基于NMR代谢组学技术对山药化学成分的研究

张敏 焦宏 郭捷

（山西省分析科学研究院，山西太原030006）

·基础研究·

基于NMR代谢组学技术对山药化学成分的研究

张敏*焦宏 郭捷

（山西省分析科学研究院，山西太原030006）

试验采用基于NMR代谢组学的技术，分别对生山药饮片、麸炒山药及食用山药的化学成分进行了研究，检测出30多种化合物，包括腺苷、胆碱、多种氨基酸、有机酸及糖类等物质，其中有14种是3种山药的共有成分。另外，对引起生山药与麸炒山药、食用山药与药用山药差异的化学成分进行了指认，初步了解了炮制对山药化学成分的影响及山药药材与食材的差异。

山药；炮制品；代谢指纹；NMR；化学成分

山药（Dioscorea batatas Decne）又名大薯、薯蓣、山芋等，是薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea L）多年生缠绕草质藤本植物，药用其块茎，始载于《神农本草经》，被列为上品。山药根茎肉质洁白，营养丰富，是一种国际性药食兼用作物，也是我国重要的出口特产蔬菜之一。山药及其制剂广泛、有效地应用于临床，其炮制方面的研究也经历了不断发展深入的过程，其历代炮制方法有清炒、麸炒、土炒、米炒等。麦麸味甘性平，具有中和的作用，山药经麦麸炒制后可增强其补脾作用。生山药与麸炒山药为中医临床常用品种，生品以补肾生精，补脾肺之阴为主，用于脾虚久泻，或大便泄泻；麸炒品健脾和胃作用增强，用于脾虚泄泻、久痢不止、尿频、遗尿等症状。山药广泛分布于我国东北、华北、华中、东南、西南等丘陵和浅山地区，并形成许多地方品种，如太谷山药，怀庆山药，白玉山药，花籽山药和铁棍山药等。

近年来，许多研究者致力于山药的研究分析，发现其具有许多活性成分，如糖类、蛋白质、氨基酸、微量元素等。现阶段主要是应用GC-MS、HPLC等方法对山药进行研究。白冰等人采用硅胶柱色谱分离纯化，薄层色谱及波谱对山药的化学成分进行分析，分离并鉴定了棕榈酸、油酸、β-谷甾醇醋酸酯等12个化合物；王勇等人还利用GC-MS等技术，研究了怀山药的脂肪酸成分，共检测出27种脂肪酸，其中含有8种对人体有益的不饱和脂肪酸；张芳芳等人用HPLC法测定了麸炒山药饮片中尿囊素的含量，发现不同产地麸炒山药中尿囊素的含量差异较大。气相色谱用于测定有挥发性的物质或者是能够用衍生等方法使之挥发的物质，而液相色谱则更适用于测定那些具有生色团或官能团的物质。同时在测定过程中，二者均需要一个分离过程，一些微量成分可能会损失。

植物代谢组学（Metabolomics）是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后兴起的一门新学科，是系统生物学的重要组成部分。它是对生物体内所有代谢物进行分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方法。核磁共振（NMR）由于其灵敏性、无损性以及能够根据特征峰定性的探测代谢物成分等优点，已发展为代谢组学中最常用的化学分析检测技术。核磁测定样品是非破坏性的，且只要很少的样品预处理，就可以获得提取物的结构信息，具有较好的重现性。用规范的提取分离程序获得的特征提取物的核磁共振指纹图谱，基本代表了植物中药的整体化学组成，可以客观、全面地反映植物中药的特征。中药的物质基础是化学成分，化学成分通过试验方法可以表征为指纹图谱。根据文献调研，秦海林等人对人参、天麻、黄连、虎杖、何首乌和掌叶大黄等天然药物分别选择适当的提取分离工艺，制备其特征总提物，测定了其1HNMR指纹图谱。结果表明，所研究各种植物中药的1HNMR指纹图谱均有高度特征性和重现性，同一品种不同产地的样品的1HNMR指纹图谱有很好的一致性，人参、天麻等多种植物中药特征总提取物的1HNMR指纹图谱主要显示了其活性成分的特征共振峰。本试验在前人研究的基础上建立了山药的1HNMR指纹图谱，测定并解析了山药生品、炮制品及食用山药化学成分的1HNMR图谱，从而了解了3种山药化学成分的差别。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

山药饮片，购于黄河大药房；麸炒山药，购于荣华大药房；食用山药，购于美特好超市。

甲醇，分析纯，北京化工厂；氘代甲醇，德国默克公司；Buffer缓冲液，pH值为6.0；蒸馏水。

Bruker 600-MHz AVANCEⅢ核磁共振波谱仪，布鲁克公司；KQ5200E型超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；RE-52A旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；TGL-16高速台式冷冻离心机，长沙湘仪离心机有限公司；ESJ120-4电子天平，沈阳龙腾电子称量仪器有限公司；XW-80A涡旋混合器，上海精科实业有限公司。

1.2 试验方法

分别将干山药药材、麸炒山药药材、新鲜的长山药称取400 mg进行液氮研磨，加入体积浓度50%的甲醇溶液6 mL，涡旋1 min，超声提取30 min，3 000 r/min离心30 min，移取上清液至25 mL的圆底烧瓶，挥干试剂，残渣加入400 μL的缓冲液和400 μL的CD3OH溶解，13 000 r/min离心15 min，转移600 μL溶液至核磁管中，分别进行核磁共振分析。

2 结果与讨论

3种山药氢核磁总图谱如图1所示。在氢核磁图谱上，山药的信号分布在δ9.20～δ0.92之间。根据核磁共振谱线所对应的化合物特征，可将谱图分为“氨基酸区”“碳水化合物区”“芳香区”3个区域。

