范琦琦,趙香香,吳 鳴,李 祥,張 帥,喻 江,劉曉飛,張 娜
(哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150076)
代謝組學(xué)是考察生物體系受到刺激或擾動(dòng)前后的代謝產(chǎn)物圖譜及其動(dòng)態(tài)變化,是研究生物體系代謝網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù),研究對(duì)象主要是相對(duì)分子質(zhì)量1000 以下的內(nèi)源性小分子[1]。代謝產(chǎn)物可分為初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代產(chǎn)謝物。一般而言,如氨基酸、核酸、脂類(lèi)物質(zhì)和能量物質(zhì),普遍存在于生物體內(nèi)并對(duì)該生物體的生存至關(guān)重要,被稱(chēng)作初級(jí)代謝產(chǎn)物[2]。次級(jí)代謝產(chǎn)物通常由初級(jí)代謝產(chǎn)物經(jīng)過(guò)一系列酶促反應(yīng)產(chǎn)生,常出現(xiàn)在某種特有的代謝途徑中[3],是藥物、保健品、食品添加劑、香料及色素等諸多產(chǎn)品的原料。按結(jié)構(gòu)不同對(duì)植物的次級(jí)代謝產(chǎn)物進(jìn)行劃分,其中種類(lèi)較多的有酚類(lèi)、萜類(lèi)以及生物堿等[4],如大米中的酚類(lèi)物質(zhì),主要通過(guò)莽草酸和丙二酸兩個(gè)代謝途徑合成[5]。代謝組學(xué)在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑢?shí)現(xiàn)了生物樣本中大量代謝產(chǎn)物的同步檢測(cè),為獲得更詳細(xì)和全面的谷物食品信息提供了高效的方法。
谷類(lèi)主要包括稻米、小麥、玉米、大豆及其他雜糧,是人類(lèi)飲食的重要組成部分[6],富含多種具有潛在功能的代謝產(chǎn)物,呈現(xiàn)不同的生物學(xué)功能。例如小米中的兒茶素可以結(jié)合血液中的重金屬,預(yù)防重金屬中毒[7];黑米中的花青素具有抗氧化和抗炎活性功能[8];大米中的酚類(lèi)物質(zhì)可以降低如心血管疾病、II 型糖尿病、肥胖癥和某些類(lèi)型的癌癥等疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[9];大豆中的異黃酮、多肽等物質(zhì)具有抗氧化、抗癌、預(yù)防骨質(zhì)疏松、降血糖、降低心血管風(fēng)險(xiǎn)等功效[10]。盡管部分谷物代謝產(chǎn)物的功能已被驗(yàn)證,但仍缺乏針對(duì)性和全面性的研究,需要科研工作者深入開(kāi)展谷物代謝組學(xué)技術(shù)的研究。
本文就近年來(lái)代謝組學(xué)技術(shù)的分析流程(包括代謝產(chǎn)物的提取、代謝產(chǎn)物的檢測(cè)和代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析),以及代謝組學(xué)技術(shù)在谷物食品成分鑒定、風(fēng)味物質(zhì)鑒定、產(chǎn)地溯源和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等方面的研究進(jìn)行綜述,期望為推動(dòng)谷物食品的精深加工、產(chǎn)品拓展和廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。
代謝組學(xué)的分析流程一般包括:代謝產(chǎn)物的提取、檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析,如圖1 所示。代謝產(chǎn)物具有一定的復(fù)雜性和多樣性,檢測(cè)結(jié)果的覆蓋范圍往往受到樣品制備方法、儀器靈敏度和分析技術(shù)選擇性的限制[11]。代謝組學(xué)在不同領(lǐng)域的研究中,須采用不同的分析平臺(tái)來(lái)全面分析代謝產(chǎn)物。

圖1 代謝組學(xué)分析流程圖Fig.1 Analysis flow chart of metabolomics
代謝產(chǎn)物的提取是整個(gè)分析流程的重要環(huán)節(jié),主要取決于樣品材料和目標(biāo)代謝產(chǎn)物。待檢測(cè)樣品的收集、提取和儲(chǔ)存的微小變化均會(huì)影響代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定性,導(dǎo)致代謝組學(xué)的檢測(cè)發(fā)生變化,盡可能完整地保留待測(cè)樣品中整體代謝產(chǎn)物或特異性目標(biāo)代謝產(chǎn)物至關(guān)重要[12]。提取代謝產(chǎn)物前,樣品需借助研磨、冷凍干燥和液氮凍融等方法進(jìn)行處理,以避免酶誘導(dǎo)的內(nèi)源性代謝產(chǎn)物發(fā)生改變[13],適當(dāng)?shù)难心タ梢源龠M(jìn)代謝產(chǎn)物的溶出,冷凍干燥可減少由于樣品水分含量不同而導(dǎo)致的代謝產(chǎn)物差異。
