質譜成像技術在食品科學領域的應用進展

唐雪妹，謝書越，黃玉芬，萬 凱，王富華*

（廣東省農業科學院農產品公共監測中心，農業農村部農產品質量安全檢測與評價重點實驗室，廣東 廣州 510640）

在食品分析行業，組分分析常采用色譜以及色譜-質譜聯用技術，然而這些方法不僅具有均質、提取、凈化等復雜繁瑣的前處理過程，而且無法獲取目標物質在食品中的空間分布信息。目前，對食品快速化學成像的需求正穩步上升，傅里葉變換紅外光譜、拉曼光譜及高光譜等光譜學技術已經被廣泛用于鑒定食品中生物活性分子和化學標志物的空間分布[1]。近幾年，基于質譜的化學成像由于其卓越的分子特異性，成為化學分析中十分具有吸引力的方法。質譜成像（mass spectrometry imaging，MSI）相對于紅外等光譜學技術來說具有獨特的優勢。MSI技術能夠在不需要抗體、染色、標記及其他復雜前處理的情況下，直接分析樣品組織，同時獲得多種生物分子如蛋白、多肽、脂質、糖類等內源性代謝物以及外源性藥物的空間分布信息[2]。此外，該技術具有較高的檢測靈敏度及較強的分子鑒定能力，可檢測組織中低豐度生物分子，區分結構相似的化合物并從分子水平上提供大量獨特的信息，具有高化學特異性，尤其針對復雜的生物基質如食品和植物組織等。MSI已經被廣泛地應用于生物醫學、藥物學以及微生物學等領域[3-5]，其在食品分析領域也逐漸受到關注，它使從亞細胞到組織，甚至完整食品尺度范圍詳細地了解食品中的生物過程成為可能，為食品科學的基礎研究開啟了新的機會[6]。本文主要介紹MSI技術及其在食品質量安全領域的應用進展。

1 MSI概述

目前，MSI技術發展迅速，針對食品科學研究的不同需求，可采用的MSI技術不盡相同，因此深入了解現有MSI技術的特點和優勢是充分高效地將其用于食品研究的前提。MSI是通過將質譜離子掃描技術與專業圖像處理軟件結合，直接分析生物組織切片，產生任意指定質荷比（m/z）化合物的二維離子密度圖，實現對組織中化合物的組成、相對豐度及分布情況進行高通量、全面、快速分析[7]。

圖1 MSI流程圖[8]Fig. 1 Schematic representation of mass spectrometry imaging[8]

MSI的實驗流程如圖1所示，首先，將采集的樣品用包埋劑包埋后進行切片（A），對于不同的目標分子或者儀器類型，這一步可能還包含其他的樣品處理過程，如基質覆蓋、原位酶解或衍生等。其次，采用質譜儀器對樣品切片進行分析，采集樣品中化合物的質荷比、豐度以及坐標（x，y），獲得的數據經圖像軟件處理后以圖片的形式呈現，從而實現目標化合物的可視化研究（B）。樣品采集產生的海量數據可以通過成像數據軟件實現自動化提取、分析和歸類，從而有效獲得特征的分子或者特征的空間分布信息（C）。

隨著MSI技術的不斷發展和完善，以及由于各研究領域對成像技術的需求不同，目前已經發展起多種不同類型的MSI技術。其中，在食品科學領域應用最廣泛的是基質輔助激光解析電離（matrix assisted laser desorption ionization，MALDI）成像、解析電噴霧離子化（desorption electrospray ionization，DESI）成像、二次離子質譜（secondary ion mass spectrometry，SIMS）成像、激光燒蝕電感耦合等離子體（laser ablation inductively coupled plasma，LA-ICP）成像等；此外，激光燒蝕電噴霧離子化（laser ablation electrospray ionization，LAESI）成像、解吸大氣壓光電離（desorption atmospheric pressure photoionization，DAPPI）成像、低溫等離子體（low temperature probe，LTP）成像、激光解吸電離（matrix-free laser desorption ionization，LDI）成像等多種MSI技術在食品研究中也有少量應用。

2 MSI在食品科學領域的應用

目前，MSI正逐步成為食品科學領域重要的分析手段，已經被用于食品中多種生物分子的靶向和非靶向分析，包括食品內源性生物分子、功能食品的營養成分以及食品中的外源性添加殘留等，本文將主要從食品成分分析、食品營養評估、食品安全監控、食品來源鑒別4 個方面進行闡述。

