代谢组学在谷物食品中的应用研究进展

2024-04-01范琦琦赵香香刘晓飞

食品工业科技 2024年7期

范琦琦，赵香香，吴鸣，李祥，张帅，喻江，刘晓飞，张娜

（哈尔滨商业大学食品工程学院，黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室，黑龙江省谷物食品与资源综合加工重点实验室，黑龙江哈尔滨 150076）

代谢组学是考察生物体系受到刺激或扰动前后的代谢产物图谱及其动态变化，是研究生物体系代谢网络的一种技术，研究对象主要是相对分子质量1000 以下的内源性小分子[1]。代谢产物可分为初级代谢产物和次级代产谢物。一般而言，如氨基酸、核酸、脂类物质和能量物质，普遍存在于生物体内并对该生物体的生存至关重要，被称作初级代谢产物[2]。次级代谢产物通常由初级代谢产物经过一系列酶促反应产生，常出现在某种特有的代谢途径中[3]，是药物、保健品、食品添加剂、香料及色素等诸多产品的原料。按结构不同对植物的次级代谢产物进行划分，其中种类较多的有酚类、萜类以及生物碱等[4]，如大米中的酚类物质，主要通过莽草酸和丙二酸两个代谢途径合成[5]。代谢组学在食品、医药等领域显示出巨大的发展潜力，实现了生物样本中大量代谢产物的同步检测，为获得更详细和全面的谷物食品信息提供了高效的方法。

谷类主要包括稻米、小麦、玉米、大豆及其他杂粮，是人类饮食的重要组成部分[6]，富含多种具有潜在功能的代谢产物，呈现不同的生物学功能。例如小米中的儿茶素可以结合血液中的重金属，预防重金属中毒[7]；黑米中的花青素具有抗氧化和抗炎活性功能[8]；大米中的酚类物质可以降低如心血管疾病、II 型糖尿病、肥胖症和某些类型的癌症等疾病发生的风险[9]；大豆中的异黄酮、多肽等物质具有抗氧化、抗癌、预防骨质疏松、降血糖、降低心血管风险等功效[10]。尽管部分谷物代谢产物的功能已被验证，但仍缺乏针对性和全面性的研究，需要科研工作者深入开展谷物代谢组学技术的研究。

本文就近年来代谢组学技术的分析流程（包括代谢产物的提取、代谢产物的检测和代谢组学的数据分析），以及代谢组学技术在谷物食品成分鉴定、风味物质鉴定、产地溯源和新产品开发等方面的研究进行综述，期望为推动谷物食品的精深加工、产品拓展和广泛应用提供理论依据。

1 代谢组学的分析流程

代谢组学的分析流程一般包括：代谢产物的提取、检测和数据分析，如图1 所示。代谢产物具有一定的复杂性和多样性，检测结果的覆盖范围往往受到样品制备方法、仪器灵敏度和分析技术选择性的限制[11]。代谢组学在不同领域的研究中，须采用不同的分析平台来全面分析代谢产物。

图1 代谢组学分析流程图Fig.1 Analysis flow chart of metabolomics

1.1 代谢产物的提取

代谢产物的提取是整个分析流程的重要环节，主要取决于样品材料和目标代谢产物。待检测样品的收集、提取和储存的微小变化均会影响代谢产物的稳定性，导致代谢组学的检测发生变化，尽可能完整地保留待测样品中整体代谢产物或特异性目标代谢产物至关重要[12]。提取代谢产物前，样品需借助研磨、冷冻干燥和液氮冻融等方法进行处理，以避免酶诱导的内源性代谢产物发生改变[13]，适当的研磨可以促进代谢产物的溶出，冷冻干燥可减少由于样品水分含量不同而导致的代谢产物差异。

