李学贤 张 雪 童 灵 张思文 叶德练,3 吴良泉

(1.福建农林大学 资源与环境学院/国际镁营养研究所，福州 350002；2.中国农业大学 资源与环境学院，北京 100193；3.福建农林大学 农学院/作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室，福州 350002)

食物风味是由滋味和气味综合决定的，二者可相互作用。风味不仅影响食物口感和其中营养物质的吸收，而且在一定程度上决定着消费者食物购买和摄入的意愿，进而会影响人体营养状况[1]。滋味是指口腔味蕾所感知的水溶性、低分子量化合物(氨基酸、蛋白质、核苷酸等含氮和糖、有机酸等非含氮物质)的化学感觉[2]；气味指由鼻腔嗅芽所感知的醇、醛、酸、酯等挥发性组分的化学感觉。绝大部分挥发性物质来自氨基酸、脂肪酸和类胡萝卜素等必需营养素[3]。

1908年，池田康夫发现L-Glu引起海藻汤的“鲜美”味，后经动物行为、电生理和人体感官试验将氨基酸等呈味物质引起的鲜味确定为与甜、苦、咸、酸并列的第五种初级味觉[4]。近年来，相关研究也表明果实风味与糖酸比相关性较小，而游离氨基酸的组成和含量对风味品质有重要影响[1]。植物体内含有大量游离态和结合态氨基酸，结合态氨基酸在食用时无法立即水解，因此游离氨基酸对滋味形成具有更重要的意义[5]。

海藻、裙带菜中高浓度L-Asp、L-Glu、L-Ala形成特殊风味[6]；库尔勒香梨中高浓度的L-Asp、L-Glu可以增强果实整体的鲜味品质[7]；蜜橘中含量较高的鲜味氨基酸L-Asp、L-Glu，及甜味氨基酸如L-Ser、L-Thr、L-Gly等对果实风味品质形成具有重要作用[8]。然而由于植物体内某些游离氨基酸的含量低于呈味阈值浓度，被认为它们对食品的口感没有贡献，因此，通过采前养分管理、田间措施增加植物体内甜味、鲜味氨基酸组分含量，对于改善作物风味品质具有重要作用。本文扼要总结氨基酸呈味阈值、呈味多样性、协同与抑制效应等，在此基础上，梳理调控植物性食物氨基酸含量的措施，为提高作物氨基酸含量、改善氨基酸组分或结构等品质性状提供理论基础和实践指导。

1 游离氨基酸与风味品质

1.1 游离氨基酸味觉的影响因素

氨基酸味觉效果与其手性结构有一定相关性(表1)。D-氨基酸大多呈现甜味；L-氨基酸可呈现甜、苦、酸、鲜、咸5种初级味道，但L-氨基酸中，甜味氨基酸阈值均比较高，因此L-氨基酸不容易产生甜味[9]。此外，L-构型是氨基酸产生鲜味的必需结构。除L-Glu、L-Asp外，L-Ala等甜味氨基酸在高浓度条件下也可呈鲜味[10]，当IMP或GMP存在时，鲜味受体T1R1+T1R3甚至可对多数甜味L-氨基酸产生反应，如L-Ala、L-Thr、L-Ser、Gly，但D-氨基酸无法激活鲜味受体[11]，表明D-氨基酸和鲜味之间无相关性。

氨基酸的侧链疏水性、体积大小影响其味觉效果。当侧链亲水性强、体积小时，L-氨基酸呈甜味，如L-Gly、L-Ala、L-Ser、L-Thr；侧链疏水性强、体积大的L-氨基酸，如L-Leu、L-Ile、L-Phe、L-Trp等更容易产生苦味。D-氨基酸呈相反趋势，侧链疏水性越强，体积越大，则甜味越强；反之苦味越强[10]。

味觉阈值指被味觉受体感知的味觉成分的最低浓度(表1)。味觉活度值(Taste Activity Value, TAV)是味觉氨基酸浓度与其味觉阈值之比，表示该氨基酸对食物味道的贡献。当TAV≥1时，该氨基酸的味觉特征影响风味，比值越大，影响越大[13]。

表1 氨基酸呈味阈值Table 1 Amino acid taste threshold (g/L)

