代謝指紋分析及其在食品科學(xué)中的應(yīng)用

梁強(qiáng)，郭曉暉，周蓓莉，趙國(guó)華，2

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400715)

代謝指紋分析及其在食品科學(xué)中的應(yīng)用

梁強(qiáng)1，郭曉暉1，周蓓莉1，趙國(guó)華1，2

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400715)

代謝指紋分析是代謝組學(xué)的重要研究手段之一，它具有快速、高通量、全局分析的特點(diǎn)。文中在總結(jié)國(guó)內(nèi)外近幾年來(lái)有關(guān)代謝指紋分析研究開發(fā)與應(yīng)用文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其概念與分類、分析流程及其在營(yíng)養(yǎng)代謝性標(biāo)記物研究、物質(zhì)代謝規(guī)律研究、膳食調(diào)查與評(píng)價(jià)、食品原料差異性鑒別、食品質(zhì)量評(píng)價(jià)與追溯等方面的應(yīng)用，并對(duì)該技術(shù)在食品科學(xué)中應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

代謝指紋分析，食品科學(xué)，溯源

代謝組指的是一個(gè)細(xì)胞、組織或器官中，所有代謝物組分的集合，尤其指小分子代謝物。代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后，出現(xiàn)的一個(gè)相對(duì)較新“組學(xué)”研究領(lǐng)域，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝組中小分子(＜1 500 u)代謝物的高通量的定性和定量分析［1］。代謝指紋分析是代謝組學(xué)的重要研究手段，通過(guò)對(duì)代謝物的整體分析，比較圖譜差異進(jìn)行樣品快速鑒別和分類［2］。代謝指紋分析技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于植物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物、環(huán)境及微生物等領(lǐng)域［2－4］，在食品科學(xué)研究［5－8］也展現(xiàn)出誘人的潛力，但我國(guó)在這方面的研究才剛起步。本文在介紹代謝指紋分析基本原理與流程的基礎(chǔ)上，對(duì)它在國(guó)內(nèi)外食品科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 代謝指紋分析

1.1 代謝指紋分析概念與分類

代謝組學(xué)的出現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)80年代，而真正得到發(fā)展是在 20世紀(jì)末［5］。早期研究中，Nicholson［9］和 Fiehn［10］等曾分別提出了動(dòng)態(tài)代謝組學(xué)(metabonomics)和靜態(tài)代謝組學(xué)(metabolomics)的概念。隨研究的深入，學(xué)術(shù)界對(duì)代謝組學(xué)進(jìn)行了統(tǒng)一的定義。當(dāng)前廣為接受的代謝組學(xué)是指通過(guò)對(duì)生物系統(tǒng)在給定時(shí)間和條件下所有小分子代謝物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析，從而從整體上揭示該生物系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)代謝規(guī)律的科學(xué)。

代謝組學(xué)中對(duì)小分子代謝物質(zhì)的分析通常分為目標(biāo)分析和非目標(biāo)分析［6］。目標(biāo)分析主要是針對(duì)特定的代謝物進(jìn)行定性和定量分析，包括代謝物靶分析和代謝輪廓(譜)分析;代謝物靶分析是對(duì)一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)已知結(jié)構(gòu)和分析方法特定目標(biāo)成分進(jìn)行定性和精確定量分析;代謝輪廓(譜)分析是對(duì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)或代謝路徑相關(guān)的一組化合物進(jìn)行定性和近似定量分析。非目標(biāo)分析是對(duì)全部代謝物進(jìn)行的模糊分析，通常借助于指紋圖譜，又稱為代謝指紋分析。該方法通過(guò)不同因素條件下代謝物的指紋圖譜差異，對(duì)代謝過(guò)程進(jìn)行全方位描述。與代謝物靶分析和代謝輪廓(譜)分析相比，代謝指紋分析能更為真實(shí)地反映生物系統(tǒng)內(nèi)預(yù)期或不可預(yù)期的變化規(guī)律。

