李焕茹,冯志毅,赵 迪,胡雁萍,李 柯,冯素香
1河南中医药大学;2呼吸疾病中医药防治省部共建协同创新中心;3郑州市中药质量控制与评价重点实验室,郑州 450046
女贞子为木犀科植物女贞(LigustrumlucidumAit.)的干燥成熟果实,女贞子的炮制基本继承了古代炮制方法,以净制后生用、酒蒸和酒炖为主[1]。生女贞子在补肝肾的同时更倾向于清肝明目、滋阴润燥,而酒制不仅缓解了女贞子的凉滑之性,还增强了女贞子补肝肾的作用。女贞子功效发生变化的根本原因可能是女贞子酒制过程中化学成分的变化。女贞子的质量控制和评价大多基于指纹图谱[2-4]、集中于几个已知的成分的变化[5-8]、对炮制品进行化学成分的鉴别[9]、采用成分鉴别结合多变量统计分析女贞子化学成分[10-12]。缺乏一种全面、快速的分析方法对女贞子酒制前后的化学成分进行系统分析。
基于质谱的分子网络是一种新的可用于鉴别中药的化学成分的方法。化学结构相似的化合物具有相似的质谱碎片,在GNPS中通过数据处理这些质谱碎片可以自动聚集成分子网络,以快速识别化合物的不同类别。并且,通过设置组别,产地、药用部位及炮制方法不同的中药样品间的化学成分特征可以在分子网络的饼图上可视化。因此,该技术可用于鉴别中药不同炮制品的化学成分[13,14]。多元统计分析是一种广泛应用于中药差异化学成分识别的分析方法[15]。多元统计分析与分子网络联合应用来鉴别中药化学成分,筛选差异性化学成分,可以得到更直观和准确的结果。
本研究综合了UPLC-Orbitrap-MS技术、分子网络技术并结合主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)对女贞子酒制前后的化学成分进行分析,探究酒制对女贞子化学成分的影响,是鉴别生女贞子、酒女贞子中化学成分和筛选差异性化学成分的一种新的合理策略,为女贞子及其炮制品的物质基础研究提供了参考。
Vanquish高效液相色谱仪(Accucore C18(2.1 mm×100 mm,2.6 μm)色谱柱,Thermo Scientific);Orbitrap Fusion超高分辨质谱仪(Thermo Scientific);ME204E分析天平(梅特勒-托利多上海仪器有限公司);KQ-700DE超声波清洗器(江苏省昆山市超声仪器有限公司) ;Milli-QPOD超纯水仪(德国Merck公司)。
羟基酪醇(批号MUST-15040805,纯度≥98%)、红景天苷(批号MUST-16041802,纯度98.96%)、芸香苷(批号MUST-16031712,纯度98.87%)、木犀草苷(批号MUST-14060918,纯度≥98%)、特女贞苷(批号MUST-16021904,纯度98.01%)、橄榄苦苷(批号MUST-16052512,纯度99.72%)、松果菊苷(批号MUST-17030701,纯度98.88%)均购于成都曼思特生物科技有限公司。甲醇、乙腈(美国TEDIA公司);甲酸为质谱纯,购自赛默飞世尔科技(中国)有限公司;超纯水(自制)。女贞子样品经河南中医药大学陈随清教授鉴定为木犀科植物女贞(LigustrumlucidumAit.)的干燥成熟果实(见表1)。
表1 女贞子样品信息
取女贞子饮片,按《中国药典》2020年版通则0213炖法进行酒女贞子的炮制,按女贞子-黄酒5∶1比例混入黄酒中,拌匀,密闭闷润4 h,在闷润过程中,每隔0.5 h搅拌1次,置于蒸锅中水蒸汽炖4 h,至女贞子呈黑褐色,取出,晾干备用,得到酒女贞子。
分别取羟基酪醇、红景天苷、芸香苷、木犀草苷、特女贞苷、橄榄苦苷、松果菊苷对照品适量,精密称定,加甲醇制成一定质量浓度的混合对照品储备液。置4 ℃冰箱保存备用。
取女贞子粉末约2 g,精密称定,分别置于50 mL具塞锥形瓶中,加入80%的甲醇25 mL,称定重量,超声提取(功率:700 W,频率:40 kHz)1 h,放冷,用80%的甲醇补足减失重量,摇匀,过滤,用0.22 μm微孔滤膜滤过,取续滤液,即得。
取黄酒2 g,精密称定,置于50 mL量瓶中,加水稀释至刻度,离心,用0.22 μm微孔滤膜滤过,取续滤液,即得。
