國勇，李婷，竇斌斌

（1.哈爾濱體育學院 科研處，黑龍江 哈爾濱 150008；2.哈爾濱體育學院 運動人體科學學院，黑龍江 哈爾濱 150008；3.哈爾濱體育學院 研究生院，黑龍江 哈爾濱 150008）

水果和蔬菜富含礦物質(zhì)、維生素、抗氧化劑及膳食纖維等，在人體健康飲食中不可或缺，而風味是果蔬最重要的感官品質(zhì)指標之一，其特征性風味也是影響消費者選擇的重要因素。果蔬風味受其內(nèi)生因素（基因型）和環(huán)境因素（緯度、天氣條件和采后處理）的影響[1]。果蔬風味物質(zhì)的組成復雜、種類繁多，包括揮發(fā)性呈香物質(zhì)和非揮發(fā)性呈味物質(zhì)。前者體現(xiàn)了果蔬的氣味，后者體現(xiàn)了果蔬的滋味，這兩者共同構(gòu)成果蔬的風味體系。其中，揮發(fā)性呈香物質(zhì)主要為C6~C9 的醛類和醇類化合物，此外還包括酯類、酸類、酮類和萜類化合物等，這些揮發(fā)性風味物質(zhì)被鼻腔黏膜上的嗅覺受體識別來引起感受，呈現(xiàn)出花香、甜香、果香和青香等[2]。非揮發(fā)性風味物質(zhì)是味感物質(zhì)，果蔬中的非揮發(fā)性物質(zhì)主要包括可溶性糖和有機酸，可溶性糖包括蔗糖、果糖和葡萄糖等，有機酸則包括蘋果酸、喹酸和檸檬酸等[3]。隨著高通量組學技術(shù)的發(fā)展，多種揮發(fā)性風味物質(zhì)的生物合成酶基因被成功分離，為深入探究果蔬風味物質(zhì)產(chǎn)生涉及的分子調(diào)控途徑提供了可能。代謝組學是一種非選擇性的、全面的分析方法，用于鑒定和定量生物系統(tǒng)中的代謝物[4]，識別各種代謝途徑的底物和產(chǎn)物。對果蔬進行代謝組學的研究可以確定其化學成分，并闡明影響果蔬風味或營養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵成分，包括各種糖、有機酸、氨基酸、脂類和胺類等小分子化合物[5-8]。代謝組學通過對果蔬中化合物尤其是風味物質(zhì)的生物合成途徑和分子調(diào)控機制的分析可為果蔬風味及品質(zhì)調(diào)控、遺傳育種、食品開發(fā)及加工的健康發(fā)展提供重要的理論基礎(chǔ)[9-10]?；诂F(xiàn)有研究，本文從果蔬風味物質(zhì)的產(chǎn)生、代謝組學技術(shù)及其在果蔬風味物質(zhì)分析中的應(yīng)用進行綜述，旨在為果蔬風味物質(zhì)相關(guān)研究人員提供參考，為果蔬從品種選育到食品加工整個產(chǎn)業(yè)鏈的風味品質(zhì)調(diào)控提供新思路。

1 果蔬風味物質(zhì)的產(chǎn)生

許多因素會影響果蔬風味物質(zhì)的產(chǎn)生，如生長環(huán)境條件、成熟度、采后的儲存方式和加工方式等。果蔬在成熟階段，將來自外界環(huán)境或者自身細胞內(nèi)儲存的一些大分子量前體物質(zhì)在酶的催化下，轉(zhuǎn)化成一些糖類、酸類及揮發(fā)性化合物進而產(chǎn)生風味物質(zhì)[11]。

