孙瑞洋，宣晓婷，崔 燕，林旭东，邵兴锋，邓文艺，凌建刚,

（1.宁波大学食品与药学学院，浙江宁波 315000；2.宁波市农业科学研究院农产品加工研究所，浙江宁波 315000；3.国家蔬菜加工技术研发专业中心，浙江宁波 315000；4.湖南一品东方生物科技有限公司，湖南长沙 410000）

杨梅（Myrica rubraSieb.et Zucc）是中国江南地区的珍贵水果之一，其营养功效丰富、品质风味独特，含有多种对人体有益的生物活性成分[1]。但其成熟于江南梅雨季节，采后极不耐储，通常被加工成杨梅干和杨梅汁等[2]。非浓缩还原果汁（NFC）是鲜榨果汁经巴氏杀菌后直接灌装而成的，既能保持果实原有风味，又能最大限度的保留果实中的各种功能性成分和营养物质，但价格偏高[3−4]。而浓缩还原果汁（FC）是由NFC 果汁经浓缩、还原和杀菌等复杂过程制备而成且价格偏低，但该过程易导致品质风味物质劣变[5]。对于NFC 与FC 果汁成分的差异，研究学者针对化合物、同位素比例等做了一定的研究。Sun等[6]通过HS-SPME-GC-MS 结合化学计量学对NFC与FC 橙汁鉴别，筛选出25 种差异化合物。有研究学者对NFC 与FC 橙汁中稳定同位素比率δD、δ18O 进行分析，发现NFC 橙汁的同位素含量明显高于FC 橙汁[7]。但由于检测限、检测准确性等问题限制了上述技术在果汁行业的广泛应用。

代谢组学技术作为继基因组学、转录组学和蛋白组学后的新兴组学，因其灵敏度、分辨率高等优势，在食品的品质评估与溯源中得到广泛应用[8−9]。杨天铭等[10]基于UPLC-QTOF-MS 技术在黄龙病脐橙与正常脐橙中鉴定出28 个差异化合物。屠燕等[11]基于UPLC-QTOF-MS 技术在不同产地丹参药材中鉴定出22 个差异化学成分。刘晗璐等[12]基于代谢组学技术在NFC 和FC 橙汁中筛选并鉴定出16 种差异化合物。Xu 等[13]利用非靶向代谢组学技术对NFC橙汁和FC 橙汁进行了鉴别，鉴定出13 个潜在标记物，其中7 个三肽标记物首次被报道。目前对于NFC/FC果汁的鉴别主要以橙汁为主，对于杨梅汁的研究主要集中在不同品种、贮藏期间的品质及风味变化，而对NFC/FC 杨梅汁的差异性成分研究较少。因此本研究借助UPLC-QTOF-MS 代谢组学技术结合多元统计分析等方法，根据代谢通路途径从植物代谢组学角度初步揭示NFC 杨梅汁和FC 杨梅汁差异代谢产物，旨在为NFC 与FC 杨梅汁成分差异分析提供理论和数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验原料为八成熟的仙居东魁杨梅（Myrica rubraSieb.et Zucc）采集自中国浙江省台州市。由于杨梅果实的收获季节为5 月至7 月，本研究以每半月取一批次样品，并将采摘后挑选新鲜无伤害的置于−80 ℃冰箱保存，直至使用；甲醇、乙腈、甲酸质谱级，购自Sigma-Aldrich。

MJ-JS2018A 榨汁机 广东美的集团股份有限公司；DK-S12 电热恒温水浴锅 上海森信实验仪器有限公司；ExionLC AD 型超高效液相色谱 日本岛津公司；QTrap 6500 型四极杆串联飞行时间质谱仪 美国AB Sciex 公司；Heraeus Fresco17 离心机 德国Eppendorf 公司；MS 3 digital 涡旋振荡器 德国IKA 公司；ACQUITY UPLC HSS T3（1.8 μm 2.1 mm×100 mm）色谱柱 上海拜力生物科技有限公司；R3088真空旋转蒸发仪 美国Senco 公司。