Accucore C18(2.1 mm×100 mm,2.6 μm)色谱柱;流动相为乙腈(A)-0.1%甲酸水(B);梯度洗脱(0~8 min,20%A→30%A;8~18 min,30%A→37%A;18~22 min,37%A→38%A;22~24 min,38%A→79%A;24~37 min,79%A→100%A;37~39 min,100%A→5%A;39~42 min,5%A→20%A);流速0.2 mL/min,进样量5 μL,柱温25 ℃。
电喷雾离子化源(ESI),正、负离子扫描;喷雾电压+3.50、-2.50 kV,毛细管温度300 ℃,载气为氮气,鞘气压力3.5 Mpa,辅助气压力1.0 Mpa,辅助器加热温度275 ℃,分辨率120 000,扫描范围m/z150~1500。
Compound Discoverer 3.1、Cytoscape 3.8.0、GNPS(http://gnps.ucsd.edu)和SIMCA 14.1均用于数据分析。
GNPS参数如下:质量误差小于0.2 Da,匹配峰大于6,余弦得分大于0.50。形成生女贞子及酒女贞子的分子网络,下载可视化集群网络图,以便基于Cytoscape 3.8.0进行进一步分析。
采用Compound Discoverer 3.1软件对LC/MS检测数据进行提取和预处理,并在Excel 2019中对数据进行编辑,最后整理成二维数据矩阵形式,包含保留时间、分子量、峰强度等信息。将编辑后的数据矩阵导入SIMCA 14.1软件进行多元统计分析。采用PCA分析初步观察各样品的聚集情况;随后,采用OPLS-DA进一步对样品进行分类,其中判别模型质量好坏的主要参数为R2Y(该值为模型的解释率)及Q2值(该值为模型的预测率),R2Y越接近1,表示模型越稳定,Q2>0.5表示预测率高。根据OPLS-DA模型得到的变量权重值(VIP>1)寻找潜在的化学标志物。
式中,NL为离子强度。
同一类的化合物更容易聚集在同一分子网络中,因为化学结构相似的化合物也具有相似的二级质谱片段。因此,在本研究中,基于它们的质谱相似性,获得了生女贞子和酒女贞子提取物的分子网络,局部见图1。分子网络中共包含12 450个前体离子,包括1 323个簇(节点≥ 2)和5 448个单节点。更多详细信息可以在公开网站GNPS上获得(https://gnps.ucsd.edu/ProteoSAFe/result.jsp?task=404f44ed69a04c5cabd803b452f28c43&view=view_all_clusters_withID_beta)。另外,由于处理方法相同,分子网络中每个饼点的面积可以代表女贞子酒制前后相对含量的变化。
从图1可以明显观察到炮制前后女贞子的化学成分在种类和含量上发生了很大变化。通过生女贞子、酒女贞子在圆中的占比,饼图中,红色部分占比大于蓝色部分,表明炮制后化学成分含量降低;反之,表明炮制后化学成分含量升高。圆全部为红色,表明该成分为生女贞子中含有的成分,而酒女贞子中未检测到该成分。圆全部为蓝色,表明该成分为炮制后新增成分,生女贞子中未检测到该成分。
图1 生女贞子和酒女贞子的分子网络Fig.1 Molecular network of RLLF and WLLF
生女贞子和酒女贞子的正、负离子模式下的总离子流图见图2。黄酒中未检测出与女贞子中相同的化学成分。
图2 总离子流图Fig.2 Total ion chromatograms注:a、b为正离子模式;c、d为负离子模式;a、c为生女贞子;b、d为酒女贞子。Note:a and b represent the positive mode;c and d represent the negative mode;a and c represent raw Ligustri Lucidi Fructus (RLLF);c and d represent and wine-processed Ligustri Lucidi Fructus(WLLF).