游离氨基酸含量及分布情况会随植物生长发育发生改变。裙带菜叶片大部分氨基酸含量在生殖季节降至最低[6]；葡萄成熟期主要氨基酸L-Gln、L-Arg、L-Pro、L-Thr含量是生长期的3-4.7倍[14]；库尔勒香梨果实发育过程中，总游离氨基酸含量逐渐降低，推测为在果实成熟后期游离氨基酸降解形成芳香挥发物，形成浓郁的果实香气[7]；番茄果实中的鲜味氨基酸L-Asp、L-Glu、甜味氨基酸L-Gly随番茄果皮颜色由青转红呈增加趋势，有助于番茄果实风味品质形成[15]。在大多数开花植物中，氨基酸的生物合成主要发生在营养组织中，但降解形成香气物质主要发生在生殖器官(如花、果实)中[16]；矮牵牛花中L-Phe的标记试验证明，叶片产生的L-Phe可以作为形成芳香代谢物的前体，通过茎运输到花中[17]。而在非开花植物中(如薄荷)，叶片为合成释放挥发性有机化合物的主要器官[18]。

食品发酵加工过程中，蛋白质水解成高浓度游离氨基酸，使氨基酸TAV增加，对发酵产品的味道起关键作用[19]。大米或高梁发酵制得的食醋含有较高浓度的L-Glu、L-Ala，其TAV远大于1，对食醋鲜味、甜味产生积极影响[13]；豆腐中鲜味氨基酸(L-Glu、L-Asp)、甜味氨基酸(L-Ser、L-Ala)、苦味氨基酸(L-Leu、L-Val、L-His、L-Met)含量均高于其阈值，影响口感[9]；大豆源酱油中氨基酸(75%游离和25%结合氨基酸)占其固形物55.4%，60%游离氨基酸为L-Glu、L-Ala、L-Leu、L-Ser、L-Val，是呈味主要成分[19]。

除游离氨基酸组分和浓度外，溶液pH、温度等环境条件也调控游离氨基酸呈味。同一种游离氨基酸在不同pH条件呈现多样味道。根据味觉氨基酸/多肽数据库(http:∥www.uwm.edu.pl/biochemia/index.php/pl/biopep)，L-Asp在pH 3～6之间呈酸味，pH>5时呈鲜味，pH>6则显咸味；pH=4时L-Lys呈酸味，4～9.83之间呈苦味/甜味；L-Glu在pH>5时呈鲜味，3-5时呈酸味[20]。在较低温度(<100 ℃)下加热鸡肉，鲜味氨基酸(L-Asp、L-Glu)含量持续增加；苦味氨基酸(L-Val、L- Ile、L-Phe、L-Lys、L-Leu、L-Tyr)含量在120 ℃加热30 min后迅速下降；含硫氨基酸L-Met也随加热时间、温度升高而下降[21]。

1.2 游离氨基酸代谢产生气味化合物

游离氨基酸通过转氨、脱氢、脱羧、还原等反应产生酸、醇、醛、酯以及含有N、S的风味物质[22](图1)。L-Glu和乙胺形成的L-茶氨酸是茶叶醇香风味的主要贡献者，在茶叶加工过程中，L-Phe、L-Lys、L-Arg通过与多酚、可溶性糖反应生成醛、酸、醇，增强茶叶香气[23]；L-Pro、L-Glu、L-Arg、L-Asn、L-Cys、GABA作为前体化合物，对葡萄酒感官品质的形成具有重要贡献[24]。

蓝色框图表示挥发性化合物；紫色、绿色、蓝色、红色箭头表示在不同氨基酸降解的初始步骤不同。The blue shaded part indicates volatile compounds; the purple, green, blue, and red arrows indicate different initial steps in the degradation of different amino acids.图1 氨基酸代谢产生各类挥发性化合物[22]Fig.1 Amino acid metabolism produces various volatile compounds

芳香族氨基酸(L-Phe，L-Tyr，L-Trp)的衍生物(E)-肉桂醛、水杨酸甲酯、苯甲酸甲酯、香兰素具有肉桂香、花香[3]；由L-Phe分解产生的2-苯乙醇和2-苯基乙酸乙酯强烈影响葡萄酒花香[24]；支链氨基酸(L-Leu，L-Ile，L-Val)可转化成有麦芽味的醛类、水果味和酒精味的醇类、以及酸味、水果味和黄油味的酸；L-Thr转化成乙醛有助于形成酸奶的特殊风味[22]；含硫氨基酸(L-Met、L-Cys)转化成甲硫醇、硫乙酸甲酯等，有助于大蒜、洋葱、煮土豆和熟白菜的特色气味；含硫挥发物也为水果提供特有香气，4-巯基-4-甲基戊烷-2-酮(硫醇)和1-p-薄荷-8-硫醇是新鲜葡萄柚汁中最有效的气味物质[25]；与半胱氨酸、谷胱甘肽结合的硫醇型香气4-甲基-4-硫烷基戊基-2-酮和3-硫烷基己基-1-醇增加葡萄酒的芳香纯度，丰富风味层次感[26]。