1.2 实验方法

1.2.1 杨梅汁的制备 参照刘晗璐等[12]的方法并略作修改。NFC 杨梅汁的制备：将冷冻的杨梅果在室温下解冻后榨汁，使用4 层纱布过滤除去果渣，将过滤的果汁置于耐高压聚乙烯塑料瓶中进行巴氏杀菌（80 ℃，10 min），冷却至室温置于−l80 ℃储存。

FC 杨梅汁的制备：将NFC 杨梅汁置于真空旋转蒸发仪中，60 ℃水浴下浓缩1 h 左右直至糖度为60±1ºBrix，再使用纯净水复配至原始糖度值，置于耐高压聚乙烯塑料瓶中并进行巴氏杀菌（80 ℃，10 min），杀菌后迅速冷却至室温并置于−80 ℃储存。

1.2.2 样品前处理 将NFC 和FC 杨梅汁样品在4 ℃条件下以12000 r/min 离心15 min，取上清液，使用提取液（甲醇：水=3:1）稀释5 倍，涡旋30 s 将其充分混合，经0.22 μm 微孔滤膜过滤，转移至1.5 mL 进样小瓶中，等待上机检测。每个样品进行6 次平行测定。

1.2.3 UPLC-QTOF-MS 分析条件 参照Yang 等[14]的方法并略作修改。色谱条件：色谱柱为ACQUITY UPLC BEH（150 mm×2.1 mm，1.7 μm；Waters Co），柱温箱温度为40 ℃，自动进样器温度为4 ℃，进样体积为2 μL，流动相A 为含0.1%甲酸水溶液，流动相B 为乙腈，洗脱梯度：0.0～0.5 min，98% A、2% B；0.5～10.0 min，98%～50% A、2%～50% B；10.0～13.0 min，5% A、95% B；13.0～15.0 min，98% A、2% B。

质谱条件：使用装备IonDrive Turbo V ESI 离子源的SCIEX 6500 QTRAP+三重四极杆质谱仪，以多反应监测（MRM）模式进行质谱分析。电喷雾离子源（Electrospray ionization，ESI）进行海量数据采集，操作参数如下：离子喷雾电压：+5500/−4500 V，帘式气体：35 psi，温度：400 ℃，离子源气体1：60 psi，离子源气体2：60 psi，DP：±100 V。

1.3 数据处理

试验数据使用Excel 进行整理，结果用平均数表示，通过SCIEX 分析软件（1.6.3 版）进行MRM 数据的采集和处理。采用SIMCA 16.0 软件，进行无监督的主成分分析和有监督的正交偏最小二乘判别分析，利用Origin 2021 软件绘制代谢物的柱状图，同时利用差异代谢物的KEGG（Kyoto encyclopedia of genes and genomes）进行通路富集分析，获得代谢通路富集结果。

2 结果与分析

2.1 NFC 和FC 杨梅汁的代谢产物总体分析

生物代谢组易受外界因素干扰，尤其是在物质提取、检测分析过程中存在误差，从而导致样品间产生差异，如果差异越小说明整个方法稳定性越好数据质量越高。为了考察数据的质量性，数据质量控制（Quality control，QC）是获得可重复性和准确性代谢组结果的必要步骤，因此对QC 样本的相关性及内标的响应稳定性进行分析。QC 样本相关性越接近于1（至少应≥0.7），说明整个方法稳定性越好数据质量越高；内标为外源引入的物质，QC 样本内标浓度相同，所以内标的响应差异越小（RSD≤20%），说明系统越稳定，数据质量越高。从图1 可以看出，在整个实验分析过程中QC 样本相关性达0.95，RSD 为5.66%，说明本次实验数据质量很高。基于迈维自建数据库MWDB 及代谢物信息公共数据库，在NFC 和FC 杨梅汁中共鉴定出208 个代谢产物，其中主要包括24 个黄酮类物质、23 个生物碱类物质、17 个氨基酸及其衍生物、17 个酚类物质等，虽然黄酮和生物碱类物质数量较多，但是氨基酸中脯氨酸的相对含量最高，氨基酸是果汁中重要的生物活性物质之一，对果汁的口感、气味和色泽具有重要影响[15]。所以根据这些代谢物的性质进一步说明杨梅汁具有独特的营养与风味。