傳統(tǒng)的提取工藝耗時(shí)、不可持續(xù),且需要耗費(fèi)大量的有機(jī)溶劑。近年來(lái),諸如超聲波輔助提取、超臨界流體萃取、亞臨界水提取等已成為獲取谷物食品代謝產(chǎn)物的綠色、安全、高效的手段。超聲波輔助法與傳統(tǒng)提取方法相比,減少了溶劑和能源的消耗、縮短了提取時(shí)間[14],Ghasemzadeh 等[15]比較了超聲波輔助和傳統(tǒng)溶劑提取技術(shù),結(jié)果表明乙醇:水(1:1)超聲波輔助提取的總酚類(lèi)、總黃酮和生育三烯酚含量最高,抗氧化活性最高。超臨界流體是一種物質(zhì)狀態(tài),具有接近氣體的擴(kuò)散系數(shù)、黏度和接近液體的密度,具有更高的選擇性和擴(kuò)散性等優(yōu)勢(shì)[16],超臨界二氧化碳由于其類(lèi)氣體和類(lèi)液體特性,以及化學(xué)活性低、易獲取、易分離、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn),常被應(yīng)用于超臨界流體萃取[17],Benito 等[18]對(duì)比利用超臨界二氧化碳萃取與己烷提取的藜麥油發(fā)現(xiàn),前者萃取的藜麥油中生育酚的含量以及抗氧化活性更高。亞臨界水提取是在100 和374 ℃之間,且高壓保持水的液態(tài),通過(guò)改變水的條件來(lái)改變其溶劑特性,實(shí)現(xiàn)高效和環(huán)保的提取[19],Yoo 等[20]發(fā)現(xiàn)亞臨界水提取可有效地破壞燕麥β-葡聚糖與胚乳細(xì)胞壁的緊密結(jié)合,高效提取β-葡聚糖的效率。綜上所述,代謝組學(xué)技術(shù)的待檢測(cè)樣品的提取須優(yōu)化前處理方式和提取條件,避免引起生物學(xué)上不相關(guān)的變化。
代謝組學(xué)常用的檢測(cè)技術(shù)包括振動(dòng)光譜、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)和一系列基于質(zhì)譜(Mass Spectrometry,MS)的技術(shù)等。
振動(dòng)光譜技術(shù)主要包括傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared,F(xiàn)TIR)、傅里葉變換拉曼(Fourier Transform Raman,F(xiàn)T-Raman)光譜和近紅外(Near Infrared,NIR)光譜等技術(shù)[21]。Lanser等[22]利用FTIR 技術(shù)測(cè)定了大豆原油中的游離脂肪酸含量。Yin 等[23]結(jié)合NIR 和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)無(wú)損檢測(cè)了吐司面包中的金屬鐵、聚丙烯塑料和外來(lái)污染物。該技術(shù)可對(duì)樣品進(jìn)行無(wú)損分析,且成本較低,但也存在一定的技術(shù)性問(wèn)題,如檢測(cè)時(shí)受水分的影響較大、不能區(qū)分異構(gòu)物、靈敏度較差,不適于痕量化合物的鑒定[24]。NMR 參考譜庫(kù)由多個(gè)波譜儀頻率下收集的純化合物的一維或二維核磁共振波譜組成,是代謝產(chǎn)物定性和定量檢測(cè)的關(guān)鍵,何瑤等[25]利用NMR 技術(shù)鑒別五常稻花香米的真?zhèn)危l(fā)現(xiàn)摻假大米中α-葡萄糖、β-葡萄糖、淀粉、蔗糖、甜菜堿等16 種主要成分存在顯著差異。該技術(shù)具有穿透力強(qiáng)、樣品無(wú)損、檢測(cè)高效、重現(xiàn)性好的特點(diǎn),但檢測(cè)靈敏度相對(duì)較低、光譜分辨率低、進(jìn)樣量相對(duì)較大,不適合用于大量低濃度代謝產(chǎn)物的分析[24]。MS 技術(shù)常與氣相色譜(Gas Chromatography-Mass Spectrometry,GC-MS)和液相色譜(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry,LC-MS)等技術(shù)聯(lián)用,MS 譜庫(kù)涵蓋廣泛,并且已被多個(gè)檢測(cè)平臺(tái)收錄,獲得的信息可以應(yīng)用于食品安全、質(zhì)量、加工、儲(chǔ)存和認(rèn)證方面[26],Zhao 等[27]利用LC-MS 技術(shù)分析大豆油和花生油中的異黃酮和白藜蘆醇含量,用于摻假檢測(cè)。該技術(shù)易于自動(dòng)化檢測(cè),具有出色的分離能力,但存在樣品易被破壞、需要繁瑣的衍生化以增加分析物的揮發(fā)性等缺點(diǎn)。
