油脂組學的發展及其應用

杜潤峰，徐勇將，劉元法

（江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122）

2009年，食品組學被定義為一門新興的學科，將先進的組學技術用于食品安全與營養等研究領域，以提高消費者在日常飲食中的幸福感、健康和信心[1]。油脂、蛋白質、碳水化合物是自然界存在的三大重要物質，也是食品中的三大重要組成成分。油脂不僅可以為機體活動提供熱量和必要的脂肪酸，且油脂中功能性成分也具有多種生理功能，如多不飽和脂肪酸具有降血壓、血脂、膽固醇，預防心血管疾病，老年癡呆癥、癌癥等多種功能[2-4]。但是，隨著食用油消費的不斷增加和產業的迅速發展，油脂加工過程中危害物檢測過程繁瑣、特色油料產業發展依然處于弱勢、油脂與營養之間的內在聯系不透徹等問題成為油脂科學發展的重要挑戰[5]。因此，油脂組學作為食品組學中重要的分支，應用基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學和生物信息學等先進的研究方法，實現了對復雜的油脂結構高通量、高靈敏度、高精密度的分析，突破油脂營養和安全問題的瓶頸，為油料種植、油脂加工、油脂質量安全和營養吸收等問題提供了解決方案。

1 油脂組學的定義及研究方法

1.1 油脂組學的定義

油脂組學是基于多組學技術，研究油料生產、加工到消費使用全鏈條過程中物理和化學特性、營養和安全問題的綜合性學科，是食品組學的組成部分（圖1）。油脂組學不同于脂質組學，脂質組學作為代謝組學的一個分支，主要用于研究生物體內脂質分子的特性、鑒定脂質代謝和脂質介導的信號傳導過程中的變化[6-7]。油脂組學是一個包含廣泛學科的新概念，從DNA、RNA、蛋白質、代謝物等分子層面解釋油料作物代謝途徑和油分差異的調控機制，發現和篩選優良品種；實現高通量、高靈敏度、全覆蓋地測定油脂組分及其揮發性化合物在加工過程中動態變化規律；從營養基因學、蛋白質組學和代謝組學角度解釋油脂成分及其伴隨物的代謝途徑和對慢性疾病的調控；從基因組學和代謝組學快速、高效地評估油脂的安全性、真偽性和溯源性。因此，油脂組學將油脂科學研究帶入了新時代。

圖1 油脂組學的研究內容Fig. 1 Research aspects in oilomics

1.2 油脂組學的研究方法

油脂組學的主要研究方法包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等，以及生物信息學技術對組學大數據分析，展現油脂-生物系統相互作用的整體圖景。

基因組學旨在確定生物體中存在的遺傳信息，常用的技術手段有全基因組測序、基因分型、表觀基因組學等[8]?；蚪M學可以解釋油料作物的脂質積累和降解途徑以及油分差異的調控機制，為實現優良品種的培育提供依據，還有利于油脂的追溯性和摻假檢測。此外，基于高通量測序技術的腸道微生物宏基因組學為研究油脂攝入對慢性病的干預和治療提供了新思路[9-10]。

轉錄組學是主要研究細胞或組織所有基因轉錄及轉錄調控規律的學科，其中用于定性和定量轉錄組的方法主要可分為基于雜交技術的基因芯片技術，以及基于測序分析的全基因組表達譜研究，其中RNA-seq技術是基于測序分析方法的最新代表，成為目前轉錄組研究的主要手段[11-13]。轉錄組學通過高通量測序對油料作物基因進行全局分析，探討物種間油分差異的調控因素，為遺傳改良提供基礎；還可以對生物體內的基因表達進行分析，探究油脂及其伴隨物對體內穩態的調節作用，明確油脂與營養之間的內在聯系。

蛋白質組學是利用蛋白質組分分離技術、鑒定技術以及信息學對蛋白質結構、功能進行分析和預測[12]。常用的分析平臺包括雙向凝膠電泳質譜（two-dimensional electrophoresis，2-DE-MS）、多維蛋白質鑒定技術（multidimensional protein identification technology，MudPIT）、基質輔助激光解吸電離飛行時間串聯質譜（matrix assisted laser analytical ionization time-of-flight mass spectrometry/mass spectrometry，MALDI-TOF-TOF MS/MS）[11]。利用蛋白質組學方法可以更好地理解油料作物中油脂形成機理和油脂對于一些慢性代謝疾病的調控機制，以及鑒定疾病標志物等。

