物群代谢的比较理想的工具。

本研究目的是尝试解析原花青素B1 的代谢路径。主要以猪盲肠微生物体外孵育为研究模型开展，采用TOF-MS/MS 检测不同时间点的代谢产物，借助代谢组学分析方法，根据鉴定与筛选到的代谢产物，明确原花青素B1 可能的代谢路径。为揭示结构更复杂的黄烷-3-醇类膳食多酚的体内代谢及调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原花青素B1（HPLC 纯度98%），源叶生物科技有限公司；刃天青，上海伊卡生物公司；L-半胱氨酸，德国Biofrox 公司；甲醇、乙腈、甲酸（色谱纯），美国Thermo Scientific 公司；盐酸、乙酸乙酯，上海沪试化工有限公司；配置厌氧培养基的化学试剂，均来自上海沪试化工有限公司。

1.2 仪器与设备

Triple TOF 5600 高分辨飞行时间质谱仪，加拿大AB Sciex 公司；ULTIMATE 300 超高效液相色谱仪，美国Thermo Scitific 公司；855-AC 厌氧操作台，美国PLAS LABS 公司；LC-DCY-12G 干式氮吹仪，上海立辰科技有限公司；BXM-30R 高压灭菌锅，上海博讯公司。

1.3 方法

1.3.1 猪盲肠微生物的获取从新鲜屠宰的猪中获得所需的盲肠末端内容物。猪年龄10～12 个月，屠宰过程中取得整个肠组织，立即放入厌氧袋，并迅速带回实验室，在厌氧操作台中解剖盲肠，取得盲肠末端内容物，分装于无菌离心管中，并在厌氧条件中称重、标记。最后在离心管中加入50%甘油、密封、保存于-80 ℃条件下。

1.3.2 厌氧培养基的制备培养基的配置参考Ou 等[21]的方法，并进行了改良。

配置厌氧基础培养基（g/L）： NaHCO3 9.240、Na2HPO4·2H2O 3.542、NaCl 0.470、KCl 0.450、Na2SO4·10H2O 0.227、CaCl2 0.055、MgCl2·6 H2O 0.100、尿素0.400。

配置微量元素溶液（mg/L）： FeSO4·7H2O 3 680、MnSO4·H2O 1 159、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O 120、CuSO4·5H2O 98、（NH4）6MO24·4H2O 17.4。

每升基础培养基分别加入10 mL 的微量元素溶液、0.5 mL 0.1%的C12H17NO4（刃天青，厌氧指示剂）、0.5 g L-半胱氨酸（还原剂），最后使用6 mol/L 盐酸调pH 值至6.0～6.5。

将培养基放在连续氮气气流下吹若干小时，以便排除培养基中的气泡，直至厌氧指示剂变为无色，然后进行高压灭菌（121 ℃、20 min）。

1.3.3 原花青素B1 与猪盲肠微生物共孵育培养取出预先保存好的猪盲肠内容物，将其放在37 ℃培养箱中复苏。

以下所有操作均在厌氧操作台中进行，并且所有使用的工具均进行了高压灭菌处理。

根据盲肠内容物的质量，用1.3.2 节的厌氧培养基制备菌悬液，使菌悬液浓度为10 g/100 mL 厌氧培养基，摇匀菌悬液，依次用1 层纱布和4 层纱布进行过滤。将过滤的菌悬液分成3 份，其中1 份进行高压灭菌处理（121 ℃、20 min）。

孵育过程设置3 个分组，具体如下：1）B1 组：原花青素B1 样品以0.25 mmol/L 的浓度加入未灭菌的菌悬液中，混合均匀，分装于小培养皿中，制备2 mL 的厌氧孵育培养基；2）灭菌组：原花青素B1 样品以0.25 mmol/L 的浓度加入已灭菌的菌悬液中，混匀并制备2 mL 孵育培养基；3）空白组：只含有未灭菌的菌液，混匀并制备2 mL 培养基。