图1 QC 样本相关性分析Fig.1 QC sample correlation analysis

2.2 NFC 和FC 杨梅汁的化学计量学分析

为了解NFC 和FC 杨梅汁中代谢物的积累情况，对两种杨梅汁进行主成分分析（PCA）。代谢组学分析中，PCA 主要用于观察实验模型中的组间分离是否有异常点出现，以及反映组间和组内变异度的分析技术。主成分分析结果表明，R2X 代表模型的拟合能力，累积为0.839 大于0.5，Q2代表了模型的预测能力为0.451，结果表明PCA 的模型拟合度较好。从得分图可以看出，样本全部处于95%置信区间内，NFC 杨梅汁样品点和FC 杨梅汁样品点分布离散，分别位于PC1 的正负半轴，说明两者的代谢成分存在一定差异。PCA 作为一种反映原始数据状态的无监督方法，环境等其他因素以及系统错误都会影响实验结果。从图2 中可以看出前两个主成分分析的贡献率分别为15.3%和10.3%，总贡献率之和较低，无法反应整体分散程度。为排除因与实验无关的某些因素引起的代谢变化，应用有监督的正交偏最小二乘判别分析（Orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）进一步区分两组之间代谢物的差异数据，并依据该模型对数据进行分析，从而准确地鉴别出具有差异的代谢物[16]。

图2 NFC 和FC 杨梅汁样品的PCA 得分图Fig.2 PCA score plot of NFC and FC bayberry juice samples

图3a 为OPLS-DA 得分图，从图中可以看出两组样本区分非常显著，说明两种果汁样品的代谢物组成差异较大。为了避免数据出现过拟合现象，从而确保模型的有效性，对模型进行置换检验以获取随机模型的R2和Q2，以此评估OPLS-DA 得分图是否存在过拟合现象。图3b 为OPLS-DA 置换检验图，横坐标表示置换保留度，纵坐标表示R2Y 或Q2值，绿色圆点表示R2Y 值，蓝色方点表示Q2值，两条虚线分别表示R2Y 和Q2的回归线。一般认为，当R2Y 和Q2参数值越接近于1，说明模型解释或预测的能力越强，而该OPLS-DA 模型的R2Y 为1，Q2为0.744，说明建立的模型符合样本数据的真实情况。且从图中可以看出Q2值均小于R2Y 值，Q2的回归线与纵坐标的截距小于零，一般认为截距为负值时，说明统计模型有效，没有出现过拟合[17]，另外随着置换保留度的降低，随机模型Q2值逐渐减小，说明原模型具有良好的稳健性，不存在过拟合现象。

图3 NFC 和FC 杨梅汁样品的OPLS-DA 得分图（a）和置换模型（b）Fig.3 OPLS-DA score map of NFC and FC bayberry juice samples (a) and displacement model (b)

2.3 差异代谢物的筛选及分析

变量投影重要度（Variable Importance in the Projection，VIP）是OPLS-DA 模型变量的权重值，可用于衡量各组分积累差异对各组样本分类判别的影响强度，通常认为数值大于1 时，变量对组间分离具有显著贡献作用[18]。为了进一步确定二者产生差异的代谢物，本研究以差异倍数（Fold-Change）小于0.5 或大于2，同时OPLS-DA 模型第一主成分的VIP 大于1为标准，一共筛选到40 个差异代谢物（如表1），其中主要以黄酮类物质为主。

表1 NFC 和FC 杨梅汁差异代谢物数量统计表Table 1 Statistical table of the number of different metabolites in NFC and FC bayberry juice

为了更清楚的了解杨梅汁浓缩还原前后代谢物差异倍数的变化情况，制作了如图4 所示的代谢物差异倍数柱状图，并将排名靠前（上调和下调）的20 位代谢物进行展示，一般认为，当Fold-Change>2 时，值越大差异越明显；当Fold-Change<0.5 时，值越小差异越明显，所以结合Fold-Change 大小筛选出9 个差异最大的物质，分别是下调物质中的5-甲基四氢叶酸、矢车菊素、异黄蝶呤、西瑞香素、对磺基苯甲酸和花椒毒酚，上调物质中的新橙皮苷、橙皮苷、槲皮素-3-O-新橙皮苷。而它们所对应的Log-Fold change 分别为−4.7980、−3.9503、−3.1808、−1.8727、−1.2862、−1.0272、2.8801、2.5899、2.3240。