代謝組學(xué)技術(shù)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)復(fù)雜,需要將多維分散的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)和降維處理,排除不必要的干擾因素。檢測(cè)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)去除基線(xiàn)偽影、峰值選取、對(duì)齊和歸一化、縮放和轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)預(yù)處理[21],目前數(shù)據(jù)分析常用的兩類(lèi)算法是非監(jiān)督法和監(jiān)督法。非監(jiān)督法中常使用的是主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和分層聚類(lèi)分析(Hierarchical Cluster Analysis,HCA),PCA 存在因過(guò)度簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)易導(dǎo)致部分信息丟失的缺點(diǎn)[28],常被用于監(jiān)督法的預(yù)處理,而HCA 是根據(jù)樣本的相似性進(jìn)行分類(lèi),通過(guò)構(gòu)建樹(shù)狀圖使樣品間的相似性可視化。監(jiān)督法主要包括偏最小二乘法(Partial Least Squares,PLS)和以PLS 為基礎(chǔ)的方法如偏最小二乘判別分析(Partial Least Squares Discriminant Analysis,PLS-DA)、基于正交信號(hào)校正的偏最小二乘判別分析(Orthogonal Projections to Latent Structures Discriminant Analysis,OPLS-DA)進(jìn)行分析[29],該方法的關(guān)鍵是模型驗(yàn)證,驗(yàn)證通過(guò)模型構(gòu)建的結(jié)論在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的有效性,驗(yàn)證模型對(duì)未知樣本分類(lèi)的全面性。
谷物食品的成分復(fù)雜,除蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)外,還含有酚類(lèi)化合物、類(lèi)胡蘿卜素、植物甾醇、生育酚等小分子物質(zhì)[30]。代謝組學(xué)具有高通量、高靈敏度等優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)、全組分的同步檢測(cè),特別是傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)無(wú)法檢測(cè)到的微量成分。Kim等[31]利用LC-MS 和GC-MS 分析糙米在發(fā)芽過(guò)程中代謝產(chǎn)物譜的變化,共鑒定出包括酸性化合物、氨基酸、糖、脂質(zhì)在內(nèi)的25 種差異代謝產(chǎn)物,其中溶血磷脂酰膽堿、蔗糖和葡萄糖是發(fā)芽糙米的主要代謝產(chǎn)物。扎桑等[32]利用于UPLC-MS 技術(shù)檢測(cè)青稞籽粒的脂類(lèi)代謝產(chǎn)物,主要包括甘油三酯、磷脂酰膽堿、脂肪酸和磷脂酰乙醇胺等。代謝組學(xué)能探明代謝產(chǎn)物的組成、比例和含量,有助于針對(duì)特定人群開(kāi)發(fā)特殊需求的谷物食品。為了更好地解析不同谷物食品代謝產(chǎn)物的多樣性,可對(duì)谷物食品代謝產(chǎn)物進(jìn)行廣泛分析、定向和差異性分析。常見(jiàn)谷物食品的代謝組學(xué)分析如表1 所示。

表1 常見(jiàn)谷物食品代謝產(chǎn)物的代謝組學(xué)分析Table 1 Metabolomic analysis of bioactive substances in common cereal foods
風(fēng)味是評(píng)價(jià)食品品質(zhì)的重要因素之一,由揮發(fā)性代謝產(chǎn)物積累形成。大米香氣受揮發(fā)性代謝產(chǎn)物的影響明顯,目前已鑒定出250 多種揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,其中區(qū)分芳香和非芳香大米的標(biāo)志物是2-乙酰基-1-吡咯啉,其前體是脯氨酸,與某些水稻品種的香氣有關(guān)[42-43],而大米在烹飪過(guò)程中也會(huì)衍生新的代謝產(chǎn)物,如3-羥基-4,5 二甲基-2(5H)-呋喃酮,具有類(lèi)似調(diào)味品的氣味[44]。Farag 等[45]利用GC-IMS 和GCMS 對(duì)不同條件處理的玉米進(jìn)行代謝組學(xué)比較,發(fā)現(xiàn)烘烤后的玉米會(huì)產(chǎn)生具有堅(jiān)果味的2-乙酰基吡嗪。Jiang 等[46]利用LC-MS 技術(shù)鑒定全麥面包中的苦味揮發(fā)性代謝產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)與多酚、生物堿、單寧、某些糖苷和肽等的存在有關(guān),為改善全麥面包風(fēng)味提供了理論依據(jù)。