传统的提取工艺耗时、不可持续，且需要耗费大量的有机溶剂。近年来，诸如超声波辅助提取、超临界流体萃取、亚临界水提取等已成为获取谷物食品代谢产物的绿色、安全、高效的手段。超声波辅助法与传统提取方法相比，减少了溶剂和能源的消耗、缩短了提取时间[14]，Ghasemzadeh 等[15]比较了超声波辅助和传统溶剂提取技术，结果表明乙醇:水（1:1）超声波辅助提取的总酚类、总黄酮和生育三烯酚含量最高，抗氧化活性最高。超临界流体是一种物质状态，具有接近气体的扩散系数、黏度和接近液体的密度，具有更高的选择性和扩散性等优势[16]，超临界二氧化碳由于其类气体和类液体特性，以及化学活性低、易获取、易分离、无毒等优点，常被应用于超临界流体萃取[17]，Benito 等[18]对比利用超临界二氧化碳萃取与己烷提取的藜麦油发现，前者萃取的藜麦油中生育酚的含量以及抗氧化活性更高。亚临界水提取是在100 和374 ℃之间，且高压保持水的液态，通过改变水的条件来改变其溶剂特性，实现高效和环保的提取[19]，Yoo 等[20]发现亚临界水提取可有效地破坏燕麦β-葡聚糖与胚乳细胞壁的紧密结合，高效提取β-葡聚糖的效率。综上所述，代谢组学技术的待检测样品的提取须优化前处理方式和提取条件，避免引起生物学上不相关的变化。

1.2 代谢产物的检测

代谢组学常用的检测技术包括振动光谱、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）和一系列基于质谱（Mass Spectrometry，MS）的技术等。

振动光谱技术主要包括傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared，FTIR）、傅里叶变换拉曼（Fourier Transform Raman，FT-Raman）光谱和近红外（Near Infrared，NIR）光谱等技术[21]。Lanser等[22]利用FTIR 技术测定了大豆原油中的游离脂肪酸含量。Yin 等[23]结合NIR 和计算机视觉技术无损检测了吐司面包中的金属铁、聚丙烯塑料和外来污染物。该技术可对样品进行无损分析，且成本较低，但也存在一定的技术性问题，如检测时受水分的影响较大、不能区分异构物、灵敏度较差，不适于痕量化合物的鉴定[24]。NMR 参考谱库由多个波谱仪频率下收集的纯化合物的一维或二维核磁共振波谱组成，是代谢产物定性和定量检测的关键，何瑶等[25]利用NMR 技术鉴别五常稻花香米的真伪，发现掺假大米中α-葡萄糖、β-葡萄糖、淀粉、蔗糖、甜菜碱等16 种主要成分存在显著差异。该技术具有穿透力强、样品无损、检测高效、重现性好的特点，但检测灵敏度相对较低、光谱分辨率低、进样量相对较大，不适合用于大量低浓度代谢产物的分析[24]。MS 技术常与气相色谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）和液相色谱（Liquid Chromatography-Mass Spectrometry，LC-MS）等技术联用，MS 谱库涵盖广泛，并且已被多个检测平台收录，获得的信息可以应用于食品安全、质量、加工、储存和认证方面[26]，Zhao 等[27]利用LC-MS 技术分析大豆油和花生油中的异黄酮和白藜芦醇含量，用于掺假检测。该技术易于自动化检测，具有出色的分离能力，但存在样品易被破坏、需要繁琐的衍生化以增加分析物的挥发性等缺点。

1.3 代谢组学的数据分析

代谢组学技术测得的原始数据复杂，需要将多维分散的数据进行归类和降维处理，排除不必要的干扰因素。检测数据需要经过去除基线伪影、峰值选取、对齐和归一化、缩放和转换的数据预处理[21]，目前数据分析常用的两类算法是非监督法和监督法。非监督法中常使用的是主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和分层聚类分析（Hierarchical Cluster Analysis，HCA），PCA 存在因过度简化数据易导致部分信息丢失的缺点[28]，常被用于监督法的预处理，而HCA 是根据样本的相似性进行分类，通过构建树状图使样品间的相似性可视化。监督法主要包括偏最小二乘法（Partial Least Squares，PLS）和以PLS 为基础的方法如偏最小二乘判别分析（Partial Least Squares Discriminant Analysis，PLS-DA）、基于正交信号校正的偏最小二乘判别分析（Orthogonal Projections to Latent Structures Discriminant Analysis，OPLS-DA）进行分析[29]，该方法的关键是模型验证，验证通过模型构建的结论在统计学上的有效性，验证模型对未知样本分类的全面性。