2.1 食品成分分析

食品的組成成分如糖類、脂質、抗氧化物質、氨基酸、多肽以及礦物質等可以直接體現食品的品質和營養價值，值得注意的是食品微觀結構以及組成成分分布會影響食品穩定性和感官特性，甚至食品的生物吸收過程[9]；因此，全面了解食品組成和分布對食品科學領域的研究至關重要。MSI已經被廣泛用于食品組成成分分析（表1），該技術在描繪食品組成的同時，能夠提供額外的二維空間化學信息，可用于研究食品組成、分布、品質三者之間的關系，從而提升對于食品品質和代謝的理解。

脂質是食品組成的一個重要成分因子，能夠反映脂質在細胞、組織或者食品材料中的多樣性分布，不僅有利于解決生物學問題，同時有利于提高食品價值和改善食品加工方法。MSI技術目前已經被用于谷物[10-12]、水產品[13-14]、水果[15]、肉類[16]等多種食品中脂質的分析。Zaima等[11]用MALDI-成像質譜（imaging mass spectrometry，IMS）不僅定性鑒定了糙米中各類脂質的組成，同時定位了各類代謝物分布。研究發現，稻米中溶血卵磷脂（lysophosphatidylcholine，LPC）由59.4%LPC（1-acyl 16∶0）、19.6% LPC（1-acyl 18∶2）、14.2%LPC（1-acyl 18∶1）和6.8% LPC（1-acyl 18∶0）組成，主要分布于胚乳組織；磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）由19.6% PC（diacyl 16∶0/18∶2）、21.0% PC（diacyl 16∶0/18∶1）、15.0% PC（diacyl 18∶1/18∶3）、26.7% PC（diacyl 18∶1/18∶2）和17.8% PC（diacyl 18∶1/18∶2）組成，與γ-谷維素和植酸一樣，特異性分布于種子外皮，而α-生育酚只存在胚尤其是盾片部位。Zaima等[12]進一步研究了不同類型的LPC在大米胚乳中的分布差異，結果發現LPC（1-acyl 16∶0）均勻分布于整個胚乳組織，LPC（1-acyl 18∶0）分布于胚乳中心區域，而含有不飽和脂肪酸殘基的LPC（1-acyl 18∶1）和LPC（1-acyl 18∶2）主要位于大米胚乳的邊緣區域。特定成分的谷類可以用于生產特定產品，而大米的加工過程如拋光會導致分布于邊緣的營養成分丟失，因此，大米中脂質含量和分布直接決定自身的營養品質，同時也會對后續加工產品品質如釀造米酒的風味產生影響。此外，脂質氧化是肉及肉類產品質量的一個重要指標，Dyer等[16]利用MALDI-MSI研究了不同氧濃度包裝條件下牛排脂質組學，并選用多種脂類作為牛肉品質監測的生物標志物。研究發現，有氧條件下，脂質會快速發生降解并且這種氧化降解現象在組織中具有不均勻性，MSI可作為一種分子水平脂質分析技術，用于食品品質、加工、包裝、存儲評估。

植物代謝物是植物源性食品的重要組成部分，與食品的顏色、風味、口感、質地等密切相關。利用MSI技術獲得代謝物在食品中的空間分布信息有利于食品中化合物的合成和代謝途徑研究，從而有效控制食品在貯藏與加工過程中的營養成分變化，以保持和改善食品及相應加工制品的感官和營養品質。Nakamura等[17]可視化研究了不同基因型番茄在生長、成熟以及損傷過程中內源性代謝物變化，該方法有助于空間分辨理解蔬果代謝行為，揭示生理改變和響應以及形態變化的基礎機理。糖類是食品成分中一類重要的化合物，是生命活動的主要能量來源。Peukert[18]及Veli?kovi?[19]等研究了小麥中的果聚糖和多糖類，結果表明糖類分布不均勻性直接影響小麥的質量和利用。此外，利用MSI對食品中蛋白和多肽的研究同樣引起關注，Grassl等[20]利用MSI獲得了大豆子葉中分子質量在3 000～9 000 Da范圍的多個植物蛋白離子的空間分布；Chansela等[21]獲得了斑節對蝦中樞神經系統中的神經肽的分布，這些研究表明，MSI可以用于研究食品中多肽和蛋白的分布情況，可實現食品科學領域的蛋白質綜合分析。

食品中微量元素是食品營養價值的重要參數，定位和量化植物中元素分布對于理解植物代謝、礦物質吸收和轉運以及植物處理有毒元素的方式至關重要。Wu Bei等[22]利用LA-ICP-MS研究了小麥中主要的營養元素，研究發現K、Fe、Cu、Zn、P、S等營養元素主要分布在胚芽中，Ca元素主要分布在種皮。在研磨的過程中，胚芽通常被去掉，從而導致谷物中營養元素的損失。淀粉質胚乳是制作面粉的主要部位，但是除了S以外，該部位所有的營養元素含量都很低。此外，Mo、Se等微量元素也得到了一定研究[23-24]。