3.2.1 环烯醚萜苷类
女贞子中的环烯醚萜苷类成分从结构上可以分为环烯醚萜类和裂环烯醚萜类两种,该类化合物母核中具有半缩醛结构,较为活泼,易导致母核发生断裂,形成一些特征离子碎片,从女贞子中共鉴定出10个环烯醚萜苷成分(见表2)。
表2 化合物的二级质谱信息及特征碎片离子
续表2(Continued Tab.2)
续表2(Continued Tab.2)
化合物1和2在正离子模式下准分子离子峰分别为m/z377.144 52[M+H]+、391.160 11[M+H]+,丢失一分子葡萄糖形成碎片m/z197.080 46、211.096 24,该碎片继续丢失一分子水后形成的碎片m/z179.069 82、193.080 52。化合物2碎片m/z211.096 24丢失一分子甲氧基后形成碎片m/z179.069 95,该碎片继续脱水后形成碎片m/z161.059 55,见图3、4,该裂解特征与文献[16]基本一致,推测化合物2为马钱苷。化合物1比化合物2少一分子CH2,推测化合物1为马钱苷酸,在女贞子中已有报道[10]。化合物3在正离子模式下的准分子离子峰为m/z229.107 11[M+H]+,丢失一分子甲氧基形成碎片m/z197.080 35,继续丢失一分子CO形成碎片m/z169.085 74,再丢失一分子水形成碎片m/z151.075 12。此外,还检测到母离子丢失两分子水形成的碎片m/z193.080 52,初步推测化合物3为马钱苷元。
图3 马钱苷主要碎片离子裂解途径Fig.3 Ion cleavage pathway of main fragment of loganin
图4 马钱苷二级质谱图Fig.4 Secondary mass spectrometry of loganin
化合物4~10为裂环环烯醚萜苷,除化合物5、6外,均检测到m/z225的特征碎片离子。化合物4和10为一对同分异构体,化合物10通过与标准品的保留时间进行比较,鉴定为橄榄苦苷。已有报道女贞子中含有橄榄苦苷和10-羟基女贞苷[17],化合物4初步推测为10-羟基女贞苷。化合物5比化合物10多一个羟基,初步推测为10-羟基橄榄苦苷,在女贞子中已有报道[20]。化合物6初步推测为橄榄苦苷酸,在女贞子中已有报道[9]。化合物7在正离子模式下的准分子离子峰为m/z525.197 14[M+H]+,初步推测为女贞苷,在女贞子中已有报道[19]。化合物8在正离子模式下准分子离子峰为m/z687.250 04[M+H]+,其二级碎片离子主要有酯苷键断裂并丢失葡萄糖残基形成的碎片m/z285.096 07[M+H-C4H8O4-C14H18O6]+及该碎片继续丢失甲氧基和糖苷键断裂形成的碎片m/z211.060 07,继续丢失一分子水形成的碎片m/z193.049 06,还检测到酯苷键断裂与糖苷键断裂并丢失红景天苷片段及一分子葡萄糖形成的特征碎片离子m/z225.074 92、苯乙醇苷元特征离子碎片m/z137.059 43和糖裂解碎片m/z145.048 71等,该裂解特征与文献[9]基本一致,通过与标准品保留时间进行对比,确定化合物8为特女贞苷。化合物9推测为oleonuezhenide,在女贞子中已经有报道[21]。
马钱苷元为酒制后女贞子中新增成分,可能是由于炮制过程中,马钱苷酸与马钱苷丢失葡萄糖基转化为马钱苷元。一般认为特女贞苷酒制后含量降低,红景天苷含量升高,并且认为这与酒制过程中特女贞苷转化为红景天苷有关。然而,本实验中特女贞苷酒制后含量升高,推测是由于炮制过程中,oleonuezhenide及其异构体分解造成的。
3.2.2 苯乙醇类
女贞子中苯乙醇类成分通常与环烯醚萜类共同存在。在质谱条件下经过能量碰撞,容易丢失中性碎片(咖啡酰基)和分子中的端基糖,或苯乙醇苷元等,这些特征离子碎片的丢失为有效鉴别苯乙醇苷类化合物提供了重要的结构信息,从女贞子中共鉴定出6个苯乙醇类成分(见表2)。