1.3 游离氨基酸呈味的协同和抑制效应

味觉协同效应指两种物质共存时，某种成分的味觉效果被另一种成分显著增强的反应，由多种受体或受体复合物介导[27]。L-Glu的鲜味可被一磷酸肌苷IMP增强，甜味受体和鲜味受体具有一个共同亚基，除鲜味氨基酸外，IMP还可显著增强甜味氨基酸L-Ser、L-Ala、Gly的鲜味[11]，表明甜味L-氨基酸与鲜味受体间存在联系，有助于鲜味的产生和增强。清酒中的感官试验结果表明，添加D-Ala会对清酒的鲜味产生影响[28]，原因或为甜味D-氨基酸与鲜味间存在协同作用，使鲜味增强。

味觉抑制效应指两种物质共存时，某种成分的味觉效果被另一种成分显著降低的反应。人体必需氨基酸多数呈强烈苦味[29]，通过苦味抑制剂来降低苦味，或可有助于提高人体摄入水平。苦味氨基酸L-Arg可以抑制L-Ile、L-Phe等苦味氨基酸的苦味。0.15%(w/v)L-Arg对0.1 mM奎宁溶液、100 mM L-Ile溶液和100 mM L-Phe溶液均产生苦味抑制效果，分别使其苦味强度从2.03降至0.88，1.68降至0.50，2.62降至2.14[30]，且向苦味氨基酸溶液(BCAA+L-Ile)中添加L-Arg时，苦味传感器的响应值显著降低[31]。因此，L-Arg或许通过掩盖/结合味觉细胞苦味受体上的位点，刺激味觉受体产生较少的Ca2+信号，降低人类感知的苦味强度(图2)。

(a)通过掩盖苦味受体位点阻止苦味产生；(b)通过与苦味分子结合降低苦味强度；(c)通过与苦味分子竞争苦味受体上的结合位点降低苦味强度。黄色形状表示苦味分子；绿色、紫色、红色形状表示苦味抑制分子(a) Block the bitter taste by masking the bitter taste receptor site; (b) Reduce the bitter taste intensity by binding to the bitter taste molecule; (c) Reduce the bitter taste intensity by competing with the bitter taste molecule for the binding site on the bitter taste receptor. Yellow shape indicates bitter taste molecules; green, purple, and red shapes indicate bitterness-inhibiting molecules图2 苦味抑制模式图[31]Fig.2 Diagram of bitterness suppression mode[31]

鲜味成分、香气成分也可以抑制苦味产生。含有大量L-Glu的酱油鲜味成分刺激味觉受体产生较少的Ca2+信号，降低L-Ile的苦味强度[19]；苹果、香草、草莓香气分别将支链氨基酸(BCAA，L-Val、L-Leu、L-Ile)的苦味阈值从1.87提高至2.35、2.40、2.87，抑制苦味[32]。

1.4 氨基酸呈味的多面性

一种氨基酸可以对应多种味道，如300 mM L-Met可产生15 mM L-Trp的苦味，385 mM L-Ala的甜味[31]；L-Glu、L-Asp等酸味氨基酸在高浓度条件下呈鲜味，L-Ala等甜味氨基酸在高浓度条件下也产生鲜味[10]。有研究表明，可能存在两种味觉受体细胞共同参与氨基酸的味觉介导：TypeII细胞(典型表达味觉受体的味觉受体细胞，但不传达味觉刺激)、TypeIII细胞(突触前细胞，不表达味觉受体，只传导味觉刺激给突触)，突触前细胞可以接收来自多个味觉细胞中不同味觉受体介导的味觉刺激，再一起传导给突触，产生神经信号以传递味觉信息[27](图3)。

同一味蕾表达的不同味觉受体细胞(Type II，紫色、绿色分别表示两种不同类型的味觉受体细胞)，产生味觉信号汇聚到突触前细胞(Type III)后，共同传递给突触，从而产生多种味道Different taste receptor cells expressed in the same taste bud (Type II, two different taste receptor cells indicated respectively in purple and green) produce taste signals that converge to presynaptic cells (Type III) and then transmitted to synapses for a variety of flavors图3 两种味觉受体细胞(Type II、Type III)共同参与一种氨基酸的多种味觉信号传导[27]Fig.3 Two types of taste receptor cells (Type II, Type III) are involved in a variety of taste signal transduction of the same amino acid