表1 MSI在食品成分分析中的應用研究Table 1 Applications of mass spectrometry imaging in food characterisation

2.2 食品營養評估

植物活性代謝物是食品品質和營養評估的重要因素，如黃酮類、酚類、花青素、人參皂苷及活性生物堿等，可視化植物組織中功能成分是篩選高藥理活性植物以及評估食品品質的一項新型實用技術（表2）。Yoshimura等[49-50]用MALDI MSI分析了黑米和藍莓中花青素的不同分布，研究發現在黑米中花青素根據糖環殘基不同而分布不同，在藍莓中則由苷元殘基來區分，該研究表明花青素在這兩種食品中的生物學功能差異。Taira等[51-52]利用MSI分析了天然中藥材人參以及辣椒果實，鑒定了多種具有藥理學特性的人參皂苷和生物堿辣椒素。研究發現，辣椒素主要分布在辣椒的胎座，比果皮和種子中含量更高。人參皂苷主要分布于人參根的皮質和周皮，而髓質中含量較少，并且根尖含量高于根中間部位。因此，MSI可作為一種食品質量和營養價值評估的新方法，用于快速評估一般食品和高品質食品。

更重要的是，繁瑣而耗時的傳統樣品制備過程容易造成樣品中低豐度的活性物質丟失或者破壞，而MSI可以直接分析組織切片，同時獲取食品有效成分的分子結構和位置信息，有望通過描繪代謝物空間分布從而探索未開發自然資源中功能食品因子，在食品營養分析領域具有較大應用前景。Goto-Inoue等[53]利用MALDI MSI可視化研究茄子代謝物時發現茄種子特異性富含高γ-氨基丁酸。γ-氨基丁酸是食品中重要的功能因子，了解其在植物中的特異性分布對于營養學和藥理學研究以及改善γ-氨基丁酸富含植物的培育過程至關重要。Bhandari等[54]利用高分辨MSI首次定位了具有抗癌活性的cyathane型二萜類化合物及一系列猴頭菌素類代謝物在蛋巢菌和猴頭菇中的分布；Jaeger等[55]利用高分辨MSI在石斛小菇組織中篩查出一種新的次級代謝物β-咔啉生物堿。這些研究表明MSI是探索食品功能因子、研究未開發自然資源中營養成分特異性分布、評估功能食品質量的有效工具。

表2 MSI在食品營養評估中的應用研究Table 2 Applications of mass spectrometry imaging in food quality evaluation

2.3 食品安全監控

在傳統的質量安全評估中，食品的化學組成和含量通常由樣品的平均值決定，忽略了空間異質性。目前，對食品空間分辨分析不僅引起尋找天然食品成分附加價值的科學研究者的興趣，在食品安全監測上同樣有應用，主要涉及食品污染、食品添加、表面瑕疵或者篩查過敏源等方面。對于食品公司和衛生組織，監測污染物在食品中的遷移、定位過敏源分布、直接檢測和分析毒素是非常重要的食品安全保障方法。食品中有害物質可能來源于天然成分，也可能在食品加工、貯存及運輸過程形成，甚至可能是人為非法添加的，可視化食品中有害物質的分布能夠極大地幫助我們監測已知或者未知污染可能引起的風險因子，是確保食品質量和安全的重要組成部分（表3）。Yang Shuiping等[62]用表面解析常壓MSI實現了雞蛋中三聚氰胺成像，發現三聚氰胺主要集中在蛋清區域。Taira等[63]利用MSI監測黃瓜中殺菌劑殘留情況以及動態滲透過程，結果顯示腐霉利殺菌劑不僅會殘留在表面，還會遷移到黃瓜的中心部位。Nielen等[64]利用LAESI-MSI對食品中污染物和成分進行了宏觀和微觀空間分辨分析，包括農藥殘留、真菌毒素和天然組成，其不僅可反映出農藥中隱性添加成分，同時表明殺菌劑在果皮上的滲透深度存在位置差異性。

糖苷生物堿是一種內源性植物毒素，在土豆和番茄等茄科植物中比較常見，給食品安全帶來隱患。該類物質較難分析，一般依賴于監測土豆的發綠現象來評估生物堿水平。Tata等[65]采用MSI技術實現了土豆塊莖中有毒物質和生物活性代謝物的同時監測，該研究比較了多種不同糖苷生物堿在土豆塊莖不同部位的分布和相對豐度，提示該技術能夠在食品質量安全控制方面發揮重要作用。木薯、杏仁、枇杷和亞麻籽等食源性植物中容易產生氰苷，該類物質可水解生成高毒性的氰氫酸，從而對人體造成危害。Li Bin[66]和Dalisay[67]等分別研究了木薯塊莖和亞麻籽中的生氰糖苷類物質的分布。在某些情況下，精確地定位有害天然毒素的存在，不僅為食品的質量安全考慮，還有利于進一步研究天然毒素的形成和代謝。

