張海朋,彭昭欣,石梅艷,溫歡,張紅艷,徐娟
園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院,武漢 430070
近些年,基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,已逐漸發(fā)展成熟[1]。風(fēng)味組學(xué)(flavoromics)來源于化學(xué)計量學(xué)和代謝組學(xué)領(lǐng)域,本質(zhì)上是基于非靶向方法快速收集不同樣本的代謝數(shù)據(jù),進(jìn)而挖掘和鑒定與果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)相關(guān)的代謝物[2]。風(fēng)味組學(xué)源于代謝組學(xué)而又異于代謝組學(xué),代謝組學(xué)主要是運(yùn)用靶向和非靶向方法鑒定所有小分子代謝物[3],而風(fēng)味組學(xué)主要用于鑒定與風(fēng)味相關(guān)的代謝組分[4],因此,風(fēng)味組學(xué)是在代謝組學(xué)的基礎(chǔ)上,對所有風(fēng)味相關(guān)代謝物質(zhì)進(jìn)行針對性和綜合性分析[5]。
柑橘中的香味、苦味、酸味、甜味和質(zhì)地等風(fēng)味屬性相關(guān)物質(zhì)主要包括影響香味的揮發(fā)性物質(zhì)[6],影響苦味的類黃酮和檸檬苦素類似物[7-8],影響甜味的可溶性糖,影響酸味的有機(jī)酸[9],影響果實(shí)化渣品質(zhì)的木質(zhì)素、果膠、纖維素和半纖維素[10],以及影響鮮味的氨基酸和異味的醇、醛等物質(zhì)。每項(xiàng)風(fēng)味屬性都可關(guān)聯(lián)到眾多代謝物質(zhì),但并非所有代謝物質(zhì)都對果實(shí)風(fēng)味有貢獻(xiàn),一般起決定作用的物質(zhì)僅為其中幾種。雖然風(fēng)味通常被描述為味覺和嗅覺的組合,但是外觀、質(zhì)地、口感和消費(fèi)者前期體驗(yàn)記憶也在味覺中發(fā)揮重要作用,這表明多種不同的感官信號被加工以產(chǎn)生整體感覺,將這些感官信息整合到大腦中,最終導(dǎo)致味覺偏好或厭惡,并對隨后的感知和行為產(chǎn)生強(qiáng)烈影響[11]。前人對柑橘中風(fēng)味物質(zhì)的研究已有較多報道,但大多僅針對其中一項(xiàng)品質(zhì)相關(guān)物質(zhì)。復(fù)雜的是,不同風(fēng)味屬性代謝物質(zhì)在含量及感官水平上有一定的相關(guān)性,如可溶性糖產(chǎn)生的甜味對苦味有掩味作用[12];在柑橘汁胞發(fā)生木質(zhì)化時,其他風(fēng)味也在不同程度上變淡[13]。因此,現(xiàn)代風(fēng)味組學(xué)的相關(guān)研究不僅要有色譜、質(zhì)譜等分析儀器的檢測結(jié)果,還需要結(jié)合消費(fèi)者感官評價的數(shù)據(jù),才可以綜合解析風(fēng)味品質(zhì)之間不同層面上的關(guān)聯(lián)性。
果實(shí)甜味和酸味是消費(fèi)者最關(guān)注的性狀之一,可溶性糖含量主要影響果實(shí)甜度,而有機(jī)酸主要影響酸度。柑橘中可溶性糖主要包括蔗糖、果糖和葡萄糖等,汁胞中可溶性糖隨果實(shí)發(fā)育逐漸積累,以蔗糖為主,且積累速度高于葡萄糖和果糖,不同柑橘品種中可溶性糖含量存在較大差異[14]。野生柑橘果實(shí)中糖含量與栽培種沒有顯著差異,由此可見,糖性狀在長期馴化過程中沒有發(fā)生顯著變化[15]。
