果蔬風(fēng)味物質(zhì)形成的生物化學(xué)基礎(chǔ)

孫嘉卿，馮濤，宋詩清，姚凌云，孫敏，王化田

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香料香精技術(shù)與工程學(xué)院，上海 201418）

水果是人類飲食的重要部分，也是平衡飲食中不可缺少的輔助食品和營養(yǎng)來源，含有較多的水分、維生素和膳食纖維，而脂肪和蛋白質(zhì)含量較低。蔬菜作為低糖、低鹽、低脂的健康食物，是人們攝取營養(yǎng)的重要途徑。近年來，隨著消費(fèi)者風(fēng)味需求的多元化，對(duì)果蔬中揮發(fā)物的重視程度逐漸增強(qiáng)。而果蔬風(fēng)味物質(zhì)的生物合成途徑對(duì)解釋多元風(fēng)味的產(chǎn)生起決定性作用。事實(shí)上無論是采前還是采后，果蔬揮發(fā)物的表征都非常復(fù)雜，因此全面了解果蔬中揮發(fā)性化合物的化學(xué)和生物學(xué)特性對(duì)于提高新鮮果蔬的風(fēng)味質(zhì)量至關(guān)重要，也為今后果蔬風(fēng)味的可控性研究提供思路。

1 果蔬風(fēng)味物質(zhì)的分類

1.1 果蔬的分類

古代水果被劃分為五果，據(jù)《素問·臟氣法時(shí)論》記載：五果是指棗、李、杏、栗、桃五種果實(shí)。中醫(yī)上從性味將水果分為寒涼、甘平、溫?zé)崴?。按照水果中所含糖分及酸的含量，還可以分為酸性、亞酸性、甜性、堿性水果。而基于呼吸作用的生理差異和成熟期對(duì)乙烯合成的依賴可將水果分為呼吸躍變型和非呼吸躍變型。蔬菜可以從食用器官、農(nóng)業(yè)生物學(xué)、植物學(xué)角度進(jìn)行分類。近年來有許多新的研究關(guān)注在更細(xì)化的分類上，如利用視覺捕捉技術(shù)設(shè)計(jì)的拾取機(jī)器人水果自動(dòng)分類系統(tǒng)[1]；基于小型化便攜式光譜成像技術(shù)的分類識(shí)別系統(tǒng)；張晨等[2]則對(duì)蘋果和柑橘類水果進(jìn)行了更深入地分類識(shí)別研究?？梢妼?duì)于果蔬的分類還有更多的空間有待發(fā)掘。

1.2 果蔬風(fēng)味物質(zhì)的分類

1.2.1 醛類、酮類、酯類、醇類、含硫化合物

食莢菜豆揮發(fā)性化合物主要為醇類、醛類、酯類、酮類、酸類等[3]。榴蓮果肉中，揮發(fā)性成分以二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚等含硫化合物為主[4]。C6、C9 的醛類、醇類是黃瓜、甜瓜的主要風(fēng)味物質(zhì)。菠蘿的揮發(fā)性成分中酯類物質(zhì)占44.9%[5]。蘋果揮發(fā)性物質(zhì)中，低分子酯類物質(zhì)占78%～92%，以丁酸乙酯、己酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯等為主[6]。氨茴酸甲酯和甲酸乙酯是果香型葡萄的特殊香氣成分[7]。蘿卜、白菜中含量最高的是異硫氰酸酯類[8]。由于醇的氣味閾值高于醛同系物，因此醇作為風(fēng)味劑的重要性不高。

1.2.2 苯酚和相關(guān)化合物

通常，揮發(fā)性酚和相關(guān)化合物是具有甲氧基、酚基、乙烯基或醛基的苯取代的衍生物，其特征香氣成分為苯乙醇、香蘭素、百里香酚和丁香酚等。葡萄揮發(fā)性物質(zhì)中含有苯甲醇、苯乙醇、香草醛、香草酮及其衍生物[9]。酚類物質(zhì)對(duì)橄欖果實(shí)的風(fēng)味有很大的影響，尤其是對(duì)其苦澀味影響較大[10]。在竹筍的揮發(fā)性成分中則檢測(cè)出3-羥基-2-丁酮、吲哚類成分及苯酚類物質(zhì)[11]。