果蔬風味物質(zhì)的合成途徑主要是碳水化合物代謝途徑，植物通過光合作用吸收能量將二氧化碳轉(zhuǎn)變成糖類，再代謝為其他的養(yǎng)分，因此果蔬中的大部分揮發(fā)性香氣成分屬于碳水化合物次生代謝產(chǎn)物[12-13]。脂肪酸是果蔬合成香氣成分的主要前體物質(zhì)，脂肪酸氧化也是果蔬風味產(chǎn)生的重要途徑，脂肪酸氧化可產(chǎn)生醇、醛、酮和酯類風味化合物。在多種果蔬的研究中已證明脂肪酸氧化主要通過β氧化和酶促氧化兩種途徑形成香氣成分。例如梨中亞麻油酸經(jīng)β氧化產(chǎn)生癸二烯酸酯，葡萄中脂肪酸β氧化增加乙酸乙酯的含量，桃果實在脂肪氧化酶的作用下合成己醛、反-2-乙烯醛等己醛類和醇類芳香化合物，獼猴桃經(jīng)酶促氧化產(chǎn)生酯類和醛酮類風味物質(zhì)，玉米在儲存期間產(chǎn)生不良風味也是酶促氧化的結(jié)果[14-15]。水果的香氣成分也可通過氨基酸代謝產(chǎn)生。水果中的氨基酸（如丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和天冬氨酸）可直接作為前體參與芳香化合物合成，它們經(jīng)脫氨、脫羧、脫氫過程產(chǎn)生包括醛、醇、酯類等風味物質(zhì)[16]。萜類化合物是植物體內(nèi)的一類次級代謝產(chǎn)物，也是果蔬中揮發(fā)性香氣成分的重要組成部分，萜類香氣物質(zhì)來源于C5 單位異戊烯焦磷酸和它的丙烯基異構(gòu)體二甲基丙烯基焦磷酸，可通過甲羥戊酸途徑和2-C-甲基-D-赤蘚糖醇-4-磷酸（2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate，MEP）途徑兩種不同途徑合成。果蔬采摘后在運輸和貯藏期間也會通過內(nèi)源性乙烯和自身呼吸作用產(chǎn)生風味物質(zhì)[17]。

2 代謝組學分析方法

代謝組學是一種新興的組學技術(shù)，可靈敏、高效、快速地發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物并進行鑒定分析，進而研究生物體系的代謝情況[10]。代謝組學根據(jù)研究內(nèi)容分為靶向代謝組學和非靶向代謝組學，靶向代謝組學分析特定代謝物，研究一種或幾種代謝物代謝通路；非靶向代謝組學，廣泛分析多種代謝物，更全面地分析研究對象中整體代謝物[18-19]。目前代謝組學已被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域，如食品成分分析、食品質(zhì)量鑒別、食品消費監(jiān)控、飲食營養(yǎng)監(jiān)控等[20]。代謝組學在果蔬中的應(yīng)用主要是通過代謝組學技術(shù)鑒定果蔬的代謝產(chǎn)物，進而研究果蔬風味的形成機制。對食物中風味-基質(zhì)相互作用的行為研究可以更好地理解食物中風味化合物的形成與釋放。此外，風味化合物-基質(zhì)相互作用不僅是風味釋放研究的關(guān)鍵步驟，而且與代謝組學分析方法的開發(fā)具有高度的相關(guān)性[8]。目前，常用于果蔬代謝組學的高通量分析平臺主要有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技術(shù)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（liquid chromatography-mass spectrometry，LC -MS）技術(shù)和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技術(shù)，3 種分析技術(shù)各有優(yōu)缺點，相互補充，其特點與應(yīng)用見表1。

表1 不同代謝組學分析技術(shù)的特點與應(yīng)用Table 1 Characteristics and applications of different metabolomics analysis techniques

2.1 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)以液相色譜作為分離系統(tǒng)，質(zhì)譜為檢測系統(tǒng)，樣品在質(zhì)譜部分被離子化后，經(jīng)質(zhì)譜的質(zhì)量分析器將離子碎片按質(zhì)量數(shù)分開，經(jīng)檢測器得到質(zhì)譜圖。LC-MS 與NMR 相比，LC-MS 的優(yōu)點是適用性廣、靈敏度高、特異性強、檢測的線性范圍寬且可實現(xiàn)高通量分析，因此被廣泛應(yīng)用于代謝組學研究中。相較GC-MS，LC-MS 的樣品不需要衍生化處理?；贚C-MS 的方法通常用于檢測次生植物代謝物，包括生物堿、皂苷、酚酸、苯丙素、黃酮類化合物、硫代葡萄糖苷、多胺及其衍生物[21]。LC-MS 同時也廣泛應(yīng)用于鑒定植物性食品中新的生物活性化合物[22]。