拟定孵育过程中的6 个时间点（0，2，4，6，10，18 h），每种处理与每个时间点设置6 个平行，将所有培养基放入厌氧培养箱，在37 ℃下进行培养。

1.3.4 发酵液样品的处理样品的处理方法参考Ou 等[21]和Stoupi 等[22]拟定孵育过程中的6 个时间点（0，2，4，6，10，18 h），将每个时间点的平行样品取出立即处理。使用6 mol/L 的盐酸调节发酵液的pH 值，为停止微生物反应使pH 值接近1，加入等量乙酸乙酯萃取，进行3 次萃取并收集上清，氮气流吹干上清液，密封保存（-20 ℃），

1.3.5 孵育液代谢产物的分析进行孵育液代谢产物的分析前，取出被氮气流吹干的样品，加入2 mL 70%甲醇复溶，过0.45 μm 有机滤膜，然后进行UHPLC-TOF-MS/MS 分析，分析方法参考Chen等[23]液质条件如下：

TOF-MS/MS 分析条件：使用电喷雾电离模式（ESI-），离子喷射电压为-4 500 mV，-60 V 电压，毛细管温度为550 ℃，鞘气流速为55 Arb，辅助气流速为35 Arb，全扫描TOF MS 模式中滞留时间为250 ms，MS/MS 模式下滞留时间为 70 ms，扫描质量范围（m/z）为100～1 500。

液相分析条件：采用Thermo Hypersil GOLD C18 （100 mm×2.1 mm，1.9 μm）色谱柱，柱温30℃。A 相为0.2%甲酸水溶液，B 相为色谱纯乙腈，分析采用梯度洗脱。具体的洗脱条件如下：0 min，5% B、3 min，5% B、10 min：30% B、25 min，40%B、26 min，5% B；流速0.3 mL/min；进样量为2 μL。

1.3.6 数据分析非靶向代谢组学分析代谢产物：使用Progenesis QI 软件（Waters，美国）对UHPLC-TOF-MS/MS 原始数据进行峰提取、峰对齐、归一化等处理。

使用Ezinfo 进行采用主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）和变量重要性投影分析（VIP）来筛选各组间具有显著差异的代谢物。对所有数据进行帕累托标度后进行PCA 分析，考察无监督模式下各组差异。进而分别选取每个时间点B1 组/灭菌组、B1 组/空白组进行OPLSDA 分析筛选组间差异代谢产物，筛选条件为：选择协方差|p（1）|＞0.05、最小OPLS-DA 载荷系数|pcorr（1）|＞0.5、VIP ＞1.5，同时P＜0.05（双因素方差分析）。将各个时间点的差异性代谢产物合并，使用人类代谢组数据库（HMDB）（http：//www.hmdb.ca/）及相关文献报道对其进行解谱。

2 结果与分析

2.1 原花青素B1 与猪盲肠微生物孵育后的代谢组学研究

首先，采用主成分分析法（PCA）进行代谢组学研究，该模型的第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）占个体变异的45.9%。结果显示灭菌组与空白组和B1 组形成显著的差异（见图2）。灭菌组几乎不随孵育过程发生明显变化，而空白组和B1 组随孵育时间的增加，孵育样品中代谢产物也在不断地发生变化，PCA 得分图显示了各个时间点的样品具有良好的聚类。

为了进一步说明原花青素B1 的代谢与肠道菌群的关系，将微生物作为因变量，计算PCA 图中灭菌组和B1 组的欧氏距离（图3），B1 组由于微生物的代谢作用持续发生变化，灭菌组在0～18 h变化不显著，两组样品的代谢产物之间的差异在2 h 时表现差异（P＜0.01），并且在6 h 时这种差异达到最大。经过猪盲肠菌群孵育后，原花青素B1代谢组学产生的显著变化是因微生物的作用而引起的。

为了筛选原花青素B1 产生的主要差异代谢产物，我们采用监督多变量统计分析OPLS-DA 对各个时间段各组间代谢物进行筛选，从6 个时间点中分别筛选出64，88，88，83，70，100 个差异性成分，合并后共有205 个。