1.2.3 芳香族、脂肪族、雜環(huán)化合物

氨基酸代謝會(huì)生成脂肪族，芳香族，支鏈的醇、酸和羰基化合物，這些化合物進(jìn)一步合成對(duì)水果風(fēng)味至關(guān)重要的酯。當(dāng)糖類與氨基酸相互作用時(shí)，會(huì)形成醛、烷基吡嗪、烷基噻唑啉等揮發(fā)性化合物以及其他因Strecker 降解而產(chǎn)生的雜環(huán)。這些化合物是許多水果中具有明顯果味的重要揮發(fā)性物質(zhì)。如在對(duì)桑葚的氣味活性物質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)，苯甲醛、苯乙醛、苯乙酮等芳香族化合物對(duì)香氣有很大的貢獻(xiàn)[12]。

1.2.4 萜類化合物

目前在果蔬中已發(fā)現(xiàn)超過5 萬種萜類化合物，常見的有單萜、倍半萜等[13]。在單萜類化合物中，薄荷醇、月桂烯和芳樟醇作為植物精油的主要成分，是果實(shí)香味的主要來源[14]；R-檸檬烯通常占柑橘類水果精油的90%以上；S-芳樟醇在草莓香氣中具有重要作用，對(duì)番茄等其他果蔬的香氣也很重要[15]。倍半萜烯在橙果的香氣中起重要作用；萜烯類化合物賦予葡萄令人愉悅的玫瑰香型風(fēng)味，由于具有較低的感官閾值，即使含量不高，也能貢獻(xiàn)出明顯的香味[16]。

2 果蔬風(fēng)味物質(zhì)的采前生物合成途徑

水果的典型風(fēng)味物質(zhì)大多在生長發(fā)育的成熟階段產(chǎn)生。機(jī)體通過異化作用將來自環(huán)境或細(xì)胞自己儲(chǔ)存的高分子量前體物質(zhì)在酶的催化下一步步轉(zhuǎn)化為較小的、簡單的糖或酸類以及揮發(fā)性化合物，開始產(chǎn)生風(fēng)味。蔬菜中風(fēng)味物質(zhì)的形成和水果中風(fēng)味物質(zhì)的形成有些差異，蔬菜的發(fā)育過程沒有成熟期，大部分的香氣物質(zhì)都是在細(xì)胞破損時(shí)發(fā)生的。通過細(xì)胞破損使酶與原本隔離于細(xì)胞內(nèi)的基質(zhì)混合，產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)。

2.1 碳水化合物代謝

植物體內(nèi)高水平的碳水化合物對(duì)生長有很好的促進(jìn)作用，植物通過光合作用獲取能量，將二氧化碳變成糖類，再代謝為所需的養(yǎng)分，因此，可以說幾乎所有的風(fēng)味前體物質(zhì)都間接來自碳水化合物的代謝，少數(shù)風(fēng)味物質(zhì)直接來自碳水化合物的代謝。對(duì)歐李的碳水化合物代謝研究中發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)的可溶性糖如葡萄糖、果糖等的含量多少與植物生長的風(fēng)味形成密切相關(guān)[17]；枇杷花發(fā)育時(shí)，碳水化合物代謝為進(jìn)一步代謝和風(fēng)味的形成提供了最佳條件[18]；由六碳糖、低聚糖、高聚糖等碳水化合物為原料制備的羥甲基糠醛的含量對(duì)果蔬風(fēng)味影響較大[19]。綜上所述，果實(shí)的風(fēng)味品質(zhì)受香氣濃度和糖分含量高低的影響[20]，大部分果實(shí)中揮發(fā)性香氣物質(zhì)是果實(shí)碳水化合物次生代謝的重要產(chǎn)物[21]。