2.2 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)法

GC-MS 的測定原理為當樣品注入氣相色譜，經(jīng)色譜柱分離后的物質(zhì)由分子分離器進入電離室，被電子轟擊形成離子，其中部分離子進入離子檢測器。經(jīng)過質(zhì)譜快速掃描后導出組分的質(zhì)譜圖，以此作為定性、定量分析的依據(jù)。GC-MS 是代謝組學領(lǐng)域的一個重要工具，尤其是在植物代謝輪廓分析中[23]。與LC-MS 或NMR 相比，GC-MS 由于其成本相對較低、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性強和方便的數(shù)據(jù)處理等特點被廣泛應(yīng)用于代謝組學研究，主要適用于沸點較低、熱穩(wěn)定好的小分子化合物的分析。然而，GC-MS 在非揮發(fā)性化合物（糖、有機酸、氨基酸）分析中，需要對樣品進行衍生化處理。衍生化處理可能導致樣品中氨基酸的不穩(wěn)定衍生化，致使其幾何異構(gòu)體產(chǎn)生兩個峰和產(chǎn)生多個糖峰，從而阻止準確的定量和鑒定，或產(chǎn)生額外的反應(yīng)[24]。GC-MS 已應(yīng)用于鑒別和認證食品樣品包括食品真?zhèn)?，描述獨特的食品樣品的代謝物特征，評估食品生產(chǎn)鏈的壓力，優(yōu)化水果和蔬菜的采后過程，通過觀察代謝物的變化來監(jiān)控植物生長或食品加工了解所涉及的過程，評價和預測食物的品質(zhì)，并評估食物的儲存條件和保質(zhì)期[25]。

2.3 核磁共振技術(shù)

NMR 是通過鑒定化合物的結(jié)構(gòu)來進行代謝物的檢測。其中1HNMR，因其高效性、普適性，樣品前處理簡單的特點成為代謝組學中常用的分析技術(shù)[25]。此外，使用核磁共振可以同時檢測初級和次生代謝物，而基于NMR 的技術(shù)通常能夠識別植物樣本中的30~150 種代謝物。核磁共振的主要局限性是其靈敏度較低[26]，檢測的動態(tài)范圍有限，很難同時檢測同一樣品中含量相差很大的物質(zhì)，故需要更大的樣品量。盡管如此，與質(zhì)譜方法相比，較低的靈敏度使NMR 成為不需要高靈敏度的質(zhì)量控制應(yīng)用的理想選擇。核磁共振也受到光譜上大量信號重疊的限制，重疊信號使復合識別更加困難，降低了峰值積分的精度。然而，與傳統(tǒng)的1HNMR 相比，二維核磁共振的信號重疊顯著減少。核磁共振已成功地用于許多研究，以檢測食品中因農(nóng)業(yè)實踐、基因系、加工和儲存而變化的主要化合物[27]。