2 植物体内游离氨基酸含量的调控措施

2.1 养分调控措施

作为氨基酸的主要组成元素，氮素(N)水平、氮素形态(NH4+/NO3-)均可以直接/间接影响植物体内游离氨基酸含量。缺氮条件下，茶树中L-茶氨酸含量显著降低[33]；通过上调表达水稻叶片中的OsbZIP18，降低支链氨基酸转氨酶1(OsBCAT1)、支链氨基酸转氨酶2(OsBCAT2)活性，使苦味氨基酸L-Val、L-Ile、L-Leu含量显著增加[34]；氮缺乏使谷氨酸合成酶(GOGAT)等氨基酸关键合成酶活性降低，芹菜体内的游离氨基酸含量降低[35]。在60～120 kg/hm2内，烟叶中总游离氨基酸随施氮水平提高而显著增加。其中，L-Pro和L-Phe含量随施氮水平增加而增高； L-Leu、L-Ile、L-Ala在施氮水平为60 kg/hm2时含量最高; L-Val、L-Ser、L-Glu在中等施氮水平(90 kg/hm2)下含量最高。因此，适当施用氮肥可以有效改善风味品质[36]。

氮素形态影响游离氨基酸各组分比例。与供应NO3-相比，供NH4+可以更有效增强L-茶氨酸、甜味氨基酸L-Pro的生物合成，有助于增强茶风味[33]；随着供应NO3-供应量升高，菠菜茎叶中的谷氨酸脱氢酶(GDH)活性显著下降，鲜味氨基酸L-Glu、L-Asp，甜味氨基酸L-Ser含量增加；全硝营养状态下，三者分别占游离氨基酸总量30.3 %、18.6%和8.5%[37]；在盐胁迫下，供应NH4+可显著提高甜椒中L-Ser的浓度[38]。

含量相似但成分不同的氮肥处理对氨基酸组成具有不同影响。对葡萄单独喷施尿素，L-Thr、L-Ala、L-Glu、L-Asp、L-Leu、L-Cys、L-Trp、L-Tyr等10种氨基酸浓度显著降低；单独喷施L-Arg，仅L-Gln和L-Cys的浓度降低；而相比单独喷施，尿素和硫复合喷施(Ur+S)则显著提高了大部分氨基酸浓度，包括L-Thr、L-Ala、L-Lys、L-Asp、L-Arg、L-Met、L-His、L-Ile、L-Val、L-Phe[24]；柑橘类果实采后经外源GABA处理，通过降低线粒体GABA渗透酶(GABP)的表达，在一定程度上促进GABA的积累，通过反馈抑制谷氨酸脱羧酶(GAD)表达，使与GABA代谢密切相关的游离氨基酸含量增加，包括鲜味氨基酸L-Glu、L-Asp，甜味氨基酸L-Ala、L-Ser、L-Pro的积累[39]；氮、磷、钾是影响氨基酸合成的重要元素，因此氮磷钾肥配施(NPK)也可以显著提高春茶中的游离氨基酸总量，相比于对照处理，L-茶氨酸、L-Asp、L-Thr、L-Ser等鲜味、甜味氨基酸含量分别提高了26.60%、35.78%、35.06%、24.41%[40]。

2.2 植物激素喷施

茉莉酸甲酯(MeJA)是一种脂肪酸衍生的植物激素，诱导植物体内次级代谢产物变化，外源施用可以提高农产品品质，在改善香气品质方面发挥重要作用。采收茶叶前施用MeJA，可以改变新鲜茶叶中的总游离氨基酸含量。茉莉酸甲酯通过上调谷氨酸脱羧酶基因，促使绿茶中的L-Glu转化为GABA，降低L-Glu含量，增加GABA含量[41]；另外，茉莉酸甲酯可通过激活苯丙氨酸裂合酶(PAL)，使L-Phe转化为苯乙醛、苯甲醇等香气成分，对茶叶品质产生积极影响[42]。Tempranillo(VitisviniferaL.)葡萄L-Arg、L-Pro、L-Gln含量丰富，占果实总游离氨基酸含量约70%，喷施茉莉酸甲酯后，8种游离氨基酸L-His、L-Ser、L-Trp、L-Phe、L-Tyr、L-Met、L-Lys含量显著增加，其中，L-Phe作为2-苯乙醇的代谢前体，对葡萄酒的香气具有重要贡献[43]；而Garnacha (VitisviniferaL.) 葡萄中含量最丰富的游离氨基酸包括L-Arg、L-Pro、L-Gln、L-Glu、GABA，占果实总游离氨基酸含量约75%，喷施茉莉酸甲酯后，则降低果实中18种游离氨基酸含量，包括L-Glu、L-Asn、L-Ser、L-Gln、L-His、L-Gly、L-Thr、L-Arg、L-Ala、GABA、L-Cys、L-Val、L-Met、L-Trp、L-Phe、L-Leu、L-Lys、L-Pro，对葡萄酒的香气品质产生不良影响[44]，说明不同品种葡萄游离氨基酸含量特征不同，茉莉酸甲酯喷施效果迥异。此外，番茄叶片喷施水杨酸会增加成熟期果实中总游离氨基酸含量和L-Glu、L-Ser、L-Phe、L-His、L-Val等游离氨基酸组分含量[45]。