1.2 代謝指紋分析流程

代謝指紋分析包括生物分析和數(shù)據(jù)分析兩部分［1－11］，生物分析主要包括樣品制備(研磨、冷凍、干燥、稀釋等)、代謝物萃取、衍生化作用、代謝物檢測(cè)獲得可供分析的大量有效數(shù)據(jù)(圖譜);常用的生物分析技術(shù)包括液相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)、氣相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)、毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜(CE-MS)、傅里葉變換紅外光譜-質(zhì)譜(FTIR-MS)及核磁共振技術(shù)(NMR)等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用對(duì)象［5］。數(shù)據(jù)分析主要包括原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、指紋圖譜比較或化學(xué)計(jì)量學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，挖掘數(shù)據(jù)信息，尋找變化規(guī)律，從而反映代謝的進(jìn)程。預(yù)處理的目的去掉代謝物之外的背景干擾;常用的化學(xué)計(jì)量分析包括主成分分析(PCA)和偏最小二乘法-判別分析(PLS-DA)。代謝指紋分析流程圖見圖1。

2 代謝指紋分析在食品科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 營(yíng)養(yǎng)代謝性疾病標(biāo)記物研究

圖1 代謝指紋分析流程圖

代謝指紋分析已用于糖尿病、肥胖病、慢性炎癥等營(yíng)養(yǎng)性代謝性疾病及其并發(fā)癥的研究，對(duì)機(jī)體的代謝物(如血液、尿液、糞便等)進(jìn)行全面分析，從指紋圖譜上快速的區(qū)分不同的代謝途徑，再與代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，找到相關(guān)的生物標(biāo)記物。許多研究(表1)表明，該分析技術(shù)可以作為發(fā)現(xiàn)機(jī)體代謝異常和尋找潛在的生物標(biāo)記物的有效工具，為醫(yī)學(xué)疾病的診斷提供有效的信息。

表1 代謝指紋分析在營(yíng)養(yǎng)代謝性疾病標(biāo)記物的應(yīng)用

2.2 物質(zhì)代謝及膳食結(jié)構(gòu)研究

傳統(tǒng)研究膳食結(jié)構(gòu)的方法是食物問(wèn)卷調(diào)查或飲食日記，由于參與者主觀性強(qiáng)很難準(zhǔn)確完整的記錄他們每天的膳食情況，因此，此方法具有局限性，而代謝指紋分析是一個(gè)有效的客觀的飲食結(jié)構(gòu)分析方法。有報(bào)告指出代謝指紋分析能準(zhǔn)確地區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)早餐和測(cè)試早餐［17］，同時(shí)也用于分析物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的代謝。從這些研究(表2)可以看出，代謝指紋分析用于分析物質(zhì)代謝及膳食結(jié)構(gòu)具有潛在的前景，進(jìn)一步研究飲食與健康的關(guān)系，提出更加合理的膳食指南。

表2 代謝指紋分析在物質(zhì)代謝和膳食結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.3 食品原料鑒別分類

代謝指紋分析常用于食品成分分析，可以追溯原料的品種、來(lái)源地、生長(zhǎng)環(huán)境及養(yǎng)殖方式，從而判斷原料的安全性。Luthria等人［23］利用紫外光譜和方差分析－主成分分析對(duì)花椰菜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同品種之間和生長(zhǎng)條件下花椰菜的指紋圖譜存在明顯差異，能夠快速鑒別分類。Davis等人［24］發(fā)現(xiàn)非轉(zhuǎn)基因和轉(zhuǎn)基因大麥的成分存在明顯的不同。類似的研究見表3，這些研究都說(shuō)明了，在鑒別食品原料的品種、質(zhì)量、產(chǎn)地、生長(zhǎng)環(huán)境的差異和成熟度時(shí)，代謝指紋分析是一個(gè)有效的研究策略。

表3 代謝指紋分析在鑒別食品原料的應(yīng)用

2.4 食品質(zhì)量評(píng)價(jià)及溯源

許多研究者將代謝指紋分析應(yīng)用于食品質(zhì)量安全的檢測(cè)(見表4)。它能提高食品檢測(cè)的速度、準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性。從這些研究看出，此分析技術(shù)能有效地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，鑒定產(chǎn)品品質(zhì)，鑒別產(chǎn)品是否摻假，評(píng)價(jià)食品質(zhì)量安全，更為重要是應(yīng)用于食品生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)管，確保每批產(chǎn)品的一致性。