2 代谢组学技术在谷物食品中的应用

2.1 代谢组学在谷物食品成分鉴定中的应用

谷物食品的成分复杂，除蛋白质等大分子物质外，还含有酚类化合物、类胡萝卜素、植物甾醇、生育酚等小分子物质[30]。代谢组学具有高通量、高灵敏度等优势，能够实现多目标、全组分的同步检测，特别是传统检测技术无法检测到的微量成分。Kim等[31]利用LC-MS 和GC-MS 分析糙米在发芽过程中代谢产物谱的变化，共鉴定出包括酸性化合物、氨基酸、糖、脂质在内的25 种差异代谢产物，其中溶血磷脂酰胆碱、蔗糖和葡萄糖是发芽糙米的主要代谢产物。扎桑等[32]利用于UPLC-MS 技术检测青稞籽粒的脂类代谢产物，主要包括甘油三酯、磷脂酰胆碱、脂肪酸和磷脂酰乙醇胺等。代谢组学能探明代谢产物的组成、比例和含量，有助于针对特定人群开发特殊需求的谷物食品。为了更好地解析不同谷物食品代谢产物的多样性，可对谷物食品代谢产物进行广泛分析、定向和差异性分析。常见谷物食品的代谢组学分析如表1 所示。

表1 常见谷物食品代谢产物的代谢组学分析Table 1 Metabolomic analysis of bioactive substances in common cereal foods

2.2 代谢组学在谷物食品风味物质鉴定中的应用

风味是评价食品品质的重要因素之一，由挥发性代谢产物积累形成。大米香气受挥发性代谢产物的影响明显，目前已鉴定出250 多种挥发性代谢产物，其中区分芳香和非芳香大米的标志物是2-乙酰基-1-吡咯啉，其前体是脯氨酸，与某些水稻品种的香气有关[42-43]，而大米在烹饪过程中也会衍生新的代谢产物，如3-羟基-4,5 二甲基-2（5H）-呋喃酮，具有类似调味品的气味[44]。Farag 等[45]利用GC-IMS 和GCMS 对不同条件处理的玉米进行代谢组学比较，发现烘烤后的玉米会产生具有坚果味的2-乙酰基吡嗪。Jiang 等[46]利用LC-MS 技术鉴定全麦面包中的苦味挥发性代谢产物，发现与多酚、生物碱、单宁、某些糖苷和肽等的存在有关，为改善全麦面包风味提供了理论依据。目前，已知的挥发性香气代谢产物有酯类、醇类、醛类、酮类、内酯类和萜类化合物，在谷物食品风味形成过程中发挥重要作用。借助代谢组学技术检测谷物食品的代谢产物，在保证食品营养均衡的同时，使风味达到最佳，为开发优质的谷物食品奠定基础。常见谷物食品风味物质的代谢组学测定如表2 所示。

2.3 代谢组学在谷物食品的溯源追踪中的应用

近年来，随着农产品贸易的全球化，谷物食品原料的安全性备受关注，主要集中在谷物原料产地和品种的溯源。谷物的遗传背景和地理标志（土壤和气候）是影响谷物代谢产物的重要因素，其中地理标志可以提高商品的经济价值。欧盟委员会创建了“受保护的地理标志”和“受保护的原产地名称”的体系，可用来认证优质大米产品[57]。大米中的己醛浓度主要受贮藏条件、贮藏时间、脂肪酸浓度以及水稻种植区气候的影响，Zhao 等[58]研究发现我国南方地区水稻的己醛含量明显高于北方地区水稻。冯玉超等[59]利用GC-MS 技术检测黑龙江省宁安市和五常市的稻花香大米，发现不同产地对脂肪酸及其衍生物含量的影响明显。梁北辰[60]利用FTIR 技术检测大米样品，并分析了光谱数据与产地之间的相关性，选择可反映淀粉含量的光谱段，对五常、响水、越光三个产地大米的判别准确率分别达到75%、75%、90%。小麦籽粒中的脂质含量、脂质类别和脂肪酸水平与小麦的品种、生长环境、土壤条件和成熟度有关，硬质小麦通常比普通小麦具有更高的脂质含量，且硬质小麦和普通小麦的脂肪酸水平不同[61]。代谢组学是一种谷物食品原料溯源准确度高、灵敏性好、经济有效的分析技术，常见谷物食品溯源如表3 所示。