代謝組學可以分為非靶向代謝組學和靶向代謝組學。非靶向分析在檢測和發現新型油脂方面非常出色，因此非常適合于發現差異和生物標志物候選物的篩選，盡可能覆蓋所有的組分，但對所有的化合物測定不能達到最優；而靶向分析是對某個特定組分進行分析，對所選擇的組分測定更靈敏和徹底，在研究分子機制方面具有強大的作用[14]。脂質組學作為代謝組學的分支，在生物醫學研究中已被用于藥物活性和治療效果的評價以及某些疾病的早期診斷[15]。目前，廣泛應用的分析手段有核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、氣相色譜-質譜聯用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液相色譜-質譜聯用（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）和毛細管電泳質譜（capillary electrophoresis-mass，CE-MS）等[14,16]。此外，快速蒸發離子化質譜（rapid evaporative ionization mass spectrometry，REIMS）是一種無需樣品預處理的新型實時質譜技術，通過手持智能手術刀切割樣品采集數據從而獲得組學輪廓，檢測離子的信噪比范圍為49.58～205.30，靈敏度和精密度均較高，是一種簡單、高效、準確的新型技術手段[17]。

2 油脂組學的應用

2.1 油脂組學在物理和化學特性方面的應用

油料作物中油脂含量及組分受到遺傳和環境等多種因素的影響。油脂組學中的基因組測序、RNA測序（轉錄組測序）有助于確定基因的特征，差異基因的表達，為研究油料作物的代謝途徑和油分差異的調控機制以及培育優良的油料作物提供種植方面策略和技術手段。Thambugala等[18]通過對120個亞麻品種的基因進行測序，確定了6個去飽和酶基因的遺傳變異及其對脂肪酸組成的影響，為開發獨特的、有價值的亞麻油料提供了有用的遺傳和分子信息；沈玥[19]建立白菜、甘藍及甘藍型油菜脂類代謝基因庫，并對酰基酯類代謝相關基因及轉錄因子進行注釋和綜合分析，為油菜油脂含量與組分改良提供理論依據，同時也為其他油料作物脂肪酸的積累和改良提供寶貴信息；Vuorinen等[20]表征了不同生長條件對油菜種子中油脂成分與基因表達水平的影響，發現降低溫度和減少日照時間能夠提高油菜種子中十八碳三烯酸的水平，且促進參與甘油三酯（triglycerides，TG）生物合成的基因表達。陳書琪[21]比較了大豆、油菜、棉花、芝麻種子在不同發育時期的基因差異表達及油脂代謝、糖轉運、糖酵解等相關基因的表達，探討了物種間油分差異的調控因素，也為油脂含量差異的分子機制提供了科學依據。

油脂組學可以通過蛋白質組學和代謝組學方法研究油料作物種植過程中蛋白質的動態變化規律、油脂積累和降解機制，為油料作物的育種和種植提供新思路。王允[22]分析了花生種子在不同發育時期及萌發后蛋白質組學的變化規律，挖掘了不同發育時期的油脂積累和萌發后油脂降解分子機理，進一步通過CRISPR-Cas9定點突變技術敲除FAD2基因分析花生高油酸性狀的分子遺傳機制，為培育高油酸花生提供基礎。Zhang Yujuan等[23]對經過鹽處理的耐鹽和敏感性芝麻幼苗的30個樣品進行了RNA測序和定量蛋白質組學分析，不同品種之間基因和蛋白質表達譜的差異可能有助于解釋芝麻的鹽分響應和耐受機制，也有望為其他油料作物耐鹽性的分子機制提供有價值的信息。Bennouna等[24]通過代謝組學和轉錄組學等方法，發現油菜種子的乙醇提取物能夠誘導血漿前列腺素物質水平降低而緩解氧化應激，指出種植條件或遺傳特性改變會引起植物種子次生代謝產物水平發生變化，進而影響其營養健康特性。Woodfield等[25]采用脂質組學方法，分析不同品種油菜在脂肪積累點以及甘藍型油菜在油分積累的早、中、晚3個階段的三酰基甘油、二酰基甘油、磷脂酸、磷脂酸膽堿和磷脂酸乙醇胺的變化，發現分子種類的分布明顯不同，并且表明了油脂積累過程中代謝的復雜性質，理論計算指出三酰基甘油生物合成過程中二酰基甘油?；D移酶的貢獻高于磷脂二酰甘油?；D移酶，這對理解世界上第三重要油料作物中最終貯藏脂質的形成有重要貢獻。