表4 代謝指紋分析在食品質(zhì)量安全的應(yīng)用

2.5 其他方面的應(yīng)用

代謝指紋分析也應(yīng)用于食品加工中化學(xué)和微生物變化的研究。Chen等人［37］發(fā)現(xiàn)，不同保藏方式的肉類(火雞、牛肉、豬肉、羊肉、魚)和菠菜的指紋圖譜存在明顯的差異，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，冷凍肉在－20℃下也被大腸桿菌污染。Lee等人［38］發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵茶的兒茶素、沒(méi)食子兒茶素、表兒茶素-3-沒(méi)食子酸、沒(méi)食子兒茶素-3-沒(méi)食子酸、奎尼酸、咖啡因和蔗糖的含量比綠茶低，而沒(méi)食子酸和葡萄酸含量高，鑒別不同加工工藝的茶葉。Del Bove等人［39］采用FI-IR對(duì)意大利10個(gè)地域奶酪中22種酵母菌進(jìn)行分析，通過(guò)免費(fèi)軟件“R”(http://cran.r-projet.org/)對(duì)酵母菌進(jìn)行快速鑒別和表型分類。從這些研究可以看出，代謝指紋分析在鑒別食品保藏方式、食品加工工藝及分析食品中有益和有害微生物具有潛在的前景，在食品工業(yè)上，可以用來(lái)優(yōu)化食品生產(chǎn)工藝，減少生產(chǎn)成本，控制加工過(guò)程減少每批產(chǎn)品的差異性，提高食品風(fēng)味口感，確保食品質(zhì)量安全。

3 展望

代謝指紋分析是代謝組學(xué)重要研究?jī)?nèi)容之一，它是從全局的角度去研究代謝物組，對(duì)樣品進(jìn)行快速的鑒別和分類，如果要對(duì)各信號(hào)所代表的代謝物進(jìn)行定量和結(jié)構(gòu)鑒定，還需要借助目標(biāo)分析方法。目前出現(xiàn)許多改進(jìn)技術(shù)，如超高液相色譜-質(zhì)譜(UHPLCMS2)、二維氣相-飛行時(shí)間質(zhì)譜(GC×GC-TOF-MS)，液相-飛行時(shí)間質(zhì)譜(LC-TOP-MS)、實(shí)時(shí)直接分析飛行時(shí)間質(zhì)譜(DART-TOP-MS)和混合四極飛行時(shí)間質(zhì)譜(Q-TOP-MS)、超高液相色譜－飛行時(shí)間質(zhì)譜(UPLC-TOP-MS)、2D-NMR等為代謝指紋分析的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)平臺(tái)。

縱觀當(dāng)前代謝指紋分析的研究，還可以進(jìn)一步利用該技術(shù)建立食品代謝物數(shù)據(jù)庫(kù)和人體代謝物數(shù)據(jù)庫(kù);建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、可接受、重現(xiàn)性好的人類營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究方案;食品加工和食品變化的標(biāo)記物篩選;食品功能成分及有害物質(zhì)代謝物標(biāo)記物篩選與鑒定;食品中危害物定性與定量測(cè)定;食品生產(chǎn)過(guò)程控制等。由此可見，代謝指紋分析在食品科學(xué)中是應(yīng)用前景廣闊。

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Metabolic Fingerprinting Analysis and the Application in Food Science

Liang Qiang1，Guo Xiao-hui1，Zhou Bei-li1，Zhao Guo － hua1，2
1(College of Food Science，Southwest University，Chongqing 400715，China)
2(Chongqing Special Food Programme and Technology Research Center，Chongqing 400715，China)

Metabolic fingerprinting analysis is one of the important research strategies of metabolomics．It is fast，high － throughput，and overall analysis．With the summarizes of relevant metabolites from home and abroad in recent years，the paper describes its concept and classification，processing and application in metabolic markers in nutrition study，metabolism study，investigation and evaluation of diet，differences identification in raw materials，and food quality evaluation and food trace back．Meanwhile，the problems of the technology applied in food science and future development of the technology were discussed．

metabolic fingerprinting analysis，food science，traceability

碩士研究生(趙國(guó)華教授為通迅作者，E-mail:zhaoguohua1971@163.com)

2011－07－06，改回日期:2011－09－03