張海朋，彭昭欣，石梅艷，溫歡，張紅艷，徐娟

園藝植物生物學教育部重點實驗室/華中農(nóng)業(yè)大學園藝林學學院，武漢 430070

1 風味組學概念

近些年，基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學和代謝組學等組學技術飛速發(fā)展，已逐漸發(fā)展成熟[1]。風味組學(flavoromics)來源于化學計量學和代謝組學領域，本質(zhì)上是基于非靶向方法快速收集不同樣本的代謝數(shù)據(jù)，進而挖掘和鑒定與果實風味品質(zhì)相關的代謝物[2]。風味組學源于代謝組學而又異于代謝組學，代謝組學主要是運用靶向和非靶向方法鑒定所有小分子代謝物[3]，而風味組學主要用于鑒定與風味相關的代謝組分[4]，因此，風味組學是在代謝組學的基礎上，對所有風味相關代謝物質(zhì)進行針對性和綜合性分析[5]。

柑橘中的香味、苦味、酸味、甜味和質(zhì)地等風味屬性相關物質(zhì)主要包括影響香味的揮發(fā)性物質(zhì)[6]，影響苦味的類黃酮和檸檬苦素類似物[7-8]，影響甜味的可溶性糖，影響酸味的有機酸[9]，影響果實化渣品質(zhì)的木質(zhì)素、果膠、纖維素和半纖維素[10]，以及影響鮮味的氨基酸和異味的醇、醛等物質(zhì)。每項風味屬性都可關聯(lián)到眾多代謝物質(zhì)，但并非所有代謝物質(zhì)都對果實風味有貢獻，一般起決定作用的物質(zhì)僅為其中幾種。雖然風味通常被描述為味覺和嗅覺的組合，但是外觀、質(zhì)地、口感和消費者前期體驗記憶也在味覺中發(fā)揮重要作用，這表明多種不同的感官信號被加工以產(chǎn)生整體感覺，將這些感官信息整合到大腦中，最終導致味覺偏好或厭惡，并對隨后的感知和行為產(chǎn)生強烈影響[11]。前人對柑橘中風味物質(zhì)的研究已有較多報道，但大多僅針對其中一項品質(zhì)相關物質(zhì)。復雜的是，不同風味屬性代謝物質(zhì)在含量及感官水平上有一定的相關性，如可溶性糖產(chǎn)生的甜味對苦味有掩味作用[12]；在柑橘汁胞發(fā)生木質(zhì)化時，其他風味也在不同程度上變淡[13]。因此，現(xiàn)代風味組學的相關研究不僅要有色譜、質(zhì)譜等分析儀器的檢測結(jié)果，還需要結(jié)合消費者感官評價的數(shù)據(jù)，才可以綜合解析風味品質(zhì)之間不同層面上的關聯(lián)性。

2 柑橘中風味組學研究進展

2.1 糖酸風味

果實甜味和酸味是消費者最關注的性狀之一，可溶性糖含量主要影響果實甜度，而有機酸主要影響酸度。柑橘中可溶性糖主要包括蔗糖、果糖和葡萄糖等，汁胞中可溶性糖隨果實發(fā)育逐漸積累，以蔗糖為主，且積累速度高于葡萄糖和果糖，不同柑橘品種中可溶性糖含量存在較大差異[14]。野生柑橘果實中糖含量與栽培種沒有顯著差異，由此可見，糖性狀在長期馴化過程中沒有發(fā)生顯著變化[15]。

柑橘果實中有機酸主要以檸檬酸為主，其含量在不同組織中有著顯著差異，主要在果實中積累。不同柑橘種質(zhì)可根據(jù)有機酸含量分為低酸、中酸和高酸三類。低酸品種有紅暗柳甜橙;中酸品種有華盛頓甜橙和Valencia夏橙等；高酸品種有尤力克檸檬和馬敘葡萄柚等[16]。前人研究表明低酸品種紅暗柳甜橙汁胞中有機酸含量在不同發(fā)育期始終較低，而其野生型暗柳甜橙有機酸含量在果實發(fā)育早期顯著上升，而后逐漸降低[17]。紐荷爾臍橙在采后貯藏過程中汁胞有機酸和可溶性糖呈現(xiàn)下降趨勢，而2,4-D會延緩有機酸和可溶性糖降低速度[18]。研究發(fā)現(xiàn)野生柑橘中有機酸含量顯著高于栽培種，可能在馴化過程中受負選擇[15]。