化合物12在负离子模式下准分子离子峰为m/z299.113 78[M-H]-,二级质谱碎片离子主要有丢失葡萄糖残基形成的碎片m/z137.060 04[M-H-C6H10O5]-、及糖裂解碎片m/z113.024 42,通过与标准品保留时间进行比对,确认化合物12为红景天苷。化合物14在负离子模式下准分子离子峰为m/z153.055 37[M-H]-,二级质谱碎片离子主要有m/z123.045 06[M-H-CH2OH]-的碎片离子,通过与标准品保留时间进行比对,确认化合物14为羟基酪醇。
化合物11与化合物13为同分异构体,化合物13可以通过与标准品的保留时间进行比较,准确地鉴定为松果菊苷。化合物13在正离子模式下准分子离子峰为m/z787.264 85[M+H]+,二级质谱碎片离子主要有m/z325.091 28[M+H-C20H30O12]+、181.049 54[caffeic acid+H]+,咖啡酸部分脱水形成的碎片m/z163.038 97[caffeic acid-H2O]+,以及糖苷键断裂形成的苯乙醇苷碎片m/z155.070 27、153.054 62、151.039 08等,见图5、6。化合物15在正离子模式下准分子离子峰为m/z625.212 30[M+H]+,二级质谱信息与化合物13相似,主要有m/z325、181、163的特征碎片离子,与文献[9]基本一致,推测化合物15为毛蕊花糖苷。化合物16在正离子模式下准分子离子峰为m/z479.154 93 [M+H]+,二级质谱主要有m/z181、163的特征碎片离子,与文献[22]基本一致,推测化合物16为木通苯乙醇苷B。
图5 松果菊苷主要碎片离子裂解途径Fig.5 Ion cleavage pathway of main fragment of of echinacoside
酒制后,红景天苷、羟基酪醇含量升高,推测是由于炮制过程中,含有红景天苷片段及羟基酪醇片段的苯乙醇苷类及环烯醚萜苷类成分分解造成的。
图6显示,化合物13、15、16聚集在同一分子网络中,这可能是由于它们具有相同的质谱碎片m/z325、163,该碎片为苯乙醇苷特征离子。化合物13圆中红色占比明显多于蓝色,表明炮制后含量明显减少,与变化指数0.43相对应。
图6 松果菊苷所在分子网络Fig.6 Molecular network of echinacoside
3.2.3 黄酮类
黄酮苷类化合物主要的裂解方式是糖苷键断裂,产生糖基碎片及黄酮苷元;黄酮类化合物主要裂解方式是C环的RDA裂解,从而产生两个碎片离子,在质谱条件下经能量碰撞会失去H2O、CO2、CO等一系列中性小分子。从女贞子中共鉴定出18个黄酮类成分(见表2)。女贞子中黄酮类化合物分子网络见图7。
图7 黄酮类化合物分子网络 Fig.7 Molecular network of flavonoids
化合物17在正离子模式下的准分子离子峰为m/z305.065 51[M+H]+,二级质谱碎片离子主要有丢失一分子水形成的碎片m/z287.054 35[M+H-H2O]+、继续丢失CO形成的碎片m/z259.059 54[M+H-H2O-CO]+、231.064 65[M+H-H2O-2CO]+,推测化合物17为花旗松素,花旗松素在女贞子中已有报道。女贞子酒制后,花旗松素含量明显降低。
化合物18在负离子模式下准分子离子峰为m/z609.146 33[M-H]-,二级质谱碎片离子主要有m/z301.035 40、300.027 86,该裂解特征与文献[9]基本一致,通过与标准品的保留时间进行比较,推测化合物18为芸香苷。化合物20、21为一对同分异构体,化合物20在负离子模式下的准分子离子峰m/z463.088 63[M-H]-,二级质谱检测到m/z301.035 25、300.027 86的碎片离子,初步推测化合物20为金丝桃苷。化合物21在正离子模式下的准分子离子峰为m/z465.103 25[M+H]+, 并且检测到m/z303的离子峰对应槲皮素,初步推测化合物21为异槲皮苷,在女贞子中已有报道可能含有金丝桃苷及其异构体[12],尚需进一步采用对照品进行比对。化合物22在正离子模式下的准分子离子峰m/z303.049 80[M+H]+,推测为槲皮素,在女贞子中已有报道[9]。化合物23在正离子模式下的准分子离子峰为m/z449.107 93[M+H]+,检测到m/z303的离子峰对应槲皮素,推测化合物23为槲皮苷,在女贞子中已有报道[9]。