2.2 原花青素B1 的差异代谢产物鉴定

基于HMDB 数据库和相关文献报道，对OPLS-DA 和VIP 筛选得到的所有代谢物进行解析，共解析出21 种差异代谢物，结果见表1。

这些化合物在孵育18 h 期间的动态变化在热图（图5）中显示，颜色深浅反映了这些代谢物的标准化丰度变化，该丰度由质谱峰进行log2 转化后的平均丰度值计算得到。

上述解谱所得到的代谢产物主要分为3 类。

第一类是具有完整C6-C3-C6 分子骨架的代谢产物，主要包括儿茶素和原花青素B1 及其衍生化代谢产物，这一部分的鉴定主要依赖于原花青素B1 的特征碎片：m/z 577.1242 [M-H]-、m/z 451.0929[经历杂环裂解途径后（HRF heterocyclic ring fission）形成]、m/z 425.0855 [由RDA （Retro Diels-Alder reaction）途径形成]、m/z 407.0750 [经历RDA 途径，并脱去一分子H2O 形成]、m/z 289.0739[C15H13O6]-[24-25]。具体有6 种：儿茶素（Catechin）、原花青素B1（Procyanidin B1）、原花青素B1 水合物（Procyanidin B1·2H2O）、原花青素B1·二硫酸盐（Procyanidin B1·2 sulfate）、二水合-3'/4'--甲氧基-原花青素B1-硫酸盐（3'/4'-O-methyl procyanidin B1 sulfate·H2O）、二水合-3'/4'-甲氧基原花青素B1 （3'/4'-O-methyl procyanidin B1·2H2O）。大多数原花青素B1 都经过了水合化、甲基化和硫酸盐化的作用。原花青素易发生的这类衍生化，在原花青素B2 的代谢研究中也有类似的发现[25]。这几种代谢产物在B1 组和灭菌组中均有出现。这表明可能不是微生物的作用导致了这一变化，可能是与培养基的相互作用自发形成的。在60 ℃的水溶液中，（-）-表儿茶素、（-）-儿茶素、原花青素B2 等都自发地发生了异构和聚合等化学变化[26]。

第二类是基本骨架中C 环开环的代谢产物，这类化合物是黄烷-3-醇类化合物代谢途径中的关键步骤，在本研究中仅发现了1 种，即1-（3'，4' -二羟基苯基）-3-（2''，4''，6''-二羟苯基）-2-丙醇（1-（3'，4'-Dihydroxyphenyl）-3-（2''，4''，6''-dihydroxyphenyl）-2-propan-ol 简写为DHP-OL），m/z 为：291.0870 [C15H15O6]-。

第三类代谢产物完全失去了C6-C3-C6 分子骨架，它们主要是通过离子碎片和HMDB 比对完成鉴定工作，这类化合物共有14 种：5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯（5-（3，'4'-Dihydroxyphenyl）-γ-valerolactone）、4-羟基-5-（4'-羟基苯基）-戊酸（4-（Hydroxyphenyl）-5-（4'-Hydroxy）valeric acid）、苯甲酸（Benzoic acid）、3-羟基苯甲酸（3-Hydroxybenzoic acid）、4-羟基苯甲酸（4-Hydroxybenzoic acid）、邻苯二酚（Pyrocatechol）、4-羟基异戊酸（4-Hydroxyisovaleric acid）、3，4-二羟基扁桃酸（3，4-Dihydroxymandelic acid）、异阿魏酸（Isoferulic acid）、3-苯丙酸（3-Phenylpropionic acid）、咖啡酸（Caffeic acid）、3-甲氧基苯甲酸（3-Methoxybenzoic acid）、3-羟基苯丙酸（3-Hydroxyphenylpropanoic acid）、3，4-二羟基苯丙酸（3，4-Hydroxyphenylpropanoic acid）。其中苯基戊内酯、苯甲酸、3-羟基苯甲酸也被鉴定为原花青素二聚体的主要代谢产物[27-29]。热图（图4）中差异性酚酸代谢产物主要是苯甲酸、4-羟基苯甲酸、3-羟基苯丙酸、3-苯丙酸和异阿魏酸等。