2.2 脂肪酸氧化

2.2.1 α-氧化途徑

α-氧化僅作用于C14-C18 鏈長的游離脂肪酸[22]，氧化途徑見圖1。當(dāng)氧化降解的脂肪酸拆解到十二碳鏈以下時(shí)，α 氧化酶體系的活性逐漸減弱或消失，而十二碳鏈以下的脂肪酸即可循環(huán)其他氧化途徑（如β-氧化）進(jìn)行代謝。關(guān)于對(duì)果蔬α-氧化的研究，最早是Hicthcock 等[23]研究綠豌豆子葉脂肪酸的α-氧化分解，并提取α-氧化的數(shù)種中間產(chǎn)物，為深入研究脂肪酸α-氧化奠定了基礎(chǔ)。但與β-氧化相比，α-氧化較少見。

2.2.2 β-氧化途徑

β-氧化途徑見圖2。由圖知直鏈酯成分被認(rèn)為是通過脂肪酸的β-氧化合成的，然后在進(jìn)行酯交換反應(yīng)之前可以將其還原為相應(yīng)的醇。葡萄中乙酸乙酯的含量最高，說明脂肪酸β 氧化酶高活性和專一性促使乙酸乙酯大量累積[24]。梨經(jīng)β-氧化途徑產(chǎn)成風(fēng)味，一般認(rèn)為癸二烯酸酯是梨風(fēng)味的載體，是亞麻油酸發(fā)生β-氧化而生成的。

2.2.3 酶促氧化途徑

有脂氧合酶（LOX）參加的氧化反應(yīng)稱為酶促氧化。LOX 又名脂肪氧化酶、脂肪加氧酶或類胡蘿卜素氧化酶，專一催化含有順,順-1,4 戊二烯結(jié)構(gòu)的多元不飽和脂肪酸的加氧反應(yīng)，生成具有共軛雙鍵的多元不飽和酸的氫過氧化物，產(chǎn)生風(fēng)味。乙醇脫氫酶、氫過氧化物裂解酶、醇酰基轉(zhuǎn)移酶等在香氣物質(zhì)形成的過程中也起到了重要作用[25]。

目前，已經(jīng)在豆類、水稻、花生、黃瓜、番茄、蘋果、桃等植物中發(fā)現(xiàn)LOX 的存在。LOX 在桃果實(shí)的己醛、反-2-乙烯醛等己醛類和醇類芳香化合物的合成、代謝過程中起決定性作用。經(jīng)過脂肪酸途徑合成的揮發(fā)性物質(zhì)在多數(shù)葡萄品種中高達(dá)94%。LOX 代謝途徑對(duì)獼猴桃果實(shí)風(fēng)味物質(zhì)尤其是酯類、醛酮類的合成至關(guān)重要。在蔬菜中，酶促氧化是導(dǎo)致甜玉米凍藏期間產(chǎn)生不良風(fēng)味的重要因素之一[26]。在番茄果實(shí)的研究中，有結(jié)論表明LOX可能參與了香氣物質(zhì)C5 的形成[27]。

2.3 萜類化合物合成途徑

萜類化合物從其前體物質(zhì)到結(jié)構(gòu)、功能各異的終產(chǎn)物的生物合成過程包括了三個(gè)階段（見圖3），分別為異戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的合成，香葉基焦磷酸（GPP）、香葉基香葉基焦磷酸（GGPP）、法呢基焦磷酸（FPP）的合成，萜類化合物碳骨架的形成及修飾[28]。GPP、FPP、GGPP 在TPS 催化下形成萜類化合物碳骨架或最終萜類化合物。

2.4 氨基酸代謝途徑

在各種水果和蔬菜中發(fā)現(xiàn)的含有低碳數(shù)的醇、醛、酸、酯等一系列有機(jī)化合物和芳香化合物，多為氨基酸通過脫氨酶、脫羧酶、脫氫酶和酯合成酶等合成丁子香酚（丁香）、茴香腦（茴芹）等風(fēng)味物質(zhì)[29]。其合成過程一般為氨基酸通過轉(zhuǎn)氨過程生成支鏈酮酸，再在脫羧酶、輔酶A、醇脫氫酶等的作用下生成相應(yīng)的醛、醇、酯，并產(chǎn)生風(fēng)味[30]。

