果蔬風味物質形成的生物化學基礎

孫嘉卿，馮濤，宋詩清，姚凌云，孫敏，王化田

（上海應用技術大學香料香精技術與工程學院，上海 201418）

水果是人類飲食的重要部分，也是平衡飲食中不可缺少的輔助食品和營養來源，含有較多的水分、維生素和膳食纖維，而脂肪和蛋白質含量較低。蔬菜作為低糖、低鹽、低脂的健康食物，是人們攝取營養的重要途徑。近年來，隨著消費者風味需求的多元化，對果蔬中揮發物的重視程度逐漸增強。而果蔬風味物質的生物合成途徑對解釋多元風味的產生起決定性作用。事實上無論是采前還是采后，果蔬揮發物的表征都非常復雜，因此全面了解果蔬中揮發性化合物的化學和生物學特性對于提高新鮮果蔬的風味質量至關重要，也為今后果蔬風味的可控性研究提供思路。

1 果蔬風味物質的分類

1.1 果蔬的分類

古代水果被劃分為五果，據《素問·臟氣法時論》記載：五果是指棗、李、杏、栗、桃五種果實。中醫上從性味將水果分為寒涼、甘平、溫熱水果。按照水果中所含糖分及酸的含量，還可以分為酸性、亞酸性、甜性、堿性水果。而基于呼吸作用的生理差異和成熟期對乙烯合成的依賴可將水果分為呼吸躍變型和非呼吸躍變型。蔬菜可以從食用器官、農業生物學、植物學角度進行分類。近年來有許多新的研究關注在更細化的分類上，如利用視覺捕捉技術設計的拾取機器人水果自動分類系統[1]；基于小型化便攜式光譜成像技術的分類識別系統；張晨等[2]則對蘋果和柑橘類水果進行了更深入地分類識別研究。可見對于果蔬的分類還有更多的空間有待發掘。

1.2 果蔬風味物質的分類

1.2.1 醛類、酮類、酯類、醇類、含硫化合物

食莢菜豆揮發性化合物主要為醇類、醛類、酯類、酮類、酸類等[3]。榴蓮果肉中，揮發性成分以二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚等含硫化合物為主[4]。C6、C9 的醛類、醇類是黃瓜、甜瓜的主要風味物質。菠蘿的揮發性成分中酯類物質占44.9%[5]。蘋果揮發性物質中，低分子酯類物質占78%～92%，以丁酸乙酯、己酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯等為主[6]。氨茴酸甲酯和甲酸乙酯是果香型葡萄的特殊香氣成分[7]。蘿卜、白菜中含量最高的是異硫氰酸酯類[8]。由于醇的氣味閾值高于醛同系物，因此醇作為風味劑的重要性不高。

1.2.2 苯酚和相關化合物

通常，揮發性酚和相關化合物是具有甲氧基、酚基、乙烯基或醛基的苯取代的衍生物，其特征香氣成分為苯乙醇、香蘭素、百里香酚和丁香酚等。葡萄揮發性物質中含有苯甲醇、苯乙醇、香草醛、香草酮及其衍生物[9]。酚類物質對橄欖果實的風味有很大的影響，尤其是對其苦澀味影響較大[10]。在竹筍的揮發性成分中則檢測出3-羥基-2-丁酮、吲哚類成分及苯酚類物質[11]。

1.2.3 芳香族、脂肪族、雜環化合物

氨基酸代謝會生成脂肪族，芳香族，支鏈的醇、酸和羰基化合物，這些化合物進一步合成對水果風味至關重要的酯。當糖類與氨基酸相互作用時，會形成醛、烷基吡嗪、烷基噻唑啉等揮發性化合物以及其他因Strecker 降解而產生的雜環。這些化合物是許多水果中具有明顯果味的重要揮發性物質。如在對桑葚的氣味活性物質研究中發現，苯甲醛、苯乙醛、苯乙酮等芳香族化合物對香氣有很大的貢獻[12]。

1.2.4 萜類化合物

目前在果蔬中已發現超過5 萬種萜類化合物，常見的有單萜、倍半萜等[13]。在單萜類化合物中，薄荷醇、月桂烯和芳樟醇作為植物精油的主要成分，是果實香味的主要來源[14]；R-檸檬烯通常占柑橘類水果精油的90%以上；S-芳樟醇在草莓香氣中具有重要作用，對番茄等其他果蔬的香氣也很重要[15]。倍半萜烯在橙果的香氣中起重要作用；萜烯類化合物賦予葡萄令人愉悅的玫瑰香型風味，由于具有較低的感官閾值，即使含量不高，也能貢獻出明顯的香味[16]。