目前,已知的揮發(fā)性香氣代謝產(chǎn)物有酯類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、內(nèi)酯類(lèi)和萜類(lèi)化合物,在谷物食品風(fēng)味形成過(guò)程中發(fā)揮重要作用。借助代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)谷物食品的代謝產(chǎn)物,在保證食品營(yíng)養(yǎng)均衡的同時(shí),使風(fēng)味達(dá)到最佳,為開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的谷物食品奠定基礎(chǔ)。常見(jiàn)谷物食品風(fēng)味物質(zhì)的代謝組學(xué)測(cè)定如表2 所示。
近年來(lái),隨著農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的全球化,谷物食品原料的安全性備受關(guān)注,主要集中在谷物原料產(chǎn)地和品種的溯源。谷物的遺傳背景和地理標(biāo)志(土壤和氣候)是影響谷物代謝產(chǎn)物的重要因素,其中地理標(biāo)志可以提高商品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。歐盟委員會(huì)創(chuàng)建了“受保護(hù)的地理標(biāo)志”和“受保護(hù)的原產(chǎn)地名稱(chēng)”的體系,可用來(lái)認(rèn)證優(yōu)質(zhì)大米產(chǎn)品[57]。大米中的己醛濃度主要受貯藏條件、貯藏時(shí)間、脂肪酸濃度以及水稻種植區(qū)氣候的影響,Zhao 等[58]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)南方地區(qū)水稻的己醛含量明顯高于北方地區(qū)水稻。馮玉超等[59]利用GC-MS 技術(shù)檢測(cè)黑龍江省寧安市和五常市的稻花香大米,發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地對(duì)脂肪酸及其衍生物含量的影響明顯。梁北辰[60]利用FTIR 技術(shù)檢測(cè)大米樣品,并分析了光譜數(shù)據(jù)與產(chǎn)地之間的相關(guān)性,選擇可反映淀粉含量的光譜段,對(duì)五常、響水、越光三個(gè)產(chǎn)地大米的判別準(zhǔn)確率分別達(dá)到75%、75%、90%。小麥籽粒中的脂質(zhì)含量、脂質(zhì)類(lèi)別和脂肪酸水平與小麥的品種、生長(zhǎng)環(huán)境、土壤條件和成熟度有關(guān),硬質(zhì)小麥通常比普通小麥具有更高的脂質(zhì)含量,且硬質(zhì)小麥和普通小麥的脂肪酸水平不同[61]。代謝組學(xué)是一種谷物食品原料溯源準(zhǔn)確度高、靈敏性好、經(jīng)濟(jì)有效的分析技術(shù),常見(jiàn)谷物食品溯源如表3 所示。

表3 常見(jiàn)谷物食品溯源的代謝組學(xué)分析Table 3 Metabolomic analysis of common cereal foods traceability
一般情況下,谷物原料經(jīng)去殼、碾磨、粉碎等加工過(guò)程可獲得米、面等初加工產(chǎn)品,再經(jīng)過(guò)蒸煮、烘烤、油炸、發(fā)酵等加工方式可獲得面條、饅頭、面包、粥、酒、醋等終加工產(chǎn)品。隨著人們對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)需求的不斷提升,谷物食品的開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)多樣化。Koistinen 等[72]利用LC-MS 技術(shù)對(duì)全麥面包發(fā)酵前后的代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析,發(fā)酵面包的支鏈氨基酸(亮氨酸、異亮氨酸)以及含有支鏈氨基酸的幾種小肽含量增多,其中28 種肽已被納入抗高血壓肽數(shù)據(jù)庫(kù)中[73]。Tyagi 等[74]利用UHPLC-MS 技術(shù)對(duì)伊氏乳桿菌發(fā)酵的發(fā)芽糙米代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)必需氨基酸、有機(jī)酸、酚類(lèi)化合物和脂肪酸的含量增多,可預(yù)防心血管、II 型糖尿病、肥胖等慢性疾病。在新谷物食品開(kāi)發(fā)過(guò)程中,可以通過(guò)代謝組學(xué)技術(shù)評(píng)價(jià)食品品質(zhì),有助于獲得完善的食品配方和適宜的加工方式。近年來(lái),代謝組學(xué)在谷物食品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用如表4 所示。

表4 代謝組學(xué)在谷物產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用Table 4 Application of metabolomics in new cereal product development