有研究表明，以直鏈氨基酸L-亮氨酸為前體通過生物合成能產(chǎn)生蘋果和香蕉的一些特征風(fēng)味。亮氨酸通過Strecker 降解可形成3-甲基-1-丁醇；苯丙氨酸和色氨酸可轉(zhuǎn)化生成苯甲醛；在酵母菌的作用下，苯丙氨酸可形成苯丙烷和苯類化合物[31]。苯乙醇賦予果蔬發(fā)酵香和玫瑰香；2-苯基乙醛對(duì)番茄風(fēng)味有重要貢獻(xiàn)。在低濃度下，兩種化合物都具有令人愉悅的水果味，并且也是許多種花香的主要貢獻(xiàn)者。大蒜中最初的含硫風(fēng)味成分γ-谷氨酰半胱氨酸，也是通過氨基酸代謝途徑產(chǎn)生的[32]。

綜上，水果和蔬菜風(fēng)味物質(zhì)生成的主要途徑以及相關(guān)風(fēng)味物質(zhì)見圖4、圖5[33]。

3 果蔬風(fēng)味物質(zhì)的采后生物合成途徑

3.1 乙烯代謝

果蔬采后生理學(xué)研究最早開始于20 世紀(jì)30 年代，主要圍繞新鮮果蔬的保存運(yùn)輸、延長貯藏期、減損增值來展開，近年來發(fā)展迅速[34]。水果采后大部分通過內(nèi)源乙烯含量以及自身的呼吸作用產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)。非呼吸躍變型的草莓，采后乙烯釋放呈明顯上升趨勢(shì)。呼吸躍變型的芒果，呼吸強(qiáng)度和乙烯含量在果實(shí)成熟時(shí)都經(jīng)歷了低值-上升-下降的過程，其中單萜的含量先增后減，大部分倍半烯萜類也開始合成，酯類物質(zhì)的含量在后熟期間顯著增加。

3.2 人工發(fā)酵工程

3.2.1 生物合成

生物合成法主要是指利用微生物的自身代謝作用，在靜置期合成和積累對(duì)于細(xì)胞生長非必需的次生代謝產(chǎn)物。不同的菌種對(duì)發(fā)酵風(fēng)味有很大的影響[35]。比較常見的應(yīng)用是果酒的生產(chǎn)，目前已有許多研究對(duì)蘋果、葡萄、青梅等各種果蔬發(fā)酵展開。葡萄汁發(fā)酵后產(chǎn)生大量芳香類烷烴物質(zhì)，能增加香氣；青瓜汁發(fā)酵后醇類物質(zhì)含量的增加，使酒味、刺激性氣味增強(qiáng)，但發(fā)酵后過酸。類似梨和蘋果等的一些主要水果在發(fā)酵后酸甜感適中，特征香氣物質(zhì)增加，尤其是原有的果香和花香；橙汁中萜烯類物質(zhì)變化使新鮮氣息降低、發(fā)酵氣味增強(qiáng)。果蔬汁發(fā)酵后游離氨基酸總量下降，芳香族氨基酸和苯衍生風(fēng)味物質(zhì)增加。

3.2.2 生物轉(zhuǎn)化

生物轉(zhuǎn)化也稱生物催化，是指利用活的植物細(xì)胞、酶或微生物，以羥基脂肪酸、非羥基脂肪酸和脂肪酸酯等為底物，將化合物轉(zhuǎn)化成γ-羥基脂肪酸，然后再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為內(nèi)酯。近年來，已分離出由微生物通過生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的各種風(fēng)味化合物。將酶類添加到果蔬生產(chǎn)中，能有效改善其感官品質(zhì)和風(fēng)味，如在柑橘類水果中將果膠酶真空灌注，能降低柑橘皮苦味；在腌制或酸洗的過程中增強(qiáng)果蔬的揮發(fā)性和芳香性。香蘭素的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)制備，多采用木質(zhì)素、丁子香酚等做前體物，但轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)量偏低。田紅玉等[36]認(rèn)為阿魏酸作前體物質(zhì)、以辣椒素為原料，在羧酸酯酶的作用下轉(zhuǎn)化為香草基胺，然后在風(fēng)味蛋白香草基醇氧化酶的作用下通過兩步生物轉(zhuǎn)化制備香蘭素，很有發(fā)展前景。