2.2 苦 味

柑橘苦味物質(zhì)主要包括兩類，一類為前苦味物質(zhì)，主要為類黃酮新橘皮糖苷類化合物，以柚皮苷含量最高[8]；另一類為后苦味物質(zhì)，屬于三萜類的檸檬苦素類似物，以檸檬苦素含量最高，其次為諾米林素[5,19]。

前人對同一地區(qū)生長的甜橙、寬皮柑橘、檸檬、枸櫞等果汁中類黃酮類物質(zhì)進行LC-MS檢測，發(fā)現(xiàn)其類黃酮類物質(zhì)種類和含量差異都頗大[20-21]。柑橘中類黃酮物質(zhì)豐富，主要以糖苷形式存在，主要分為新橘皮糖苷和蕓香糖苷類。有前苦味的柑橘主要為柚、葡萄柚和酸橙等種質(zhì)，含有大量的苦味新橘皮糖苷類物質(zhì)。寬皮柑橘、甜橙和檸檬等無前苦味現(xiàn)象[22-23]，主要積累非苦味的蕓香糖苷類類黃酮，尤以橙皮苷含量占優(yōu)[8]?？辔惰制ぼ蘸头强辔冻绕ぼ辗謩e由1,2-鼠李糖苷轉(zhuǎn)移酶(1,2RhaT)和1,6-鼠李糖苷轉(zhuǎn)移酶(1,6RhaT)催化黃烷酮-7-O-葡糖糖苷而成。前人研究表明，柚苦味種質(zhì)中，1,2RhaT蛋白正常，可催化合成大量柚皮苷，而甜橙等非前苦味種質(zhì)中該編碼基因發(fā)生移碼突變，不能合成苦味物質(zhì)柚皮苷[8,24]。同一柑橘不同組織中前苦味物質(zhì)含量也存在較大差異，如葡萄柚果肉中含有大量柚皮苷、橙皮苷和橙皮素等，但果皮中僅能檢測到少量柚皮苷和橙皮苷[20]。果實發(fā)育期也會影響類黃酮物質(zhì)積累，研究發(fā)現(xiàn)甜橙和化州柚等類黃酮含量隨果實發(fā)育呈現(xiàn)下降趨勢[8,25]。而且，在貯藏過程中3種柚果實和果皮中類黃酮含量均呈下降的趨勢[26]。

柑橘種質(zhì)中廣泛存在檸檬苦素和諾米林素[19]。檸檬苦素和諾米林素在溫州蜜柑果實黃皮層、白皮層和囊衣中含量較高，汁胞中含量較低；Oroblanco葡萄柚主要在囊衣中積累；檸檬苦素和諾米林素含量在上述2種柑橘中都隨果實發(fā)育逐漸降低[7,19]。開花后100～150 d紅肉處紅柚與同時期的綠肉翡翠柚相比，處紅柚黃皮層、白皮層、囊衣和汁胞中檸檬苦素和諾米林素均顯著高于翡翠柚，至果實成熟期，處紅柚汁胞中檸檬苦素和諾米林素含量分別為翡翠柚的4.91倍和4.62倍[27]。

2.3 香 味

香味物質(zhì)是指被人類嗅覺感知而感受到愉悅的揮發(fā)性物質(zhì)，影響柑橘的香味品質(zhì)。需要說明的是，不是所有的揮發(fā)性物質(zhì)都有氣味，跟其香氣活性值有關[28]；不是所有的揮發(fā)性物質(zhì)都有香味，跟其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關，也與人對香味物質(zhì)的嗅聞閾值有關[29]；不是所有認為有香味的物質(zhì)，都被任何人、在任何介質(zhì)中或任意濃度下感知到香味。因此，揮發(fā)性物質(zhì)不能被稱為香味物質(zhì)。以柑橘果實為例，呈花香味的代謝物主要有β-月桂烯、順式-/反式-芳樟醇氧化物、β-芳樟醇、橙花醇和反式-橙花叔醇等，呈果香味的物質(zhì)主要有乙酸甲酯、乙酸丁酯、β-月桂烯、己醇和α-石竹烯等[30]。