2.3 主要代谢产物的动态变化

主要代谢产物的动态变化见图5。

原花青素B1 的含量随孵育时间的延长，丰度逐渐降低，在2 h 时50%的原花青素B1 消失，在6 h 时基本消耗殆尽，这一代谢过程速度相当快。同样地，在Van't 等[30]的研究中也有类似的发现，他们也使用了猪盲肠微生物体外代谢模型，研究显示2 h 内62%的原花青素B5 被分解，之后降解率降低，但是仍然几乎在4 h 内完全消失；而原花青素B2 也是在4 h 内几乎完全降解。原花青素A2 与猪盲肠微生物群孵育6 h 后，约80%的原花青素A2 消失[15]，这些都表明黄烷-3-醇二聚体能被肠道微生物以较高的速率进行代谢。但是在0 h 时，B1组和灭菌组的母体化合物丰度差异较大，这一现象可能与原花青素B1 形成硫酸盐有关，0 h 时，B1组形成硫酸盐衍生物的比例高于灭菌组，可能是未高压灭菌的培养基更容易发生与硫酸盐的结合。原花青素B1 与其硫酸盐衍生物的丰度之和在0 h 是趋于相等。我们的研究中整个孵育过程中灭菌组的母体化合物也同样在逐渐降低，这一现象同样在原花青素B2 肠道菌群孵育中出现，VAN'T SLOT [31]的研究发现在灭菌的菌悬液中孵育原花青素二聚体8 h 后，接近50%二聚体消失，却未形成任何代谢产物，研究者将这种现象解释为原花青素B2 与培养基中蛋白质的结合。原花青素二聚体、三聚体等低聚物的生物利用度因其与蛋白的相互作用受到影响[32]。

虽然B 型原花青素的肠道微生物机制未被明确，但是其与肠道微生物共孵育过程中黄烷键断裂形成黄烷-3-醇单体一直被认为是其微生物代谢的代表路径之一，本研究中发现了儿茶素的产生，但是对于B1 的初始丰度来说，相当于仅有4%左右的B1 通过形成单体儿茶素的途径发生了代谢。此前就有报道指出，原花青素B2 与人类粪便菌群孵育过程中只有不到10%的B2 通过断裂黄烷键这一途径代谢[33]。本研究中表儿茶素在2～4 h之间丰度最高，4 h 之后基本消失。事实上，Aura等[34]发现单体黄烷-3-醇的代谢速度很快，1 μmol黄烷-3-醇单体在10 mL 5%的粪便悬浮液发酵体系中2 h 内就可以完全代谢。在我们的研究中发现，在0 h 时灭菌组也出现了儿茶素，这可能是由于自然降解或者孵育基质引起的化学降解。Van't等[31]在没食子儿茶素没食子酸酯的灭菌组中也检测到少量没食子酸和没食子酸儿茶素，孵育基质的复杂性使我们不得不考虑到这种可能性。

DHP-OL 和5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯也被检出，它们也是原花青素经过体内微生物代谢过程中的关键性产物。DHP-OL 在18 h 时达到峰值，5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯在2 h时达到峰值，由此可见5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯不一定只能经历C 环开环途径后形成，更容易由原花青素结构单元直接裂解形成，并且这一过程非常迅速。Serra 等[29]在一项儿茶素的体外发酵研究中，发现在孵育24 h 后仍然有儿茶素开环产物存在，在孵育48 h 后仍然有5-（3'，4'-二羟基苯基）-戊内酯存在，由此他们认为形成儿茶素开环产物的途径与形成5-（3'，4'-二羟基苯基）-戊内酯的途径是两个平行但不独立的代谢途径，可以同时产生，儿茶素开环产物和儿茶素都可以直接形成5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯。本研究中苯基戊内酯的转化率仅有1.5%，已有研究表明儿茶素和表儿茶素转化为羟基苯基戊内酯的转化率最高可以达到22%，而原花青素低聚体的转化非常有限，仅为单体转化率的1/10[35]。在空白组中从0 h 开始，整个孵育过程中都有少量的5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯出现，这可能与猪盲肠样品中残留的纤维发酵有关[29]。