2 果蔬風味物質的采前生物合成途徑

水果的典型風味物質大多在生長發育的成熟階段產生。機體通過異化作用將來自環境或細胞自己儲存的高分子量前體物質在酶的催化下一步步轉化為較小的、簡單的糖或酸類以及揮發性化合物，開始產生風味。蔬菜中風味物質的形成和水果中風味物質的形成有些差異，蔬菜的發育過程沒有成熟期，大部分的香氣物質都是在細胞破損時發生的。通過細胞破損使酶與原本隔離于細胞內的基質混合，產生揮發性物質。

2.1 碳水化合物代謝

植物體內高水平的碳水化合物對生長有很好的促進作用，植物通過光合作用獲取能量，將二氧化碳變成糖類，再代謝為所需的養分，因此，可以說幾乎所有的風味前體物質都間接來自碳水化合物的代謝，少數風味物質直接來自碳水化合物的代謝。對歐李的碳水化合物代謝研究中發現，植物體內的可溶性糖如葡萄糖、果糖等的含量多少與植物生長的風味形成密切相關[17]；枇杷花發育時，碳水化合物代謝為進一步代謝和風味的形成提供了最佳條件[18]；由六碳糖、低聚糖、高聚糖等碳水化合物為原料制備的羥甲基糠醛的含量對果蔬風味影響較大[19]。綜上所述，果實的風味品質受香氣濃度和糖分含量高低的影響[20]，大部分果實中揮發性香氣物質是果實碳水化合物次生代謝的重要產物[21]。

2.2 脂肪酸氧化

2.2.1 α-氧化途徑

α-氧化僅作用于C14-C18 鏈長的游離脂肪酸[22]，氧化途徑見圖1。當氧化降解的脂肪酸拆解到十二碳鏈以下時，α 氧化酶體系的活性逐漸減弱或消失，而十二碳鏈以下的脂肪酸即可循環其他氧化途徑（如β-氧化）進行代謝。關于對果蔬α-氧化的研究，最早是Hicthcock 等[23]研究綠豌豆子葉脂肪酸的α-氧化分解，并提取α-氧化的數種中間產物，為深入研究脂肪酸α-氧化奠定了基礎。但與β-氧化相比，α-氧化較少見。

2.2.2 β-氧化途徑

β-氧化途徑見圖2。由圖知直鏈酯成分被認為是通過脂肪酸的β-氧化合成的，然后在進行酯交換反應之前可以將其還原為相應的醇。葡萄中乙酸乙酯的含量最高，說明脂肪酸β 氧化酶高活性和專一性促使乙酸乙酯大量累積[24]。梨經β-氧化途徑產成風味，一般認為癸二烯酸酯是梨風味的載體，是亞麻油酸發生β-氧化而生成的。

2.2.3 酶促氧化途徑

有脂氧合酶（LOX）參加的氧化反應稱為酶促氧化。LOX 又名脂肪氧化酶、脂肪加氧酶或類胡蘿卜素氧化酶，專一催化含有順,順-1,4 戊二烯結構的多元不飽和脂肪酸的加氧反應，生成具有共軛雙鍵的多元不飽和酸的氫過氧化物，產生風味。乙醇脫氫酶、氫過氧化物裂解酶、醇酰基轉移酶等在香氣物質形成的過程中也起到了重要作用[25]。

目前，已經在豆類、水稻、花生、黃瓜、番茄、蘋果、桃等植物中發現LOX 的存在。LOX 在桃果實的己醛、反-2-乙烯醛等己醛類和醇類芳香化合物的合成、代謝過程中起決定性作用。經過脂肪酸途徑合成的揮發性物質在多數葡萄品種中高達94%。LOX 代謝途徑對獼猴桃果實風味物質尤其是酯類、醛酮類的合成至關重要。在蔬菜中，酶促氧化是導致甜玉米凍藏期間產生不良風味的重要因素之一[26]。在番茄果實的研究中，有結論表明LOX可能參與了香氣物質C5 的形成[27]。

2.3 萜類化合物合成途徑

萜類化合物從其前體物質到結構、功能各異的終產物的生物合成過程包括了三個階段（見圖3），分別為異戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的合成，香葉基焦磷酸（GPP）、香葉基香葉基焦磷酸（GGPP）、法呢基焦磷酸（FPP）的合成，萜類化合物碳骨架的形成及修飾[28]。GPP、FPP、GGPP 在TPS 催化下形成萜類化合物碳骨架或最終萜類化合物。

2.4 氨基酸代謝途徑

在各種水果和蔬菜中發現的含有低碳數的醇、醛、酸、酯等一系列有機化合物和芳香化合物，多為氨基酸通過脫氨酶、脫羧酶、脫氫酶和酯合成酶等合成丁子香酚（丁香）、茴香腦（茴芹）等風味物質[29]。其合成過程一般為氨基酸通過轉氨過程生成支鏈酮酸，再在脫羧酶、輔酶A、醇脫氫酶等的作用下生成相應的醛、醇、酯，并產生風味[30]。