柑橘果實中富含揮發(fā)性萜類物質(zhì)，還產(chǎn)生芳香族化合物、醛、酮和酯類物質(zhì)等其他揮發(fā)性成分，其中萜類物質(zhì)均在含量和種類上占優(yōu)[28]。大多數(shù)柑橘種質(zhì)果實中最主要的揮發(fā)性物質(zhì)均為d-檸檬烯[6,31]。特征香氣物質(zhì)則因種質(zhì)而異，如β-月桂烯、順式-/反式-芳樟醇氧化物對莽山野柑的花香和膏香味有貢獻[28]；瓦倫烯、芳樟醇和丁酸甲酯則分別為甜橙[32]、宮本溫州蜜柑[33]和血橙的特征香氣物質(zhì)[34]。Zhang等[35]研究表明莽山野柑特征香氣可通過花粉直感效應傳遞到授粉果實上，顯著提高華農(nóng)紅柚汁胞中順式-、反式-芳樟醇氧化物含量。基于66個柑橘種質(zhì)果皮揮發(fā)性物質(zhì)的主成分分析(PCA)，可以將寬皮柑橘、甜橙、柚和檸檬明顯區(qū)分開。不同柑橘種類間，如寬皮柑橘、甜橙、檸檬和柚等香味品質(zhì)各不相同，利用偏最小二乘法分析發(fā)現(xiàn)有33種潛在影響香味品質(zhì)差異的揮發(fā)性物質(zhì)[36]，但這些物質(zhì)對不同柑橘種類特殊香味品質(zhì)的貢獻度還需要進一步研究。此外，果實發(fā)育期、外源激素和是否感病等都會顯著影響柑橘果實萜烯類物質(zhì)組成和含量變化，從而導致香味品質(zhì)的變化[37-39]。目前，柑橘中揮發(fā)性物質(zhì)的研究主要集中在代謝物質(zhì)檢測和鑒定方面，特征香味物質(zhì)鑒定還有待進一步深入開展。

2.4 質(zhì)地品質(zhì)

在咀嚼柑橘可食用部位的同時，消費者會感受到化渣性、韌性、脆性及細胞破碎時散發(fā)出的糖酸味及氣味。因此，果實的質(zhì)地品質(zhì)與消費者口感和咀嚼性密切相關，本文也將其歸入風味品質(zhì)，主要由木質(zhì)素、果膠、纖維素和半纖維素等物質(zhì)含量來決定。如圖1所示，由于不同柑橘種質(zhì)食用部位有所不同，主要質(zhì)地風味品質(zhì)可分為4種類型：第一類為食用囊衣和汁胞的寬皮柑橘(含雜柑)和甜橙，需要關注汁胞和囊衣的化渣性；第二類為僅食用汁胞的柚和葡萄柚，主要關注汁胞的脆性及囊衣的韌性，以評估是否容易揭去囊衣且無大片殘余；第三類為食用白皮層部位的佛手和枸櫞等，除糖酸含量外，要關注白皮層含水量、化渣性、脆性和細胞緊密度等；最后一類為食用整果的金柑，黃皮層、白皮層、囊衣和汁胞的化渣性及脆性都對質(zhì)地風味有貢獻。

因種質(zhì)不同，柑橘果實的質(zhì)地品質(zhì)存在較大差異。如愛媛28號果肉化渣性強，砂糖橘化渣較好，而貯藏一定時期后的紅肉臍橙發(fā)生枯水而影響化渣性等。熟期對質(zhì)地品質(zhì)有一定影響，成熟期質(zhì)地品質(zhì)一般較好，采后貯藏措施不當時果實汁胞枯水，木質(zhì)素含量升高，進而影響果實的化渣性[40]。研究發(fā)現(xiàn)外源激素IAA和ABA可影響華農(nóng)紅柚汁胞木質(zhì)素合成，為外源激素調(diào)控柑橘汁胞木質(zhì)化提供有效思路[10]。

A：寬皮柑橘; B:甜橙; C:金柑; D:枸櫞; E:柚; FL：黃皮層； AL：白皮層； MS：囊衣； JS：汁胞； SE：種子；CC：中柱。A:Loose-skin mandarin; B:Sweet orange; C:Fortunella japonica; D:Citron; E:Pummelo. FL:Flavedo; AL:Albedo; MS:Membrane segment; JS:Juice sacs; SE:Seed; CC:Central column.