3 代謝組學在果蔬風味物質(zhì)研究中的應(yīng)用

3.1 代謝組學在不同品種產(chǎn)地的果蔬風味物質(zhì)研究中的應(yīng)用

代謝物在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用，不同品種中代謝物的數(shù)量和類型決定了其風味和營養(yǎng)價值[28]，氣候或地理條件會影響果蔬品種間不同的表型特征。因此，不僅要尋找特定地理區(qū)域的關(guān)鍵化學物質(zhì)，而且要確定其來源，從而提高果蔬的風味品質(zhì)。代謝組學可作為研究果蔬與不同品種產(chǎn)地的代謝組學特征的有效工具，例如，Nascimento 等[29]通過代謝組學分析了不同地區(qū)收獲的成熟香蕉果實的代謝差異，發(fā)現(xiàn)γ-氨基丁酸和腐胺水平變化明顯以及不飽和脂肪酸含量的變化會影響成熟果實的營養(yǎng)及感官質(zhì)量。Baky 等[30]采用頂空固相微萃?。╤eadspace solid phase microextraction ，HS-SPME）技術(shù)結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜研究了花椰菜、蘿卜等6 種十字花科蔬菜的香氣和營養(yǎng)成分的成分異質(zhì)性，發(fā)現(xiàn)所有十字花科葉片中均含有醛、酮和氧化物/醚，葡萄糖在可食用葉片中含量最豐富，在非食用十字花科葉中，蘿卜葉的硫源異硫氰酸酯含量豐富，氮化合物含量最高，可以確定十字花科葉片間生物活性次生代謝產(chǎn)物譜的差異，以此進一步研究十字花科蔬菜對健康的影響。Sirijan 等[31]運用GC-MS 代謝組學技術(shù)對不同草莓品種進行鑒定，發(fā)現(xiàn)不同品種中的蔗糖、單寧酸（原花青素）、黃酮類化合物、揮發(fā)性酯含量均有差別，不同品種之間的香氣形成存在遺傳差異，因此通過代謝組學鑒定含量變化的化合物有利于區(qū)分草莓品種。也有學者采用超高效液相色譜-高分辨質(zhì)譜非靶向代謝組學方法對3 種秘魯本地辣椒進行了鑒別和生物標志物的鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黃酮類化合物是主要影響辣椒來發(fā)揮其獨特的顏色和香味的化合物[32]。而Mi 等[33]研究也證實了黃酮類化合物是辣椒發(fā)揮獨特風味的主要差異化合物。Li等[34]采用靶向代謝組學（LC-MS/MS）對7 個不同氣候條件下的水果樣品的次生代謝物進行了糖、有機酸、維生素、多酚和檸檬酸等代謝物的鑒定和定量分析，結(jié)果表明在亞熱帶氣候不同亞型下生長的果汁中幾種代謝物（多酚、檸檬素等）的濃度存在顯著差異，因此說明氣候條件對代謝譜有一定的影響，有助于工業(yè)確定新鮮和加工用柑橘水果的適宜性和來源。除此之外，也有許多學者利用代謝組學對常見的果蔬進行品種與產(chǎn)地的差異分析，其結(jié)果分析見表2。

表2 不同果蔬品種和產(chǎn)地的代謝組學分析Table 2 Metabolomic analysis of different fruit and vegetable varieties and origins

3.2 代謝組學在不同發(fā)育階段及采后貯藏的果蔬風味物質(zhì)研究中的應(yīng)用

在果實的成熟過程中，風味、香氣代謝物、顏色、質(zhì)地和植物激素會發(fā)生顯著的變化，了解果實代謝程度變化可以作為其成熟度的指標。而果蔬風味的形成是一個動態(tài)過程，果蔬采摘后在運輸和貯藏期間也會通過自身呼吸作用產(chǎn)生風味物質(zhì)，代謝物是采后果實保質(zhì)期和對貯藏環(huán)境響應(yīng)的感官和營養(yǎng)質(zhì)量屬性的生化和生理結(jié)果。通過代謝組學分析可以更好地理解果蔬生理活動的相關(guān)組成，闡明果蔬成熟、衰老、對儲存環(huán)境和采后處理的感官和營養(yǎng)質(zhì)量以及保質(zhì)期的機制，有助于促進采后果實發(fā)育和成熟的研究。例如，施用外源乙烯可以迅速均勻地加速果實成熟到最佳食用階段，外源乙烯通過顯著加速成熟來增強口感（特別是甜味、軟化度、酸味和多汁性）和風味，大量的脂質(zhì)、有機酸和酚酸在百香果果肉成熟過程中減少，糖醇含量增加，這些化合物含量的變化與百香果的味道和香氣有關(guān)，為影響百香果品質(zhì)的主要代謝物提供新的思路。