有研究表明，以直鏈氨基酸L-亮氨酸為前體通過生物合成能產生蘋果和香蕉的一些特征風味。亮氨酸通過Strecker 降解可形成3-甲基-1-丁醇；苯丙氨酸和色氨酸可轉化生成苯甲醛；在酵母菌的作用下，苯丙氨酸可形成苯丙烷和苯類化合物[31]。苯乙醇賦予果蔬發酵香和玫瑰香；2-苯基乙醛對番茄風味有重要貢獻。在低濃度下，兩種化合物都具有令人愉悅的水果味，并且也是許多種花香的主要貢獻者。大蒜中最初的含硫風味成分γ-谷氨酰半胱氨酸，也是通過氨基酸代謝途徑產生的[32]。

綜上，水果和蔬菜風味物質生成的主要途徑以及相關風味物質見圖4、圖5[33]。

3 果蔬風味物質的采后生物合成途徑

3.1 乙烯代謝

果蔬采后生理學研究最早開始于20 世紀30 年代，主要圍繞新鮮果蔬的保存運輸、延長貯藏期、減損增值來展開，近年來發展迅速[34]。水果采后大部分通過內源乙烯含量以及自身的呼吸作用產生風味物質。非呼吸躍變型的草莓，采后乙烯釋放呈明顯上升趨勢。呼吸躍變型的芒果，呼吸強度和乙烯含量在果實成熟時都經歷了低值-上升-下降的過程，其中單萜的含量先增后減，大部分倍半烯萜類也開始合成，酯類物質的含量在后熟期間顯著增加。

3.2 人工發酵工程

3.2.1 生物合成

生物合成法主要是指利用微生物的自身代謝作用，在靜置期合成和積累對于細胞生長非必需的次生代謝產物。不同的菌種對發酵風味有很大的影響[35]。比較常見的應用是果酒的生產，目前已有許多研究對蘋果、葡萄、青梅等各種果蔬發酵展開。葡萄汁發酵后產生大量芳香類烷烴物質，能增加香氣；青瓜汁發酵后醇類物質含量的增加，使酒味、刺激性氣味增強，但發酵后過酸。類似梨和蘋果等的一些主要水果在發酵后酸甜感適中，特征香氣物質增加，尤其是原有的果香和花香；橙汁中萜烯類物質變化使新鮮氣息降低、發酵氣味增強。果蔬汁發酵后游離氨基酸總量下降，芳香族氨基酸和苯衍生風味物質增加。

3.2.2 生物轉化

生物轉化也稱生物催化，是指利用活的植物細胞、酶或微生物，以羥基脂肪酸、非羥基脂肪酸和脂肪酸酯等為底物，將化合物轉化成γ-羥基脂肪酸，然后再進一步轉化為內酯。近年來，已分離出由微生物通過生物轉化產生的各種風味化合物。將酶類添加到果蔬生產中，能有效改善其感官品質和風味，如在柑橘類水果中將果膠酶真空灌注，能降低柑橘皮苦味；在腌制或酸洗的過程中增強果蔬的揮發性和芳香性。香蘭素的生物轉化技術制備，多采用木質素、丁子香酚等做前體物，但轉化率和產量偏低。田紅玉等[36]認為阿魏酸作前體物質、以辣椒素為原料，在羧酸酯酶的作用下轉化為香草基胺，然后在風味蛋白香草基醇氧化酶的作用下通過兩步生物轉化制備香蘭素，很有發展前景。

4 果蔬風味變化的影響因素

4.1 礦物質營養

及時、平衡地獲取礦物質營養對于保持最佳的植物品質至關重要。常用的礦物質營養來源于肥料氮磷鉀，對于草莓果實，適當地施用氮肥可以增加漿果中風味成分的含量[37]；過量施氮則會降低葉菜類蔬菜（如芹菜）的風味[38]。磷肥增加了葡萄中單萜的含量，有助于葡萄的獨特風味和香氣的形成。鉀肥可以增加維生素C、氨基酸等物質的含量，從而改善果蔬的食用風味[39]。最高氮磷鉀施肥水平能夠提高赤霞珠葡萄己二醛和2-己烯醛的含量；較低的肥力水平能提高葡萄汁中己酸和乙酸己酯的含量[40]；施用雞糞和羊糞也可以改善番茄果實風味品質[41]。