真菌毒素是食品污染的另一大風險因素。de Oliveira等[68]用MSI技術鑒定了花生表皮和核仁部位的4 種黃曲霉素（B1、B2、G1、G2）以及萜類（白蘆藜醇）。萜類是一種植物抗毒素分子，屬于堅果的次級代謝物，可用于監測真菌污染。該項研究表明MSI能夠同時定性評估花生皮和核仁部位中黃曲霉素和萜類物質，提供精確追蹤堅果或者其他食品中真菌污染情況。Hickert等[69]還研究了葡萄、玉米真菌感染模型中毒素的分布情況。

在發展中國家，食品安全分析的熱點是農藥、抗菌類藥物、塑化劑以及食品添加劑等，而發達國家關注更多的是食品中蛋白和多肽類過敏源所引起的安全風險。Cavatorta等[70]利用MALDI-MSI研究了桃子中主要的過敏物質脂質轉移蛋白Pru p 3，該研究在不需要抗體的情況下，可直接定位該蛋白在水果中的分布。Bencivenni等[71]報道了番茄中非特異脂質轉移蛋白存在多種亞型并且主要集中在種子中，該項研究對于篩選低過敏性農作物至關重要。食品中過敏源成像分析是相對較新的研究領域，其為食品加工公司無過敏源產品提供一種簡單、可視化證實方法。

表3 MSI在食品安全中的應用研究Table 3 Applications of mass spectrometry imaging in food safety evaluation

2.4 食品來源鑒別

現如今，研究者對于農產品和食品的真假鑒定和產地溯源的關注日益增加，食品真實性的確定是食品質量控制和安全保障中重要的環節。人參、西洋參、三七是三大人參屬類植物，人參屬因具有相似的植物形態學特征，產品的種類用肉眼很難區分，尤其是加工成片狀、粉末或提取物產品后，辨識更加困難。分子生物學分析（DNA條碼、DNA指紋圖譜、聚合酶鏈式反應）和化學分析（基于色譜質譜技術的代謝組學）已經被用于鑒定不同的人參屬植物。然而，分子生物學技術包含復雜的步驟，色譜質譜聯用技術需要均質、提取、凈化等過程，存在耗時長、耗試劑多且無法獲取目標物的空間位置等問題。此外，在藥材加工和樣品前處理過程中，活性成分容易改變或者丟失。因此，發展一種快速、可靠的方法來鑒別不同人參屬是保證人參質量安全的迫切需求。Wang Shujuan等[60]利用MALDI-TOF-MSI技術定位鑒定了51 種人參根組織中的皂苷，并且將MSI和主成分分析結合，首次實現了3 種不同的人參種屬的快速區分。MSI獲得的二維離子密度圖可以反映人參皂苷在不同根組織結構中的分布差異和相對豐度變化，為品種鑒別提供有價值的信息，對生物化學通路研究和藥材的有效性研究具有一定的意義。

Zaima等[79]利用MALDI MSI結合主成分分析進行了牛肉來源的真實性評估，對于3 個不同產地的日本黑牛大腿肉進行了產地溯源。常規的液相-質譜提取方法發現，3 個樣品中脂質的種類和含量沒有明顯的區別，而成像方法則可以根據不同產地牛肉中脂質分空間分布差異來進行分組。Promchan等[80]用LA-ICP-MS進行了水稻籽粒的元素成像，評估了20 種元素在中心胚乳的含量并且將這些元素用作稻谷品種和來源鑒定的化學標志物。雖然MALDI MSI的可靠性沒有穩定同位素高，但是可以作為品質鑒定和產地溯源的快速篩查方法。

3 結 語

食品相關化合物空間分布研究具有重要實際意義，其可為設計和生產高營養價值食品提供依據，為食品的品質鑒定提供新的方法，還可促進改善食品加工和儲存技術。MSI在不需要放射性或者熒光標記的前提下，同時獲得化合物的結構和空間分布信息，具有高通量、高分子特異性，在食品學科領域逐漸受到關注。本文總結了近10 年MSI技術在食品科學領域的應用研究，充分說明基于質譜的成像技術能夠用于食品內源性代謝物和外源性污染物的空間化學信息研究，是確保食品質量安全和人類健康的有力分析工具，同時希望能夠吸引更多食品研究者應用該技術推進食品科學的進一步發展。隨著MSI儀器的不斷改進，MSI在離子化方法、檢測靈敏度、數據處理以及樣品準備流程等方面都得到了很大的提高，未來必將更廣泛地被用于食品科學領域，從而便于研究者更好地理解食品空間和時間差異的分子基礎。