表3 常见谷物食品溯源的代谢组学分析Table 3 Metabolomic analysis of common cereal foods traceability

2.4 代谢组学在谷物食品精深开发中的应用

一般情况下，谷物原料经去壳、碾磨、粉碎等加工过程可获得米、面等初加工产品，再经过蒸煮、烘烤、油炸、发酵等加工方式可获得面条、馒头、面包、粥、酒、醋等终加工产品。随着人们对食品营养需求的不断提升，谷物食品的开发呈现多样化。Koistinen 等[72]利用LC-MS 技术对全麦面包发酵前后的代谢产物进行分析，发酵面包的支链氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸）以及含有支链氨基酸的几种小肽含量增多，其中28 种肽已被纳入抗高血压肽数据库中[73]。Tyagi 等[74]利用UHPLC-MS 技术对伊氏乳杆菌发酵的发芽糙米代谢产物进行分析，发现必需氨基酸、有机酸、酚类化合物和脂肪酸的含量增多，可预防心血管、II 型糖尿病、肥胖等慢性疾病。在新谷物食品开发过程中，可以通过代谢组学技术评价食品品质，有助于获得完善的食品配方和适宜的加工方式。近年来，代谢组学在谷物食品开发中的应用如表4 所示。

表4 代谢组学在谷物产品开发中的应用Table 4 Application of metabolomics in new cereal product development

2.5 代谢组学在谷物食品中其他方面的应用

近年来，谷物食品掺假事件层出不穷，代谢组学技术可以监测谷物食品代谢产物，实现对掺杂物的定性和定量分析。Righetti 等[85]验证了硬质小麦粉中具有统计学意义的代谢产物，特别是十七烷基间苯二酚，可以用于区分普通小麦粉和硬质小麦。代谢组学技术可用于新型原料替代品的开发，Zhang 等[86]发现由高地大麦可替代高粱酿造山西陈酿醋，陈酿醋中酸和酯的挥发性风味更胜一筹。代谢组学技术还可以用于储藏期谷物食品的阶段检测，监测谷物食品的品质劣变过程，利于精准确定食品的货架期，Alia等[87]发现储存10 d 的小米粉中，亚油酸、C-糖基黄酮、总酚含量显著升高，此时的小米粉不适宜食用；Zhao 等[88]研究发现高温储存会导致大米中醛、酮和呋喃等挥发性化合物含量增加，导致大米品质下降；Wang 等[89]通过对粳稻与籼稻储藏期的差异代谢产物研究发现，少量的糖醇（d-山梨醇、d-甘露醇、葡萄糖酸和杜尔西醇）会影响淀粉的合成代谢，导致两个品种的糊化特性发生变化，进而导致食品品质差异。

3 结论

随着分析仪器和数据分析平台的快速发展，代谢组学的发展在谷物食品领域引起了高度的关注，其应用范围变得更加广泛，影响谷物食品品质、营养特性等的代谢产物将会更加明确，不同来源谷物食品的代谢产物数据库将会被不断丰富和完善。代谢组学技术已探明了谷物食品的部分代谢产物，但仍有大量科研工作要做，一方面，未知代谢产物的识别是一个主要瓶颈；另一方面，将已知的代谢产物转化为可以利用的数据。

目前代谢组学在谷物食品领域的研究仍处于不断发展和完善阶段，主要有以下几个方面：a.建立灵敏度好、重复性强、覆盖率高的代谢组学定量分析方法，开发快速、高效的数据处理技术，完善并扩大代谢物数据库和代谢组学数据信息；b.将靶向和非靶向方法进行融合以实现更有效的代谢组学分析；c.模型的建立和实验设计既要与食品安全的理念相一致，同时也要遵循现代科学规律；d.将代谢组学与其他组学进行整合，例如代谢组学与宏基因组学相结合可以更好地了解影响食品品质各因素之间的相关性。综上所述，开源数据库、绝对定量、标记验证、成熟的预测模型和多技术整合利用是进一步提炼信息，并最终控制谷物食品原料种植、加工和储存的关键，要利用现有的科研成果，在代谢组学基础理论的指导下，逐渐形成科学严谨的标准化研究体系，推动谷物食品的发展进程。