图1 3种山药的1HNMR总图谱

为了更直观清晰地对3种山药的成分进行对比分析，下页图2为3种山药的1HNMR图谱局部放大图。

氨基酸区处于谱图的高场端（δ3.0～δ0.0），这部分的信号比较清晰，容易识别。特征吸收峰从高场到低场依次为亮氨酸δ0.98（d，6.0 Hz），δ0.96（d，6.0 Hz），异亮氨酸δ0.96（t，7.0 Hz），δ1.02（d，7.2 Hz），缬氨酸δ1.00（d，7.2 Hz），δ1.05（d，7.2 Hz），苏氨酸δ1.33（d，6.6 Hz），乳酸δ1.35（d，6.6Hz），丙氨酸δ1.48（d，7.2Hz），精氨酸δ1.67（m），δ1.73（m），δ1.91（m），丙酮酸δ2.21（s），r-氨基丁酸δ2.31（t，7.2 Hz），δ3.01（t，7.2 Hz），谷氨酰胺δ2.41（m），苹果酸δ2.47（dd，15.3，9.4 Hz），柠檬酸δ2.72（d， 16.2 Hz），δ2.55（d，16.2 Hz），天冬氨酸δ2.64（d，9 Hz），δ2.81（dd，17.4，3.6 Hz），天冬酰胺δ2.96(dd，16.8，9.0 Hz），δ2.85（dd，7.8，3.6 Hz）。与麸炒山药、干山药饮片相比，食用山药各成分含量较高。与食用山药相比，麸炒山药和和山药饮片δ1.18（t，7.2Hz）附近新增葡萄糖苷特征吸收峰，δ2.21（s）附近新增丙酮酸特征吸收峰，推断为炮制后的产物。

碳水化合物区处于谱图的中段（δ5.5～δ3.0），主要包含了糖类和氨基酸的α-H的信号。这一区域的信号相对较强，具有明显的糖类化合物的信号特征，如葡萄糖的α、β端基差向异构体能够很清晰的鉴别出来，它们各自的双重特征峰极为明显，α：δ5.18（d，3.6 Hz），β:δ4.57（d，7.8 Hz）；5.40（d，3.6 Hz）被归属于蔗糖的特征信号峰。与麸炒山药、干山药饮片相比，食用山药δ4.28（dd，9.4，3.3 Hz），苹果酸含量较高，δ5.37（s）独有尿囊素特征吸收峰。与食用山药相比，炮制后的山药蔗糖含量降低，β-葡萄糖、α-葡萄糖含量增加，麸炒山药比山药饮片增加更明显。

芳香区处于谱图的低场端（δ9.2～δ5.5），信号与其他2个区域的信号相比相对较弱，特征吸收峰从高场到低场依次为尿苷δ5.87（dd，24.6 Hz，6.6 Hz），δ7.93（d，8.4 Hz），腺苷δ6.02（d，6.6 Hz），δ8.35（s），δ8.23（s），鸟苷δ5.93（d，7.8 Hz），马来酸δ 6.30（s），富马酸δ6.54（s），色氨酸δ7.14（d），δ7.21（t），δ 7.29（s），δ7.47（d，8.4Hz），甲酸δ8.47（s），葫芦巴碱δ9.15（s），δ8.86（dd，12，7.2 Hz），δ8.09（t，6.6 Hz）。炮制后麸炒山药新增加5-羟甲基糠醛特征吸收峰δ6.66（d，3.6 Hz），δ7.52（3.6），δ9.47（s）。δ6.52（d，3.6 Hz）、δ7.25（d，3.6 Hz）为其他5-羟甲基糠醛类似物特征吸收峰。

3种山药化学成分及其氢核磁共振数据见下页表1。

图2 3种山药的1HNMR图谱局部放大图

3 结论

作为一种新型科学技术，核磁代谢组学技术被应用于植物化学成分的鉴定与分析，具有简单、快速、高效的等特点。本试验将核磁共振技术应用于山药的化学成分的分析，利用了核磁共振自身多手段的技术优势，并结合代谢组学技术的整体评价性，对3种山药样品进行了1HNMR分析，进而掌握了3种山药的化学成分以及它们之间的差异，为更好的开发利用山药的营养价值提供参考依据，对于我国药用资源的开发有着积极的意义。该方法在1HNMR测量中有效的消除了样品中水分对测量的干扰，而且简化了样品的预处理环节，所获取的1HNMR清晰，信息完整，达到了指纹谱的基本要求，故可以应用于更为广泛的领域。

表1 3种山药化学成分及其氢核磁共振数据

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Studies on chemical constituents of the yam by1HNMR-based meta bolomics

ZHANGMin*JIAOhong GUOJie
（Analytical science research institute of Shanxi province，Shanxi taiyuan 030006，China）

The studies on chemical constituents of dried yam slices,bran fried yam and edible yam were carried out respectively by means of1HNMR-based metabolomics.Over thirty compounds including adenosine,choline,amino acids, organic acids,sugars and other substances were detected,of which fourteen were common components in three kinds of yams.Their respective characteristic chemical compositions were indicated.Effect of processing on the chemical components of yam and the differences between edible yam and dried yam slices,bran fried yam were reviewed.

yam；processed products；metabolic fingerprinting；NMR；chemical constituent

TS255.5

A

1673-6044（2014）04-0019-05

10.3969/j.issn.1673-6044.2014.04.007

*张敏，女，1982年出生，2009年毕业于山西大学无机化学专业，硕士，工程师。

2014-11-21