代謝指紋分析及其在食品科學中的應用

梁強，郭曉暉，周蓓莉，趙國華，2

1(西南大學食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市農產品加工技術重點實驗室，重慶，400715)

代謝指紋分析及其在食品科學中的應用

梁強1，郭曉暉1，周蓓莉1，趙國華1，2

1(西南大學食品科學學院，重慶，400715)2(重慶市農產品加工技術重點實驗室，重慶，400715)

代謝指紋分析是代謝組學的重要研究手段之一，它具有快速、高通量、全局分析的特點。文中在總結國內外近幾年來有關代謝指紋分析研究開發與應用文獻的基礎上，對其概念與分類、分析流程及其在營養代謝性標記物研究、物質代謝規律研究、膳食調查與評價、食品原料差異性鑒別、食品質量評價與追溯等方面的應用，并對該技術在食品科學中應用進行了綜述。

代謝指紋分析，食品科學，溯源

代謝組指的是一個細胞、組織或器官中，所有代謝物組分的集合，尤其指小分子代謝物。代謝組學是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后，出現的一個相對較新“組學”研究領域，它能實現對代謝組中小分子(＜1 500 u)代謝物的高通量的定性和定量分析［1］。代謝指紋分析是代謝組學的重要研究手段，通過對代謝物的整體分析，比較圖譜差異進行樣品快速鑒別和分類［2］。代謝指紋分析技術已經廣泛的應用于植物學、醫學、生物、環境及微生物等領域［2－4］，在食品科學研究［5－8］也展現出誘人的潛力，但我國在這方面的研究才剛起步。本文在介紹代謝指紋分析基本原理與流程的基礎上，對它在國內外食品科學領域中的應用進行了綜述。

1 代謝指紋分析

1.1 代謝指紋分析概念與分類

代謝組學的出現可以追溯到20世紀80年代，而真正得到發展是在 20世紀末［5］。早期研究中，Nicholson［9］和 Fiehn［10］等曾分別提出了動態代謝組學(metabonomics)和靜態代謝組學(metabolomics)的概念。隨研究的深入，學術界對代謝組學進行了統一的定義。當前廣為接受的代謝組學是指通過對生物系統在給定時間和條件下所有小分子代謝物質進行定性和定量分析，從而從整體上揭示該生物系統內物質代謝規律的科學。

代謝組學中對小分子代謝物質的分析通常分為目標分析和非目標分析［6］。目標分析主要是針對特定的代謝物進行定性和定量分析，包括代謝物靶分析和代謝輪廓(譜)分析;代謝物靶分析是對一個或少數幾個已知結構和分析方法特定目標成分進行定性和精確定量分析;代謝輪廓(譜)分析是對結構、性質或代謝路徑相關的一組化合物進行定性和近似定量分析。非目標分析是對全部代謝物進行的模糊分析，通常借助于指紋圖譜，又稱為代謝指紋分析。該方法通過不同因素條件下代謝物的指紋圖譜差異，對代謝過程進行全方位描述。與代謝物靶分析和代謝輪廓(譜)分析相比，代謝指紋分析能更為真實地反映生物系統內預期或不可預期的變化規律。

1.2 代謝指紋分析流程

代謝指紋分析包括生物分析和數據分析兩部分［1－11］，生物分析主要包括樣品制備(研磨、冷凍、干燥、稀釋等)、代謝物萃取、衍生化作用、代謝物檢測獲得可供分析的大量有效數據(圖譜);常用的生物分析技術包括液相色譜-質譜(GC-MS)、氣相色譜-質譜(LC-MS)、毛細管電泳-質譜(CE-MS)、傅里葉變換紅外光譜-質譜(FTIR-MS)及核磁共振技術(NMR)等。這些技術各有優缺點和適用對象［5］。數據分析主要包括原始數據進行預處理、指紋圖譜比較或化學計量學統計分析，挖掘數據信息，尋找變化規律，從而反映代謝的進程。預處理的目的去掉代謝物之外的背景干擾;常用的化學計量分析包括主成分分析(PCA)和偏最小二乘法-判別分析(PLS-DA)。代謝指紋分析流程圖見圖1。

2 代謝指紋分析在食品科學中的應用

2.1 營養代謝性疾病標記物研究

圖1 代謝指紋分析流程圖

代謝指紋分析已用于糖尿病、肥胖病、慢性炎癥等營養性代謝性疾病及其并發癥的研究，對機體的代謝物(如血液、尿液、糞便等)進行全面分析，從指紋圖譜上快速的區分不同的代謝途徑，再與代謝物數據庫比對，找到相關的生物標記物。許多研究(表1)表明，該分析技術可以作為發現機體代謝異常和尋找潛在的生物標記物的有效工具，為醫學疾病的診斷提供有效的信息。