4 果蔬風(fēng)味變化的影響因素

4.1 礦物質(zhì)營養(yǎng)

及時(shí)、平衡地獲取礦物質(zhì)營養(yǎng)對(duì)于保持最佳的植物品質(zhì)至關(guān)重要。常用的礦物質(zhì)營養(yǎng)來源于肥料氮磷鉀，對(duì)于草莓果實(shí)，適當(dāng)?shù)厥┯玫士梢栽黾訚{果中風(fēng)味成分的含量[37]；過量施氮?jiǎng)t會(huì)降低葉菜類蔬菜（如芹菜）的風(fēng)味[38]。磷肥增加了葡萄中單萜的含量，有助于葡萄的獨(dú)特風(fēng)味和香氣的形成。鉀肥可以增加維生素C、氨基酸等物質(zhì)的含量，從而改善果蔬的食用風(fēng)味[39]。最高氮磷鉀施肥水平能夠提高赤霞珠葡萄己二醛和2-己烯醛的含量；較低的肥力水平能提高葡萄汁中己酸和乙酸己酯的含量[40]；施用雞糞和羊糞也可以改善番茄果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)[41]。

4.2 水分

適度水分虧缺有利于果蔬香氣物質(zhì)的合成，而過度的水分脅迫會(huì)抑制香氣物質(zhì)的積累[42]。單萜類香氣物質(zhì)的種類受水分影響較大[43]。對(duì)于草莓，有研究發(fā)現(xiàn)分根灌溉條件下灌溉量為土壤田間最大持水量的80%時(shí)，具有較好的營養(yǎng)優(yōu)勢(shì)與風(fēng)味優(yōu)勢(shì)[44]。通過降低滴灌速率可使葡萄中的3-甲基丁酸辛酸和癸酸乙酯的含量顯著增加，這表明可以在不同的灌溉方式下獲得高品質(zhì)的葡萄汁和葡萄酒。因此，在降水不足的時(shí)期進(jìn)行灌溉，尤其是滴灌，目前已成為世界上許多溫帶葡萄酒產(chǎn)區(qū)的一種常見的灌溉方式，它是控制葡萄的營養(yǎng)和生殖階段的有效手段[45]。

4.3 生長調(diào)節(jié)劑的使用

采前噴施天然的植物生長調(diào)節(jié)劑，如茉莉酸、茉莉酸甲酯對(duì)風(fēng)味品質(zhì)也有影響[46]。植物生長調(diào)節(jié)劑處理后的葡萄酒，其胡椒的香氣特征有所增強(qiáng)[47]。氣調(diào)保鮮技術(shù)與1-甲基環(huán)丙烯（1-MCP）聯(lián)合處理藍(lán)莓，貨架期可延緩，貨架期間醛類成分流失[48]。通過1-MCP 處理不會(huì)降低蘋果乙酸乙酯濃度[49]。外源植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)果實(shí)風(fēng)味也有不同程度的影響[50]。噻苯隆具有生長素和細(xì)胞分裂素的雙重作用，濃度較高時(shí)對(duì)甜瓜中揮發(fā)性風(fēng)味組成和滋味影響較大；噴施在蘋果葉面能顯著增加風(fēng)味物質(zhì)種類，改變香氣成分相對(duì)含量[51]。氯吡苯脲會(huì)導(dǎo)致萜類物質(zhì)，如里那醇、香葉醇等相對(duì)含量的降低，使果實(shí)風(fēng)味變淡[52]；同時(shí)也會(huì)使厚皮甜瓜、西瓜中風(fēng)味物質(zhì)的種類和含量明顯降低[53]。