2.3 田间栽培管理措施

植物体内游离氨基酸含量受生理代谢调控，但田间栽培管理措施不同，也会使植物体内游离氨基酸水平发生变化。光通过影响植物体内光敏色素、隐花色素活性，进而引起植物体内生理生化变化[46]。蓝光通过提高氨基酸合成关键酶(NR、GS、GOGAT)活性、关键基因(NR、NiR、GS2、FdGOGAT、LEASL)表达量，促使无机氮转化为游离氨基酸，显著增加芹菜叶柄中L-His、L-Pro的质量分数[35]；人工气候室中，降低LED灯光的红光与远红光比值，可以增加栀子叶片中游离氨基酸积累量[46]；太阳辐照度(SI)也影响葡萄氨基酸的总体积累水平。强光照射下，鲜味氨基酸L-Asp的积累水平降低，但甜味氨基酸L-Pro、L-Ser和苦味氨基酸L-Val、L-Leu的含量增加[47]。

游离氨基酸作为茶树抗冻物质，在面临低温胁迫时，茶树中L-茶氨酸、甜味氨基酸L-Pro、L-Thr、L-Ala、鲜味氨基酸L-Asp、L-Glu含量均显著增加以适应低温环境[48]。与常温对照相比，低温使苹果砧木(山定子、平邑甜茶)根系中GS/GOGAT途径明显加强，使根系中游离氨基酸总量、鲜味氨基酸(L-Asp、L-Glu)、甜味氨基酸(L-Thr)和L-Arg含量均显著增加，但显著降低苦味氨基酸(L-Val、L-Ile、L-Tyr、L-Phe)组分含量[49]。嫁接使甜瓜中的游离氨基酸总量和醇脱氢酶 (ADH) 和醇酰基转移酶 (AAT) 活性降低，从而降低了由支链氨基酸(L-Val、L-Ile、L-Leu)合成的乙酸己酯、乙酸苯甲酯、乙酸-2-甲基-1-丁酯等芳香化合物的含量，在一定程度上降低了甜瓜的风味品质[50]。套袋作为保证果实外观品质的重要措施，对游离氨基酸含量具有显著影响。套紫色塑料膜袋可以显著提高‘库尔勒香梨’中的总游离氨基酸含量，包括L-Asp、L-Gly、L-Ala、L-Val、L-Met、L-Ile、L-Tyr、L-His、L-Lys、L-Arg、L-Pro，而L-Glu、L-Cys、L-Leu含量显著降低；套单层白色纸袋显著降低果实中的总游离氨基酸含量，包括L-Asp、L-Ala、L-Val、L-Ile、L-Tyr、L-Lys、L-Glu、L-Cys、L-Leu[7]；套袋不影响蜜橘果实中的游离氨基酸总量，但可以降低果实中苦味氨基酸L-Phe、L-His的含量[8]。

3 展 望

游离氨基酸在植物体内普遍存在，可以呈现酸、甜、苦、咸、鲜等多种味道，随着味觉传感器等精准定量技术的应用，发现一种游离氨基酸在不同浓度、不同pH条件下，甚至可以产生多种味道，即游离氨基酸的味道可以被改变。加工过程中味觉成分间的协同/抑制作用、加热时长、加热温度以及溶液pH也均会对游离氨基酸的味道产生影响，通过施肥、嫁接、套袋、补光等采前措施提高植物体内鲜味、甜味以及总游离氨基酸含量有助于改善作物的风味品质，目前已有多项试验对其进行量化表征，但不同养分管理措施对游离氨基酸含量的生理调控机制仍待深入解析。