化合物24在负离子模式下的准分子离子峰为m/z449.109 578[M-H]-,并且检测到m/z287的离子峰对应圣草酚,推测化合物24为圣草酚-7-O-葡萄糖苷。化合物25在正离子模式下的准分子离子峰m/z289.070 69[M+H]+,二级质谱检测到m/z153.017 99、135.044 14的离子峰,这是典型的RDA裂解的过程,推测化合物25为圣草酚,女贞子中已有报道[9]。化合物26在正离子模式下的准分子离子峰为m/z597.180 82[M+H]+,推测化合物26为圣草次苷。
化合物29在正离子模式下的准分子离子峰为m/z463.124 04[M+H]+,并且检测到丢失葡萄糖基形成的m/z301.069 82的离子峰,推测化合物29为高车前苷。
化合物30在正、负离子模式下的准分子离子峰为m/z435.128 54[M+H]+、m/z433.114 49[M-H]-,正、负离子下分别检测到m/z273、271的离子峰对应柚皮素,推测化合物30为柚皮素-7-O-葡萄糖苷。化合物31检测到m/z273.075 90[M+H]+的准分子离子峰和m/z153.018 02、121.064 30的离子峰,这是典型的RDA裂解的过程,推测化合物31为柚皮素。
化合物33通过与标准品保留时间进行对比,鉴定为木犀草素。化合物19、32的二级质谱中检测到m/z287的离子峰对应木犀草素,推测化合物19、32分别为木犀草素-7-O-芸香糖苷、木犀草苷,女贞子中已有报道含有这三种化合物[20]。
化合物34在正离子模式下准分子离子峰为m/z271.060 21[M+H]+,在质谱能量碰撞下,化合物34发生了C环的RDA裂解得到特征离子碎片m/z153.017 91、145.02829、119.048 97,该裂解特征与文献[9]基本一致,推测化合物34为芹菜素。化合物27、28的二级质谱中检测到m/z271的离子峰对应芹菜素,推测化合物27、28分别为芹菜素-7-O-芸香糖苷、芹菜素-7-O-葡萄糖苷。女贞子已有报道含有这三种化合物[20]。
图7显示,化合物18、20、21、30、32聚集在同一分子网络中,这可能是由于它们具有相同的质谱碎片m/z153或m/z151,该碎片为黄酮苷元发生RDA裂解形成的特征碎片离子。其中,化合物18、20两者均含有m/z301、300的碎片离子,且两者结构极为相似,化合物18仅比化合物20多一分子鼠李糖。化合物a、b为生女贞子中独有成分,化合物a可能为槲皮素-3-O丙二酰葡萄糖苷,化合物b可能为槲皮素-3-O-α-L-吡喃阿拉伯糖苷,与芸香苷、金丝桃苷在具有相同的黄酮苷元。化合物c 可能为山奈酚-7-O-葡萄糖苷,经鉴定化合物c的保留时间处为木犀草苷,提示分子网络存在一定的假阳性结果,应与质谱数据处理软件相结合,综合鉴别中药含有的化合物。化合物18、30、32圆中红色占比明显多于蓝色,表明炮制后含量明显降低,与变化指数相对应。
3.2.4 三萜类
三萜类化合物在质谱条件下经过能量碰撞,当环内具有双键时一般都有较特征的RDA裂解;如果无环内双键,常从C环断裂为两个碎片,有时也会同时发生上述两种裂解,女贞子中鉴定出8个三萜皂苷类成分(见表2)。
化合物37在正离子模式下一级质谱提供的准分子离子峰为m/z457.367 98[M+H]+,二级质谱碎片离子主要有丢失一分子水形成的碎片m/z439.356 84[M+H-H2O]+、丢失一分子COOH形成的碎片m/z411.362 30[M+H-COOH]+及再丢失一分子水形成的碎片m/z393.351 59[M+H-COOH-H2O]+,熊果酸中环内含有双键,经过质谱能量的碰撞,发生较为特征的RDA裂解,C环发生断裂,形成具有共轭双烯或烯烃的特征离子碎片m/z257.168 88、217.194 31、163.147 83等,见图8、9,推测化合物37为熊果酸。化合物36与化合物37为同分异构体,文献报道齐墩果酸和熊果酸为女贞子中含有的两个同分异构体,推测化合物36为齐墩果酸。化合物35和39初步鉴定为委陵菜酸和2α-羟基熊果酸,这两种三萜皂苷在女贞子中已有报道[20]。