2.2 油脂組學在油脂加工方面的應用

油脂組學可以從分子水平研究加工過程對油脂組分的影響，為探索更加安全、高效、綠色的加工方式提供依據。胡謙等[26]分析鑒定了壓榨和浸出油茶籽油的55 種甘油酯，發現這兩種方式得到的油茶籽油中甘油酯相對含量差異不顯著，而結合化學計量學，建立主成分分析（principal component analysis，PCA）和正交偏最小二乘-判別分析（orthogonal partial least square-discriminant analysis，OPLS-DA）模型可以有效區分不同加工方式的油茶籽油。雷有娟等[27]對5 種溶劑提取的磷脂中脂肪酸組成進行比較，發現正己烷提取的磷脂中不飽和脂肪酸含量最高，然后用超高效液相色譜-四極桿串聯飛行時間質譜儀（ultra-high performance liquid chromatographyquadrupole time-of-flight mass spectrometry，UPLC-QTOFMS）在負離子模式下分析白酥油、黃酥油、白酥油磷脂和黃酥油磷脂的脂質成分，發現白酥油、黃酥油和白酥油磷脂中磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）含量最高，而黃酥油磷脂中磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PS）含量最高，這一發現為牦牛酥油的進一步開發奠定基礎?；诖x組學方法，Jiang Fan等[28]指出熱榨和水酶法制備的花生油可以有效改善高脂飲食引起的機體損傷和肝代謝紊亂，攝入冷榨花生油可以降低大鼠肝臟和血清中的部分氨基酸、脂肪酸、磷脂和碳水化合物水平，而攝入水酶法制備的花生油可以增加大鼠肝臟和血清中棕櫚酸、尿酸和嘧啶含量。

油脂制備、烹調、煎炸等會影響油脂風味，運用油脂組學的方法高通量測定揮發性化合物的變化規律，對油脂的加工利用具有積極作用。測定油茶籽油在不同加工工藝（液壓法、螺旋壓榨法和浸出法）和壓榨條件（不同含殼率、含水率、烘烤溫度和時間）下揮發性成分的形成規律，并分析成因與機制，為探究高質量茶油的生產條件提供依據[29-31]。Giuffrè等[32]研究特級初榨橄欖油、橄欖果渣油、大豆油和棕櫚油在不同加熱條件下（180 ℃和220 ℃下分別加熱30、60、120 min）的揮發性特征化合物，指出特定的醛類化合物可以用來評估植物油的感官特性和健康特性，也可以通過選擇合適的溫度和加熱時間保持風味并減少食用油在加熱過程中產生的異味。Tian Peng等[33]鑒定并對比了在不同的溫度（90、110、130、150 ℃和170 ℃）下通過油炸青蔥制備的青蔥油中的揮發性化合物，多元數據分析指出己醛、(E)-2-庚烯、(E)-2-辛烯、二丙基二硫化物、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪和1-辛烯-3-醇對整體香氣非常重要。

2.3 油脂組學在營養與健康中的應用

油脂作為人體能量的重要來源，其營養健康對人類的身體健康具有重要作用。因此，將基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學、系統生物學和生物信息學應用于油脂研究中形成油脂組學，有利于人們全面、系統地掌握油脂與營養之間的內在聯系，對于促進國民形成科學合理的飲食習慣、推動國民身體健康具有重要意義。油脂組學在營養與健康中的應用集中于不同油脂中必需脂肪酸、脂溶性維生素、磷脂、甾醇、脂質伴隨物等營養價值及其對慢性病的影響（表1）。Lu Yuanyuan等[34]基于宏基因組學研究短鏈脂肪酸降低體質量機制，發現補充短鏈脂肪酸會影響G蛋白偶聯受體的表達和腸道微生物的區系組成，促進脂肪組織中TG水解和游離脂肪酸（free fatty acid，FFA）氧化，以及棕色脂肪生成和線粒體生物合成，抑制慢性炎癥，從而進一步減輕體質量。Warner等[35]基于基因組學和代謝組學，發現降低ω-6/ω-3多不飽和脂肪酸比例能夠減輕乙醇引起的腸道穩態、腸道微生物區系、膽汁酸代謝和血漿代謝組的特異性變化，減少腸道炎癥和相關的肝損傷。此外，代謝組學是監測摻入油脂及其脂肪酸在營養研究中的合適方法，有利于油脂營養成分的作用通路和機制的研究，推動油脂營養研究的發展。例如，Pastor等[36]采用脂質組學評估補充ω-3脂肪酸對人體的益處，發現囊性纖維化患者補充ω-3脂肪酸12個月后，二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）主要轉化為高不飽和膽固醇酯和磷脂酰膽堿，而轉化為磷脂酰乙醇胺和甘油三酯程度較低。

表1 油脂組學在營養與健康中的應用Table 1 Applications of oilomics in research in nutrition and health