采后果實在貯藏過程中對貯藏環(huán)境的響應(yīng)所引發(fā)的代謝變化不當會導致品質(zhì)惡化，包括質(zhì)地軟化、顏色不均勻、風味流失和營養(yǎng)減少，例如果皮褐變就是果實采后貯藏過程中的一種重要生理現(xiàn)象，嚴重影響果實的風味品質(zhì)和市場價值。許多研究已經(jīng)探討了采后果實果皮褐變的原因和機制，低溫脅迫、失水、多酚氧化酶被認為是導致果皮褐變的主要因素。代謝組學分析已成功應(yīng)用于研究多種果蔬的變質(zhì)和褐變機制中，一些果蔬的次生代謝產(chǎn)物的生物合成與假種皮褐變有關(guān)，主要涉及類黃酮、黃酮醇和異類黃酮，特別是苯丙酮類化合物的生物合成。例如石榴對低溫敏感，果皮褐變被認為是寒傷的典型癥狀，而溫度是延長果蔬保質(zhì)期的重要因素，采后果實在貯藏過程中會受貯藏溫度的影響，導致果蔬香氣形成的相關(guān)酶活性發(fā)生變化，較低的貯藏溫度會抑制酶活性進而導致果蔬揮發(fā)性香氣成分形成減少[44]。有研究利用代謝組學技術(shù)及電子舌分析發(fā)現(xiàn)有機酸和部分游離氨基酸含量與桃果實的風味有關(guān)，甘氨酸甜菜堿處理可以提高低溫貯藏時桃果實的風味品質(zhì)和耐寒性[45]。其他果蔬不同發(fā)育階段及采后貯藏的風味物質(zhì)的研究如表3 所示。

表3 不同果蔬發(fā)育階段及采后貯藏的代謝組學分析Table 3 Metabolomic analysis of different fruit and vegetable development stages and postharvest storage

3.3 代謝組學在不同加工方式的果蔬風味物質(zhì)研究中的應(yīng)用

切割是果蔬最主要的加工方式，在切割過程中，會造成果蔬組織破損、細胞破裂、水分流失、乙烯生成增加、呼吸上升，并誘發(fā)各種次生代謝過程[51]。這些次生代謝過程的發(fā)生會產(chǎn)生大量香氣成分，影響果蔬的風味，代謝組學可為評估切割技術(shù)對果實品質(zhì)的影響提供依據(jù)。冷凍和脫水是果蔬儲存和加工方式，凍融產(chǎn)品的質(zhì)量會受到許多因素的影響，熱加工對其他關(guān)鍵黑樹莓化合物基團鞣花素含量也有著重要影響。多酚對食物的味道也有重要貢獻，主要包括兒茶素、類黃酮、花青素、綠原酸等，在茶、咖啡、可可和許多植物源食品中含量豐富，熱處理會對果蔬中的多酚的轉(zhuǎn)化有顯著影響[52]。果蔬加工儲存中，常用的包括煙熏、干燥、罐裝、腌制和冷凍，而腌制是果蔬中常用的延長保質(zhì)期的重要加工方法之一。目前對果蔬腌制過程果蔬長期儲存后的代謝變化的詳細分析較少。因此代謝物分析有助于更好地了解果蔬的腌制過程，并解釋腌制后水果的感官特性的改善情況，能夠為果蔬腌制過程中質(zhì)量控制，風味調(diào)控做理論基礎(chǔ)。發(fā)酵是果蔬醋及果酒的主要加工方式，風味也是決定果蔬醋質(zhì)量和可接受性的最重要因素之一。在發(fā)酵過程中，水果本身所含的物質(zhì)發(fā)生較大變化。相關(guān)性分析表明脂肪酸甲酯與甾醇、糖、高級醇、酮、醛、萜烯和揮發(fā)性酸之間存在很強的正相關(guān)關(guān)系。因此通過代謝組學技術(shù)手段有助于深層次發(fā)現(xiàn)果蔬在深加工中風味物質(zhì)的變化，為果蔬深加工中品質(zhì)的控制提供有力支撐。 表4 對不同果蔬加工方式的代謝組學分析進行了總結(jié)。