近年來(lái),谷物食品摻假事件層出不窮,代謝組學(xué)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)谷物食品代謝產(chǎn)物,實(shí)現(xiàn)對(duì)摻雜物的定性和定量分析。Righetti 等[85]驗(yàn)證了硬質(zhì)小麥粉中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的代謝產(chǎn)物,特別是十七烷基間苯二酚,可以用于區(qū)分普通小麥粉和硬質(zhì)小麥。代謝組學(xué)技術(shù)可用于新型原料替代品的開(kāi)發(fā),Zhang 等[86]發(fā)現(xiàn)由高地大麥可替代高粱釀造山西陳釀醋,陳釀醋中酸和酯的揮發(fā)性風(fēng)味更勝一籌。代謝組學(xué)技術(shù)還可以用于儲(chǔ)藏期谷物食品的階段檢測(cè),監(jiān)測(cè)谷物食品的品質(zhì)劣變過(guò)程,利于精準(zhǔn)確定食品的貨架期,Alia等[87]發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)存10 d 的小米粉中,亞油酸、C-糖基黃酮、總酚含量顯著升高,此時(shí)的小米粉不適宜食用;Zhao 等[88]研究發(fā)現(xiàn)高溫儲(chǔ)存會(huì)導(dǎo)致大米中醛、酮和呋喃等揮發(fā)性化合物含量增加,導(dǎo)致大米品質(zhì)下降;Wang 等[89]通過(guò)對(duì)粳稻與秈稻儲(chǔ)藏期的差異代謝產(chǎn)物研究發(fā)現(xiàn),少量的糖醇(d-山梨醇、d-甘露醇、葡萄糖酸和杜爾西醇)會(huì)影響淀粉的合成代謝,導(dǎo)致兩個(gè)品種的糊化特性發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致食品品質(zhì)差異。
隨著分析儀器和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的快速發(fā)展,代謝組學(xué)的發(fā)展在谷物食品領(lǐng)域引起了高度的關(guān)注,其應(yīng)用范圍變得更加廣泛,影響谷物食品品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)特性等的代謝產(chǎn)物將會(huì)更加明確,不同來(lái)源谷物食品的代謝產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫(kù)將會(huì)被不斷豐富和完善。代謝組學(xué)技術(shù)已探明了谷物食品的部分代謝產(chǎn)物,但仍有大量科研工作要做,一方面,未知代謝產(chǎn)物的識(shí)別是一個(gè)主要瓶頸;另一方面,將已知的代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為可以利用的數(shù)據(jù)。
目前代謝組學(xué)在谷物食品領(lǐng)域的研究仍處于不斷發(fā)展和完善階段,主要有以下幾個(gè)方面:a.建立靈敏度好、重復(fù)性強(qiáng)、覆蓋率高的代謝組學(xué)定量分析方法,開(kāi)發(fā)快速、高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù),完善并擴(kuò)大代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)信息;b.將靶向和非靶向方法進(jìn)行融合以實(shí)現(xiàn)更有效的代謝組學(xué)分析;c.模型的建立和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既要與食品安全的理念相一致,同時(shí)也要遵循現(xiàn)代科學(xué)規(guī)律;d.將代謝組學(xué)與其他組學(xué)進(jìn)行整合,例如代謝組學(xué)與宏基因組學(xué)相結(jié)合可以更好地了解影響食品品質(zhì)各因素之間的相關(guān)性。綜上所述,開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)、絕對(duì)定量、標(biāo)記驗(yàn)證、成熟的預(yù)測(cè)模型和多技術(shù)整合利用是進(jìn)一步提煉信息,并最終控制谷物食品原料種植、加工和儲(chǔ)存的關(guān)鍵,要利用現(xiàn)有的科研成果,在代謝組學(xué)基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下,逐漸形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化研究體系,推動(dòng)谷物食品的發(fā)展進(jìn)程。
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