4.2 水分

適度水分虧缺有利于果蔬香氣物質的合成，而過度的水分脅迫會抑制香氣物質的積累[42]。單萜類香氣物質的種類受水分影響較大[43]。對于草莓，有研究發現分根灌溉條件下灌溉量為土壤田間最大持水量的80%時，具有較好的營養優勢與風味優勢[44]。通過降低滴灌速率可使葡萄中的3-甲基丁酸辛酸和癸酸乙酯的含量顯著增加，這表明可以在不同的灌溉方式下獲得高品質的葡萄汁和葡萄酒。因此，在降水不足的時期進行灌溉，尤其是滴灌，目前已成為世界上許多溫帶葡萄酒產區的一種常見的灌溉方式，它是控制葡萄的營養和生殖階段的有效手段[45]。

4.3 生長調節劑的使用

采前噴施天然的植物生長調節劑，如茉莉酸、茉莉酸甲酯對風味品質也有影響[46]。植物生長調節劑處理后的葡萄酒，其胡椒的香氣特征有所增強[47]。氣調保鮮技術與1-甲基環丙烯（1-MCP）聯合處理藍莓，貨架期可延緩，貨架期間醛類成分流失[48]。通過1-MCP 處理不會降低蘋果乙酸乙酯濃度[49]。外源植物生長調節物質對果實風味也有不同程度的影響[50]。噻苯隆具有生長素和細胞分裂素的雙重作用，濃度較高時對甜瓜中揮發性風味組成和滋味影響較大；噴施在蘋果葉面能顯著增加風味物質種類，改變香氣成分相對含量[51]。氯吡苯脲會導致萜類物質，如里那醇、香葉醇等相對含量的降低，使果實風味變淡[52]；同時也會使厚皮甜瓜、西瓜中風味物質的種類和含量明顯降低[53]。

4.4 果實不同組織

在對葡萄的研究中發現，果皮的存在減少了黃酮、酸和酯的含量，而大多數酚類物質卻不斷增加[54]。桃果實不同部位的揮發性物質種類和含量差異也較為顯著。一般果皮中各種直鏈和支鏈烴類化合物、醛、醇、酮、酯和芳香物質含量均顯著高于果肉中含量。頂部和底部果肉中的揮發物主要是不飽和內酯的相對濃度不同，內酯類成分在果肉中的分布為：頂部高于中部高于底部，且差異顯著；苯甲醛濃度在靠近核仁部位最高，推測其可能由苦杏仁苷酶水解而來。

4.5 溫度

溫度是植物生長發育的關鍵因素，對果實風味影響較大。如冷涼氣候對葡萄和葡萄酒C6 化合物合成有一定的促進作用[55]。低溫貯藏可抑制獼猴桃的脂肪酸代謝活性，使果實的脂類物質含量降低，醛酮類物質含量增加，從而較好地維持果實的特征風味[56]。在0 ℃的條件下貯藏保存軟棗獼猴桃風味最佳[57]。溫度升高導致大多數風味成分減少，特別是除異戊醇外的風味成分均減少，而異戊醇卻大幅增加，導致明顯的雜醇味和苦味。

5 展望

作為果蔬品質評判的重要指標和關鍵部分，果蔬中揮發性風味物質的閾值濃度、占比、相互作用以及自身的可溶性糖、酸度等對風味指標表現出的高相關性是通過何種方式和相互作用進行的需要進一步探討和驗證。對于特征風味物質的生物代謝途徑，以脂肪酸氧化為例，不同酶的作用在對果蔬進行發酵處理等人工生物技術干預的時候，發酵原料、發酵菌種、發酵方法、澄清方法等各方面的操作條件和因素對其風味的形成、香氣協同作用也有很大的影響。如何通過調控酶的活性或底物的供應來調整果實的香氣及這些代謝相關酶和基因如何對外界刺激做出響應等問題，仍需要進一步探索。對于水果蔬菜進一步制成的產物，例如果醋、果醬、果茶、酸奶等，我們可以通過開發更高品質的產品，改良其風味品質，進一步挖掘其市場潛力[58]。

目前為止，對于果蔬采收前后成熟度的判斷沒有嚴格的標準，種植者往往通過經驗判斷，但易造成產品質量參差不齊，且會對后期深加工產品的質量造成不利影響。低場核磁共振（LF-NMR）等技術，具有無損便捷、準確實時獲得數據、樣品用量少等優點，可以多維度地通過各項生理指標對水果的成熟度進行更為準確地判斷，而后建立一個較為系統的判斷標準，有助于更加準確地判斷采收期，以產生更好的風味[59]。同時，加強采前培育階段的管理，以延長果蔬的采后貯藏壽命、加強果實香氣成分的積累和釋放、減少因冷害引起的經濟損失等方面的重視程度也有待提高。