图4 NFC 和FC 杨梅汁代谢物差异倍数柱状图Fig.4 Histogram of the metabolite fold difference between NFC and FC bayberry juice

箱形图可以直观表达每种化合物在NFC 和FC杨梅汁中的含量变化（图5）。从图中可以看出，与NFC 杨梅汁相比，FC 杨梅汁中的对磺基苯甲酸、5-甲基四氢叶酸、矢车菊素、西瑞香素、花椒毒酚和异黄蝶呤物质的含量相对较低，而新橙皮苷、橙皮苷和槲皮素-3-O-新橙皮苷物质的含量相对较高。西瑞香素、花椒毒酚属于香豆素类化合物，是生药中的一类重要的活性成分，具有抗菌、抗氧化等多种生物活性功能[19]，但其不溶于冷水，易溶于热水，浓缩过程中随着温度的升高，水分不断蒸发，导致其含量有所损失。5-甲基四氢叶酸是合成叶酸活性化代谢的关键产物，在天然叶酸中活性最强，且在人体生命活动中起重要作用[20]，但其稳定性较差，受温度、pH 等因素影响，Islam[21]研究发现蒸煮和微波加热都使叶酸含量有所损失，与本研究结果类似，说明浓缩过程中的热处理会造成FC 杨梅汁中的营养物质发生损失。矢车菊色素是花色苷中常见的一种化合物，而花色苷是黄酮物质中呈现红色的一族化合物，广泛存在于果蔬、花卉的根茎、花、果实中，能有效去除自由基，显示强烈的抗氧化性[22]。花色苷的稳定性受多种因素的影响，其中温度就是一个及其重要的因素，它对花色苷的降解具有显著影响作用，加热或高温都可加变色反应，尤其是在加热至沸腾时极易氧化褪色[23]。张燕等[24]的研究发现，当红莓的受热温度在45～75℃时，花色苷会发生降解，导致其含量及红值均发生显著下降。FC 杨梅汁中这些物质含量减少，可能就是由于浓缩过程中水分的蒸发及加热处理。

图5 NFC 和FC 杨梅汁的差异标记化合物比较Fig.5 Comparison of differentially labeled compounds in NFC and FC bayberry juice

新橙皮苷、橙皮苷和槲皮素-3-O-新橙皮苷属于黄酮物质，作为水果中主要的生物活性成分之一，具有较强的抗氧化活性，但受温度影响较大[25]。槲皮素-3-O-新橙皮苷是槲皮素和一种天然类黄酮的代谢产物，而槲皮素是大量存在的一种类黄酮化合物，常以苷类形式存在[26]。但橙皮苷、新橙皮苷、柠檬苦素等是柑橘类水果中常见的苦味代谢产物[27]，其含量的高低对水果及果汁的感官品质具有较大影响[28]。橙皮苷是柑橘类水果白色内果皮中发现的主要的水溶性苦味成分[29]，在加热过程中，随着时间的延长逐渐被析出，导致果汁的苦味增加。丁胜华等研究发现，高温处理导致橙皮中橙皮苷、没食子酸等类黄酮物质含量显著增加[30]。所以综上，浓缩过程的水分蒸发和加热可能就是导致NFC/FC 杨梅汁代谢物产生差异的主要原因。

2.4 差异代谢物代谢通路富集分析

不同的代谢产物在生物体中相互作用，形成不同的代谢通路[31]。为深入了解差异代谢物涉及的代谢路径，通过KEGG 数据库进一步对差异代谢物进行显著性富集分析，从而筛选出二者的差异代谢途径，并对其进行相关性分析[32]。根据鉴定出的代谢物共筛选出48 条代谢通路，将其绘制成气泡图，如图6所示。图中每一个气泡代表一个代谢通路，而横坐标和气泡大小表示该通路在拓扑分析中的影响因子大小（Impact 值），Impact 值越大气泡越大，Impact 值越小气泡越小；另外纵坐标和气泡颜色表示富集分析的P值（取负自然对数，即-ln（p）），红色越深代表-ln（p）的值越大，蓝色越深表示-ln（p）的值越小，而颜色越深表示富集程度越显著。