4.4 果實(shí)不同組織

在對(duì)葡萄的研究中發(fā)現(xiàn)，果皮的存在減少了黃酮、酸和酯的含量，而大多數(shù)酚類物質(zhì)卻不斷增加[54]。桃果實(shí)不同部位的揮發(fā)性物質(zhì)種類和含量差異也較為顯著。一般果皮中各種直鏈和支鏈烴類化合物、醛、醇、酮、酯和芳香物質(zhì)含量均顯著高于果肉中含量。頂部和底部果肉中的揮發(fā)物主要是不飽和內(nèi)酯的相對(duì)濃度不同，內(nèi)酯類成分在果肉中的分布為：頂部高于中部高于底部，且差異顯著；苯甲醛濃度在靠近核仁部位最高，推測(cè)其可能由苦杏仁苷酶水解而來。

4.5 溫度

溫度是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素，對(duì)果實(shí)風(fēng)味影響較大。如冷涼氣候?qū)ζ咸押推咸丫艭6 化合物合成有一定的促進(jìn)作用[55]。低溫貯藏可抑制獼猴桃的脂肪酸代謝活性，使果實(shí)的脂類物質(zhì)含量降低，醛酮類物質(zhì)含量增加，從而較好地維持果實(shí)的特征風(fēng)味[56]。在0 ℃的條件下貯藏保存軟棗獼猴桃風(fēng)味最佳[57]。溫度升高導(dǎo)致大多數(shù)風(fēng)味成分減少，特別是除異戊醇外的風(fēng)味成分均減少，而異戊醇卻大幅增加，導(dǎo)致明顯的雜醇味和苦味。

5 展望

作為果蔬品質(zhì)評(píng)判的重要指標(biāo)和關(guān)鍵部分，果蔬中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的閾值濃度、占比、相互作用以及自身的可溶性糖、酸度等對(duì)風(fēng)味指標(biāo)表現(xiàn)出的高相關(guān)性是通過何種方式和相互作用進(jìn)行的需要進(jìn)一步探討和驗(yàn)證。對(duì)于特征風(fēng)味物質(zhì)的生物代謝途徑，以脂肪酸氧化為例，不同酶的作用在對(duì)果蔬進(jìn)行發(fā)酵處理等人工生物技術(shù)干預(yù)的時(shí)候，發(fā)酵原料、發(fā)酵菌種、發(fā)酵方法、澄清方法等各方面的操作條件和因素對(duì)其風(fēng)味的形成、香氣協(xié)同作用也有很大的影響。如何通過調(diào)控酶的活性或底物的供應(yīng)來調(diào)整果實(shí)的香氣及這些代謝相關(guān)酶和基因如何對(duì)外界刺激做出響應(yīng)等問題，仍需要進(jìn)一步探索。對(duì)于水果蔬菜進(jìn)一步制成的產(chǎn)物，例如果醋、果醬、果茶、酸奶等，我們可以通過開發(fā)更高品質(zhì)的產(chǎn)品，改良其風(fēng)味品質(zhì)，進(jìn)一步挖掘其市場潛力[58]。

目前為止，對(duì)于果蔬采收前后成熟度的判斷沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，種植者往往通過經(jīng)驗(yàn)判斷，但易造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，且會(huì)對(duì)后期深加工產(chǎn)品的質(zhì)量造成不利影響。低場核磁共振（LF-NMR）等技術(shù)，具有無損便捷、準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)、樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)，可以多維度地通過各項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)水果的成熟度進(jìn)行更為準(zhǔn)確地判斷，而后建立一個(gè)較為系統(tǒng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，有助于更加準(zhǔn)確地判斷采收期，以產(chǎn)生更好的風(fēng)味[59]。同時(shí)，加強(qiáng)采前培育階段的管理，以延長果蔬的采后貯藏壽命、加強(qiáng)果實(shí)香氣成分的積累和釋放、減少因冷害引起的經(jīng)濟(jì)損失等方面的重視程度也有待提高。