化合物38在正离子模式下准分子离子峰为m/z471.346 67[M+H]+,二级质谱碎片离子主要有丢失一分子水形成的碎片m/z453.336 46[M+H-H2O]+,丢失一分子COOH形成的碎片m/z425.340 58[M+H-COOH]+及再丢失一分子水形成的碎片m/z407.330 36[M+H-COOH-H2O]+,推测化合物38为18-β-甘草次酸。化合物40、41为一对同分异构体,初步鉴定为3β-O-反式-对香豆酰基山楂酸、3β-O-顺式-对香豆酰基山楂酸,在女贞子中已有报道[20]。化合物42初步鉴定为白桦酯醇,在女贞子中已有报道[4]。
图8 熊果酸主要碎片离子裂解途径Fig.8 Ion cleavage pathway of main fragment of ursolic acid
图9 熊果酸二级质谱图Fig.9 Secondary mass spectrometry of ursolic acid
为进一步分析验证分子网络分析生女贞子及酒女贞子差异性化学成分的准确性,使用SIMCA 14.1软件进行多元统计分析。采用的PCA多变量模式识别方法对生女贞子、酒女贞子进行降维分析,图10为其PCA得分散点图(R2X=0.982,Q2=0.763)。生女贞子、酒女贞子可以明显分开,并各自聚为一类,说明女贞子酒制前后的化学成分存在差异。进一步采用OPLS-DA研究女贞子酒制前后的差异化学成分,其得分图见图11,结果发现生女贞子与酒女贞子可明显分开,模型验证结果(R2Y=0.999,Q2=0.968)表明,该模型有效可靠。采用常用的变量重要性投影(VIP)值对组间质量差异标志物进行筛选,共有22个特征峰的VIP值大于1,分别为特女贞苷、女贞苷、红景天苷、毛蕊花糖苷、橄榄苦苷、芸香苷、柚皮素-7-O-葡萄糖苷、2α-羟基熊果酸、圣草酚、柚皮素、羟基酪醇、木犀草苷、马钱苷、马钱苷酸、木通苯乙醇苷B、10-羟基女贞苷、oleonuezhenide、槲皮苷、芹菜素、圣草次苷、松果菊苷、槲皮素、10-羟基橄榄苦苷(见图12)。
图10 生女贞子、酒女贞子数据的PCA得分图Fig.10 PCA score chart of RLLF and WLLF data
图11 生女贞子、酒女贞子数据的OPLS-DA得分图Fig.11 OPLS-DA score chart of RLLF and WLLF data
图12 VIP值图 Fig.12 VIP value diagram
本研究建立了一种基于UPLC-Orbitrap-MS技术、质谱分子网络技术结合多元统计分析技术的综合分析方法,用于鉴别生女贞子、酒女贞子的化学成分,寻找差异性化学成分,探究女贞子酒制前后物质基础的改变。共鉴定出42种化学成分,包括环烯醚萜苷、苯乙醇苷、黄酮、三萜类化合物。经分子网络结合多元统计分析发现生女贞子、酒女贞子样品中化学成分存在明显差异,筛选出的差异性成分有特女贞苷、女贞苷、红景天苷、芸香苷、橄榄苦苷等。
分子网络技术与高分辨质谱定性分析相结合与传统单一质谱定性方法相比,具有一定的优势。传统的定性分析只能与数据库中已知的化合物的信息进行比对,给出可能的质谱信息,得到单一的化合物的信息,难以对未知化合物进行分析。分子网络技术可以根据质谱信息,将具有相同碎片的可能的同一类型类化合物聚集到同一网络中,并且根据分子网络中的饼图的占比可以直观地显示出中药生品与炮制品之间的化学成分的差别。将分子网络技术与多元统计分析技术相结合,可以准确筛选生制品之间的化学标记物。
本研究的结果为中药女贞子生品和炮制品的质量评价和质量控制提供理论依据,并为明确女贞子酒制前后药效发生变化的物质基础提供参考。此外,本研究建立的研究女贞子化学成分的综合分析方法,可为快速鉴别其他炮制品及中药复方的化学成分的提供一种新的分析策略。