2.5 異 味

異味物質(zhì)的有否與含量高低是消費者購買商品的另一個主要影響因素。柑橘果實發(fā)育過程中醇和醛類物質(zhì)數(shù)量少且含量變化不大[37]。柑橘中異味物質(zhì)主要產(chǎn)生于貯藏過程中，目前研究主要集中于小分子醇和醛類物質(zhì)。當果實供氧不足，致使無氧呼吸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物乙醇和乙醛等物質(zhì)積累而產(chǎn)生異味[41]。研究表明氨基酸和脂肪酸代謝產(chǎn)物，如三甲基丁醇、2-甲基丁酸乙酯等物質(zhì)含量在貯藏過程中顯著增加，導致異味產(chǎn)生。柑橘貯藏期低溫措施會影響柑橘乙醇和乙醛物質(zhì)的積累，促進Valencia夏橙和Olinda夏橙果實異味產(chǎn)生[42-43]。果實打蠟是提高果實光潔度的重要技術措施，但同時引起果實無氧呼吸、導致乙醇增加，而選用透氣性較好的蠟液配方材料會減少異味物質(zhì)積累[44]。

3 風味組學研究策略與方法

3.1 儀器分析策略

風味相關物質(zhì)主要為分子質(zhì)量較低的初生和次生代謝物。所使用的檢測儀器主要為：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)，用于檢測揮發(fā)性物質(zhì)和初生代謝物質(zhì)[6,15]；氣相色譜-嗅聞聯(lián)用儀(GC-O)主要用于香氣活性物質(zhì)鑒定[35]；高效液相色譜(HPLC)，主要用于類黃酮、類胡蘿卜素、纖維素、果膠的測定[7,10,27]，也可以分析可溶性糖和有機酸等；液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)主要用于靶向和非靶向代謝物檢測[20]。

在利用色譜分析時，風味相關代謝物質(zhì)的定性分析方法主要依據(jù)紫外可見吸收光譜特性和標準品的保留時間，但2種以上代謝物質(zhì)共分離情況時有發(fā)生，且不同色譜柱型號會導致保留時間改變，所以色譜定性時要結(jié)合標準品鑒定。風味相關代謝物質(zhì)的定量方法有結(jié)合內(nèi)標的相對定量和利用標準品的標準曲線絕對定量(外標法)[6]。相對定量是基于內(nèi)標含量定量，性質(zhì)越相似，定量相對越準確；利用標準品的標準曲線絕對定量更加準確[45]。

在利用質(zhì)譜分析時，GC-MS因具有標準統(tǒng)一的質(zhì)譜條件，可基于標準品鑒定，也可基于NIST(2015)和Wiley Registry等質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫鑒定。LCMS沒有標準化的質(zhì)譜條件，主要靠標準品及化合物的精確分子質(zhì)量定性，也可根據(jù)二級質(zhì)譜信息并解析斷鍵方式來對物質(zhì)初步定性。需要注意的是，在對代謝物質(zhì)進行定性分析時，絕大多數(shù)是在沒有標準品的情況下進行，可通過查找數(shù)據(jù)庫和前人文獻，結(jié)合相似物種的代謝物定性結(jié)果來提高定性的準確性。

3.2 風味評價及風味物質(zhì)的貢獻度

不同的風味代謝物質(zhì)都有感官閾值，即能讓人體感知到的最低濃度值。該感官閾值會隨著介質(zhì)的變化而變化[2]。所以，某一代謝物質(zhì)對風味品質(zhì)的貢獻度主要由其感官閾值、含量及所共存的介質(zhì)等共同決定[46]。

如圖2所總結(jié)，前人文獻[28,30,35]中對風味相關物質(zhì)的鑒定流程，首先對代謝物進行提取、檢測和鑒定，進而分析含量差異代謝物；或經(jīng)主成分分析(PCA)和偏最小二乘法(PLS-DA)分析鑒定重要候選代謝物；然后對候選代謝物進行分離純化，基于電子鼻、電子舌或利用感官評價人員對候選代謝物進行評價；最后評估候選代謝物對果實風味品質(zhì)的貢獻[28,30,35]。

SE：液相萃??；SPME：固相微萃取； HS-SPME：頂空-固相微萃??； GC-MS：氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀； HPLC：液相色譜儀； LC-MS：液相色譜質(zhì)譜分析儀； PCA：主成分分析； PLS-DA：偏最小二乘法分析； GC-O：氣相色譜-嗅聞聯(lián)用儀； UPLC：超高效液相色譜儀。SE:Solvent extraction; SPME:Solid-phase micro extraction; HS-SPME:Headspace solid-phase micro extraction;GC-MS:Gas chromatography-mass spectrometry; HPLC:High performance liquid chromatography;LC-MS:Liquid chromatography- mass spectrometry; PCA:Principal component analysis;PLS-DA:Partial least squares-discriminant analysis; GC-O:Gas chromatography-olfactometry; UPLC:Ultrahigh-performance liquid chromatography.