3-羟基苯丙酸、苯甲酸和4-羟基苯甲酸产生峰值的时间大约是6 h。3-羟基苯丙酸的出现时间主要在4～10 h；苯甲酸和4-羟基苯甲酸主要出现在4～18 h，含量高于5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯，说明苯甲酸和4-羟基苯甲酸的形成不依赖于5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯和4-羟基-5-（4'-羟基苯基）-戊酸等上游代谢产物。Stoupi等[22]在研究中发现基于原花青素B2 上部结构单元A 环裂解或C 环裂解形成了5-（2'，4'-二羟基）苯基-2-烯戊酸、5-（3'，4'-二羟基苯基）戊酸、3-羟基苯丙酸和苯乙酸，因此原花青素二聚体上部结构单元可以直接裂解形成酚酸，本研究中苯甲酸和4-羟基苯甲酸的大量形成可能是基于原花青素B1 上部结构单元的裂解。

2.4 原花青素B1 的肠道微生物路径

根据原花青素B1 非靶向代谢组学分析，推测原花青素B1 的代谢路径见图6。

早期代谢路径1：原花青素B1 首先经历黄烷键断裂，下部结构形成儿茶素，儿茶素进一步发生C 环开环，形成开环产物（DHP-OL），进一步代谢为5-（3'，4'-二羟基-苯基-）-γ-戊内酯。

早期代谢路径2：原花青素B1 下部结构单元经历A 环裂解形成苯基戊内酯。路径1 和路径2可以同时进行。

早期代谢路径3：本研究中可能存在原花青素B1 上部结构单元裂解直接形成酚酸类化合物的路径，这可能是导致酚酸类化合物在原花青素B1 代谢产物占主导的原因。

晚期代谢路径：主要是5-（3'，4'-二羟基-苯基-）-γ-戊内酯继续代谢为4-羟基-5-（4'-羟基苯基）-戊酸。其次，晚期代谢路径中α-氧化、β-氧化引起的侧链缩短和脱羟基作用也很重要，使苯基戊酸进一步转化为3，4-二羟基苯丙酸、3-羟基苯丙酸、4-羟基苯甲酸和苯甲酸等。

3 结论

通过代谢组学的分析方法，在猪盲肠微生物体外代谢研究中筛选和鉴定到21 种与原花青素B1 直接相关的代谢产物，这些代谢产物的动态变化显示：原花青素B1 经过肠道菌群的代谢相当快速，基本在6 h 时消耗殆尽；相应地，代谢产物儿茶素和5-（3'，4'-二羟基苯基）-γ-戊内酯在2～4 h 之间大量产生，此外，苯丙酸和苯甲酸等在6 h达到峰值，在4～18 h 之间持续产生。对原花青素B1 的代谢路径的解析表明：原花青素B1 可能通过3 种路径进行代谢，分别是：经历黄烷键断裂，下部结构形成儿茶素，儿茶素进一步发生C 环开环，形成儿茶素开环产物；原花青素B1 下部结构单元经历A 环裂解形成苯基-γ-戊内酯；原花青素B1上部结构单元裂解直接形成酚酸类化合物。本研究可为揭示结构更复杂的黄烷-3-醇类膳食多酚的体内代谢以及对体内各种代谢综合征的调控提供代谢方面的理论依据。

武汉中粮肉食品有限公司以及陈鹏老师和其同事在论文写作过程中给予了非常大的帮助，在此，表示由衷的感谢。

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基于代谢组学研究原花青素B1的肠道微生物代谢