图6 NFC 和FC 杨梅汁差异代谢物富集通路气泡图Fig.6 Bubble diagram of differential metabolite enrichment pathways in NFC and FC bayberry juice

通过Impact 值和-ln（p）值综合分析得到与代谢物差异相关的代谢途径，从图6 中可以看到，NFC 与FC 杨梅汁中的代谢物共参与48 条代谢途径，其中富集程度较高的代谢通路共有5 条，分别为苯丙氨酸代谢、黄酮和黄酮醇的生物合成、单萜生物合成、异喹啉生物碱生物合成和β-丙氨酸代谢。其中苯丙氨酸代谢通路最为显著，P值为0.19867，-ln（p）为1.6161，富集在此通路上的L-苯丙氨酸在苯丙氨酸脱氨酶（Phenylalanine ammonia-lyase，PAL）的作用下生成苯丙素类代谢物（香豆素、萜类、木质素、花青素等）[33]，而在苯丙氨酸羟化酶（Phenylalanine hydroxylase，PAH）的催化作用下则会生成L-酪氨酸。但L-苯丙氨酸稳定性受到温度的影响，受热时会发生部分降解[34]，导致FC 杨梅汁中香豆素（西瑞香素、花椒毒酚）、矢车菊素、L-酪氨酸含量减少。另外，黄酮和黄酮醇的生物合成这条代谢途径，P值为0.23889，-ln（p）为1.6161，被检测到的代谢物为槲皮素和芦丁。槲皮素是杨梅中含量较丰富的黄酮醇化合物，其在二氢黄酮醇4-还原酶（Dihydroflavonol 4-reductase，DFR）作用下生成矢车菊素[35]。由于温度对黄酮类物质稳定性有较大影响[36]，所以导致FC 杨梅汁中由槲皮素转化生成的矢车菊素含量降低。所以综上说明苯丙氨酸代谢、黄酮和黄酮醇的生物合成是NFC 与FC 杨梅汁的关键差异代谢途径。

3 结论

本研究借助代谢组学技术，利用PCA 和OPLSDA 分析了NFC 和FC 杨梅汁代谢产物的差异，并进一步识别潜在的标记化合物，为分析NFC 与FC 杨梅汁间差异成分提供了一种有效方法。根据VIP>1 和Fold-Change>2 或Fold-Change<0.5 筛选出40 个差异代谢物，基于差异倍数大小从40 种代谢物中筛选出9 个差异较大的代谢物。经分析发现，FC 杨梅汁中对磺基苯甲酸、5-甲基四氢叶酸、矢车菊素、西瑞香素、花椒毒酚和异黄蝶呤等抗氧化活性成分的含量相对较低，而苦味代谢物（新橙皮苷、橙皮苷和槲皮素-3-O-新橙皮苷）的含量相对较高。通过对代谢通路分析，筛选出5 条差异较大的代谢途径，分别为苯丙氨酸代谢、黄酮和黄酮醇的生物合成、单萜生物合成、异喹啉生物碱生物合成和β-丙氨酸代谢。NFC 与FC杨梅汁中筛选出的9 个差异代谢物是以富集在通路上的L-苯丙氨酸和槲皮素在不同酶的作用转化生成，由于两种物质受温度的影响，使得转化生成的代谢物含量减少，而L-苯丙氨酸和槲皮素富集所在的通路为苯丙氨酸代谢、黄酮和黄酮醇的生物合成。所以综上结果显示，9 个代谢产物和苯丙氨酸代谢、黄酮和黄酮醇的生物合成是NFC 与FC 杨梅汁形成差异的主要代谢物和代谢途径。本研究说明代谢组学可用于阐明NFC 和FC 杨梅汁间的成分差异，为二者差异代谢物富集的代谢通路提供研究方向。