3.3 風味評價與代謝組學關聯(lián)鑒定風味物質(zhì)

風味評價與代謝組數(shù)據(jù)關聯(lián)分析的方法研究較少，目前主要為相關性分析、偏相關分析、PLS-DA及PCA等。前人在對陳皮和廣陳皮揮發(fā)性物質(zhì)進行檢測后，利用PLS-DA分析發(fā)現(xiàn)15種標志代謝物可區(qū)分陳皮與廣陳皮[47]。但是，基于數(shù)據(jù)分析僅能得到潛在作用的候選物質(zhì)，后續(xù)研究仍需要結(jié)合風味重構(gòu)和感官評價等試驗進一步確認。Liu等[28]首先利用莽山野柑與4種其他類型柑橘果實為材料檢測其揮發(fā)性物質(zhì)譜，分析在含量上有顯著差異的代謝物，確定候選代謝物；然后利用GC-O對候選代謝物的香氣特性進一步篩選，結(jié)合香氣稀釋試驗(AEDA)分析候選代謝物的閾值；最后對候選代謝物進行香氣重構(gòu)，確定莽山野柑的特征香氣物質(zhì)為順式-、反式-芳樟醇氧化物和β-月桂烯，而芳樟醇和d-檸檬烯提供其背景香氣。

如圖3所示，結(jié)合前人的相關文獻[30,36]，我們總結(jié)出柑橘中特定風味相關物質(zhì)的鑒定流程。

圖3 多平臺綜合分析確定柑橘中特定風味相關物質(zhì)的技術流程

4 風味組學的應用展望

柑橘代謝組學方面已取得較大進展，但風味組學研究開展較少。代謝組學檢測到的物質(zhì)數(shù)量巨大，很難通過數(shù)據(jù)分析明確代謝物對柑橘風味的作用。風味組學的相關研究需要與消費者的喜好進行對接，明確消費者偏好的風味品質(zhì)所關聯(lián)的代謝物質(zhì)，為不同人群提供符合其口味偏好且營養(yǎng)健康的產(chǎn)品，才是柑橘乃至整個園藝產(chǎn)業(yè)期望達到的目的。而這些對人體有益的風味相關代謝物質(zhì)及其合成與調(diào)控機制的研究成果，可以直接應用于合成生物學領域或栽培技術的更新及定向育種中，指導園藝產(chǎn)業(yè)的升級和健康發(fā)展。

我國柑橘產(chǎn)量居世界第一，成熟季節(jié)會有大量果實滯銷而造成果農(nóng)經(jīng)濟損失。與世界上其他柑橘主產(chǎn)國不同，榨汁、果汁和罐頭等專用品種的育種和栽培研究投入欠缺，反而是解決水果滯銷的有效出路之一。但是，如何改善果汁等制品的品質(zhì)，同樣需要進行風味組學與感官評價分析。眾所周知，甜味(糖)增加了柑橘果實的適口性，但出于健康考慮，消費者可能越來越希望減少糖含量而不影響果實甜味?？梢越Y(jié)合風味組學和感官評價對味覺系統(tǒng)不斷了解及探索植物天然甜味代謝物，通過直接瞄準口中的味覺傳感器，在不增加糖含量的情況下提高甜度的新策略，旨在改善消費者味覺體驗。除此之外，對香味、苦味等的分析也有助于提升柑橘果品品質(zhì)。最終目的是增加柑橘果實中對人體有益物質(zhì)的含量，而不影響柑橘果實的口感。

柑橘果實中有數(shù)以萬計的代謝組分，利用風味組學方法可分析得到哪些代謝物對風味品質(zhì)有貢獻且其貢獻度如何，并將主要貢獻者定義為該品質(zhì)性狀的標志性代謝物。整合所有風味品質(zhì)標志性代謝物后，可將其進一步開發(fā)為代謝組指紋圖譜，用于預測新種質(zhì)或新產(chǎn)品的消費者接受度，提升柑橘育種效率，還可應用于新品種保護或鑒偽等。

致謝：感謝朱晨橋博士和馮迪博士研究生提供的金柑和枸櫞照片。