表4 不同果蔬加工方式的代謝組學分析Table 4 Metabolomic analysis of different fruit and vegetable processing methods

3.4 代謝組學在不同培育方式的果蔬風味物質(zhì)研究中的應(yīng)用

農(nóng)藥和肥料能夠提高果蔬的產(chǎn)量和品質(zhì)，結(jié)果表明，農(nóng)藥與葉面肥混合施用可顯著提高葉綠素、氮和有機酸含量[57]。在不添加葉面肥料的情況下，黃瓜果實的莽草酸-苯丙素途徑上調(diào)。而用葉面肥料施用農(nóng)藥后，三羧酸循環(huán)量上調(diào)了1.1 倍，提高了其抗氧化能力，促進了農(nóng)藥的消散，提高黃瓜果實風味品質(zhì)。利用代謝組學技術(shù)分析不同農(nóng)藥及肥料對果蔬培育過程中代謝產(chǎn)物的變化，能夠更精確了解果蔬栽培過程中的影響果蔬風味物質(zhì)的變化，提高果蔬培育中的關(guān)鍵技術(shù)。無土栽培系統(tǒng)，即在裝滿無土基質(zhì)的容器中種植植物，在一些土壤不適合的果蔬生產(chǎn)的地區(qū)越來越受歡迎。通過使用適當?shù)臓I養(yǎng)和水分管理策略，使得植物質(zhì)量很容易控制，然而對果蔬在不同無土有機基質(zhì)中生長的性能研究較少。綜合轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學數(shù)據(jù)表明，4 個差異基因VcPAL、VcHCT、VcF14G24.3和VcCHS的表達與類黃酮生物合成密切相關(guān)。該結(jié)果為藍莓生長在不同基質(zhì)中的適應(yīng)性的調(diào)節(jié)機制提供了思路。營養(yǎng)液的配制和管理是無土栽培的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有機營養(yǎng)液對櫻桃番茄成熟果實風味具有影響，發(fā)現(xiàn)添加營養(yǎng)液的櫻桃番茄果實中可溶性糖、有機酸和香氣揮發(fā)物含量改變，其次，苯丙氨酸及其下游酚類揮發(fā)物含量增加，水楊酸甲酯下降，還觀察到有機酸代謝和果糖和葡萄糖的合成得到了促進，這有助于進一步優(yōu)化無土番茄栽培的營養(yǎng)液配方。

4 結(jié)論

風味質(zhì)量是消費者選擇蔬菜和水果的最重要的標準之一，因此，在育種計劃中全面了解果蔬風味相關(guān)的代謝物與改進方法可以更好地指導育種。代謝組學在食品科學領(lǐng)域的快速發(fā)展表明了其鑒別、預測和信息分析的潛力，并為食品工業(yè)提供重要的信息。利用代謝組學評估果蔬中的風味相關(guān)代謝物變化將廣泛應(yīng)用于果蔬質(zhì)量評估、新產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化育種等方面。

然而，利用組學方法研究果蔬品質(zhì)性狀也存在一些問題和瓶頸。首先，果蔬中代謝物高度多樣化，有數(shù)千種代謝物，大量數(shù)據(jù)難以進行分析和比較。大多數(shù)研究只集中在共同性狀（果蔬的味道、顏色和大?。┍澈蟮倪z傳機制上，而許多其他有用的性狀仍未被破譯，如活性與功能成分。此外，相對較少的果實性狀可以歸因于單基因，而由基因網(wǎng)絡(luò)控制的復雜生物表型現(xiàn)仍難以闡明。目前，通過代謝組學研究能夠闡明影響果蔬揮發(fā)性呈香物質(zhì)和非揮發(fā)性呈味物質(zhì)的重要化學成分和影響因素，可為果蔬風味物質(zhì)形成的基因功能研究提供理論基礎(chǔ)，同時為果蔬風味品質(zhì)調(diào)控、遺傳育種，食品加工的健康發(fā)展提供未來研究方向。