表1 代謝指紋分析在營養代謝性疾病標記物的應用

2.2 物質代謝及膳食結構研究

傳統研究膳食結構的方法是食物問卷調查或飲食日記，由于參與者主觀性強很難準確完整的記錄他們每天的膳食情況，因此，此方法具有局限性，而代謝指紋分析是一個有效的客觀的飲食結構分析方法。有報告指出代謝指紋分析能準確地區分標準早餐和測試早餐［17］，同時也用于分析物質在機體內的代謝。從這些研究(表2)可以看出，代謝指紋分析用于分析物質代謝及膳食結構具有潛在的前景，進一步研究飲食與健康的關系，提出更加合理的膳食指南。

表2 代謝指紋分析在物質代謝和膳食結構的應用

2.3 食品原料鑒別分類

代謝指紋分析常用于食品成分分析，可以追溯原料的品種、來源地、生長環境及養殖方式，從而判斷原料的安全性。Luthria等人［23］利用紫外光譜和方差分析－主成分分析對花椰菜進行分析，發現不同品種之間和生長條件下花椰菜的指紋圖譜存在明顯差異，能夠快速鑒別分類。Davis等人［24］發現非轉基因和轉基因大麥的成分存在明顯的不同。類似的研究見表3，這些研究都說明了，在鑒別食品原料的品種、質量、產地、生長環境的差異和成熟度時，代謝指紋分析是一個有效的研究策略。

表3 代謝指紋分析在鑒別食品原料的應用

2.4 食品質量評價及溯源

許多研究者將代謝指紋分析應用于食品質量安全的檢測(見表4)。它能提高食品檢測的速度、準確性及重現性。從這些研究看出，此分析技術能有效地對產品進行分級，鑒定產品品質，鑒別產品是否摻假，評價食品質量安全，更為重要是應用于食品生產過程的動態監管，確保每批產品的一致性。

表4 代謝指紋分析在食品質量安全的應用

2.5 其他方面的應用

代謝指紋分析也應用于食品加工中化學和微生物變化的研究。Chen等人［37］發現，不同保藏方式的肉類(火雞、牛肉、豬肉、羊肉、魚)和菠菜的指紋圖譜存在明顯的差異，進一步研究發現，冷凍肉在－20℃下也被大腸桿菌污染。Lee等人［38］發現，發酵茶的兒茶素、沒食子兒茶素、表兒茶素-3-沒食子酸、沒食子兒茶素-3-沒食子酸、奎尼酸、咖啡因和蔗糖的含量比綠茶低，而沒食子酸和葡萄酸含量高，鑒別不同加工工藝的茶葉。Del Bove等人［39］采用FI-IR對意大利10個地域奶酪中22種酵母菌進行分析，通過免費軟件“R”(http://cran.r-projet.org/)對酵母菌進行快速鑒別和表型分類。從這些研究可以看出，代謝指紋分析在鑒別食品保藏方式、食品加工工藝及分析食品中有益和有害微生物具有潛在的前景，在食品工業上，可以用來優化食品生產工藝，減少生產成本，控制加工過程減少每批產品的差異性，提高食品風味口感，確保食品質量安全。

3 展望

代謝指紋分析是代謝組學重要研究內容之一，它是從全局的角度去研究代謝物組，對樣品進行快速的鑒別和分類，如果要對各信號所代表的代謝物進行定量和結構鑒定，還需要借助目標分析方法。目前出現許多改進技術，如超高液相色譜-質譜(UHPLCMS2)、二維氣相-飛行時間質譜(GC×GC-TOF-MS)，液相-飛行時間質譜(LC-TOP-MS)、實時直接分析飛行時間質譜(DART-TOP-MS)和混合四極飛行時間質譜(Q-TOP-MS)、超高液相色譜－飛行時間質譜(UPLC-TOP-MS)、2D-NMR等為代謝指紋分析的廣泛應用提供了技術平臺。

縱觀當前代謝指紋分析的研究，還可以進一步利用該技術建立食品代謝物數據庫和人體代謝物數據庫;建立一個標準化、可接受、重現性好的人類營養學研究方案;食品加工和食品變化的標記物篩選;食品功能成分及有害物質代謝物標記物篩選與鑒定;食品中危害物定性與定量測定;食品生產過程控制等。由此可見，代謝指紋分析在食品科學中是應用前景廣闊。

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Metabolic Fingerprinting Analysis and the Application in Food Science

Liang Qiang1，Guo Xiao-hui1，Zhou Bei-li1，Zhao Guo － hua1，2
1(College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China)
2(Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center，Chongqing 400715，China)

Metabolic fingerprinting analysis is one of the important research strategies of metabolomics．It is fast，high － throughput，and overall analysis．With the summarizes of relevant metabolites from home and abroad in recent years，the paper describes its concept and classification，processing and application in metabolic markers in nutrition study，metabolism study，investigation and evaluation of diet，differences identification in raw materials，and food quality evaluation and food trace back．Meanwhile，the problems of the technology applied in food science and future development of the technology were discussed．

metabolic fingerprinting analysis，food science，traceability

碩士研究生(趙國華教授為通迅作者，E-mail:zhaoguohua1971@163.com)

2011－07－06，改回日期:2011－09－03