2.4 油脂組學在食品質量安全中的應用

油脂在加工和貯藏過程中會發生各種反應，其中氧化產生的羰基化合物極有可能參與到美拉德反應中，從而促進丙烯酰胺、雜環胺、5-羥甲基糠醛和晚期糖基化末端產物等多種危害物的形成，對人體健康構成威脅[46]。高通量的油脂組學方法以及氧化脂肪酸數據庫的構建，能夠更高效便捷地對脂肪酸氧化產物的分子結構進行分析，并對未知的氧化脂肪酸進行預測，同時可以定性定量分析氧化脂肪酸，為油脂安全提供新的解決方法。覃佐劍等[47]對室溫和180 ℃下處理30 min后的菜籽油、紫蘇油、葵花油、亞麻籽油中的氧化脂肪酸進行定性定量分析，篩選出了食用油氧化初級階段潛在的脂肪酸氧化標志物，對探究植物油氧化機制、營養品質控制具有指導意義。Capriotti等[48]表征特級初榨橄欖油在儲藏過程中的極性脂質和FFA，研究其降解規律，發現反應速率最快的是磷脂極性頭的磷酸酯水解反應，其次是甘油酯水解和氧化過程。丁磊等[49]測定油脂中9 種膽固醇氧化物，有利于研究油脂中膽固醇氧化產物，保障油脂產品質量。多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、多氯聯苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）和塑化劑是植物油中常見的污染物，孟維一等[50]建立一種高通量同時快速分析測定市售食用油中的16 種PAHs、18 種鄰苯二甲酸酯和7 種PCBs，大大節省了檢測成本和檢測時間，可為食用油的質量安全監管提供便利。

在油脂消費領域，部分不法商販貪圖高額利潤，將低價值植物油添加到高價值油脂中，或將餐廚回收油脂經過簡單精煉后加入正常油脂中，這極大地損害了消費者的權益。相比于傳統檢測方法，油脂組學具有高通量、高靈敏度、簡便等特點，在油脂成分分析、品質判別、真偽鑒定方面有明顯的應用優勢。唐芳[51]建立七大植物油（菜籽油、大豆油、花生油、棉籽油、茶籽油、棕櫚油和葵花籽油）脂肪酸的標準指紋圖譜，較好地反映了每種油脂間的差異，相似度分析法可定性鑒別油脂摻假。張東等[52]分析棕櫚油和動物脂肪（豬脂、牛脂和羊脂）的TG種類和含量，利用主成分分析進行區分，也為摻假鑒別提供了理論基礎。徐冰冰等[53]基于代謝組學并結合化學計量學方法成功區分了沙棘油和對照食用油（菜籽油、葵花籽油和大豆油），并根據OPLS-DA模型等進行數據分析，得到了14 種特征標識化合物。da Silveira等[54]基于電噴霧電離質譜（electrosprayionizationmass spectrometry，ESI-MS）技術，在正離子模式下對添加1%大豆油的初級橄欖油進行了快速鑒定。

基于代謝組學方法分析油脂中的揮發性有機物也是一種高效的品質判別和摻假鑒定的方式。蔣萬楓等[55]采用靜態頂空-氣相色譜質譜聯用技術分析菜籽油、大豆油、棉籽油、花生油、芝麻油、玉米油和棕櫚油中揮發性化合物，應用化學計量學分析方法對不同種類的油進行判別和分類。Sales等[56]采用吸附捕集的動態頂空固相萃取方法，測定橄欖油中的揮發性有機化合物，然后使用新型數據處理軟件PARADISe、EZ-Info進行多變量分析以及創建統計模型，對橄欖油質量進行分類，準確度達到了85%，其中特級初榨樣品100%均被正確分類。Cecchi等[57]定量分析了1 223 種初榨橄欖油的73 種風味化合物，隨后結合感官評價提出，僅使用10 種揮發性有機化合物（辛烷、庚醛、戊-1-烯-3-醇、Z-3-己醛、壬醛和4-乙基苯酚等）分類橄欖油的正確率為80.1%。此外，基于基因組學的方法，Agrimonti等[58]從橄欖油中提取DNA，為可追溯性和檢測摻假提供了便利。

3 結 語

油脂組學作為食品領域的新興學科，對油脂科學的研究具有極大的推動作用。高通量、高分辨率、高精確性的分析方法將突破油料和油脂成分復雜性和多樣性的限制。計算機技術特別是人工智能的發展，使得大數據的處理速度不斷加快，為油脂組學發展提供有力保障。油脂組學實現了在DNA、RNA、蛋白質和代謝物等分子水平研究油料從生產加工到儲運消費全鏈條過程中物理和化學特性、營養和安全問題，將油脂科學研究帶入了新時代。