柑橘果實(shí)中有機(jī)酸主要以檸檬酸為主,其含量在不同組織中有著顯著差異,主要在果實(shí)中積累。不同柑橘種質(zhì)可根據(jù)有機(jī)酸含量分為低酸、中酸和高酸三類。低酸品種有紅暗柳甜橙;中酸品種有華盛頓甜橙和Valencia夏橙等;高酸品種有尤力克檸檬和馬敘葡萄柚等[16]。前人研究表明低酸品種紅暗柳甜橙汁胞中有機(jī)酸含量在不同發(fā)育期始終較低,而其野生型暗柳甜橙有機(jī)酸含量在果實(shí)發(fā)育早期顯著上升,而后逐漸降低[17]。紐荷爾臍橙在采后貯藏過程中汁胞有機(jī)酸和可溶性糖呈現(xiàn)下降趨勢,而2,4-D會延緩有機(jī)酸和可溶性糖降低速度[18]。研究發(fā)現(xiàn)野生柑橘中有機(jī)酸含量顯著高于栽培種,可能在馴化過程中受負(fù)選擇[15]。
柑橘苦味物質(zhì)主要包括兩類,一類為前苦味物質(zhì),主要為類黃酮新橘皮糖苷類化合物,以柚皮苷含量最高[8];另一類為后苦味物質(zhì),屬于三萜類的檸檬苦素類似物,以檸檬苦素含量最高,其次為諾米林素[5,19]。
前人對同一地區(qū)生長的甜橙、寬皮柑橘、檸檬、枸櫞等果汁中類黃酮類物質(zhì)進(jìn)行LC-MS檢測,發(fā)現(xiàn)其類黃酮類物質(zhì)種類和含量差異都頗大[20-21]。柑橘中類黃酮物質(zhì)豐富,主要以糖苷形式存在,主要分為新橘皮糖苷和蕓香糖苷類。有前苦味的柑橘主要為柚、葡萄柚和酸橙等種質(zhì),含有大量的苦味新橘皮糖苷類物質(zhì)。寬皮柑橘、甜橙和檸檬等無前苦味現(xiàn)象[22-23],主要積累非苦味的蕓香糖苷類類黃酮,尤以橙皮苷含量占優(yōu)[8]??辔惰制ぼ蘸头强辔冻绕ぼ辗謩e由1,2-鼠李糖苷轉(zhuǎn)移酶(1,2RhaT)和1,6-鼠李糖苷轉(zhuǎn)移酶(1,6RhaT)催化黃烷酮-7-O-葡糖糖苷而成。前人研究表明,柚苦味種質(zhì)中,1,2RhaT蛋白正常,可催化合成大量柚皮苷,而甜橙等非前苦味種質(zhì)中該編碼基因發(fā)生移碼突變,不能合成苦味物質(zhì)柚皮苷[8,24]。同一柑橘不同組織中前苦味物質(zhì)含量也存在較大差異,如葡萄柚果肉中含有大量柚皮苷、橙皮苷和橙皮素等,但果皮中僅能檢測到少量柚皮苷和橙皮苷[20]。果實(shí)發(fā)育期也會影響類黃酮物質(zhì)積累,研究發(fā)現(xiàn)甜橙和化州柚等類黃酮含量隨果實(shí)發(fā)育呈現(xiàn)下降趨勢[8,25]。而且,在貯藏過程中3種柚果實(shí)和果皮中類黃酮含量均呈下降的趨勢[26]。
柑橘種質(zhì)中廣泛存在檸檬苦素和諾米林素[19]。檸檬苦素和諾米林素在溫州蜜柑果實(shí)黃皮層、白皮層和囊衣中含量較高,汁胞中含量較低;Oroblanco葡萄柚主要在囊衣中積累;檸檬苦素和諾米林素含量在上述2種柑橘中都隨果實(shí)發(fā)育逐漸降低[7,19]。開花后100~150 d紅肉處紅柚與同時期的綠肉翡翠柚相比,處紅柚黃皮層、白皮層、囊衣和汁胞中檸檬苦素和諾米林素均顯著高于翡翠柚,至果實(shí)成熟期,處紅柚汁胞中檸檬苦素和諾米林素含量分別為翡翠柚的4.91倍和4.62倍[27]。
香味物質(zhì)是指被人類嗅覺感知而感受到愉悅的揮發(fā)性物質(zhì),影響柑橘的香味品質(zhì)。需要說明的是,不是所有的揮發(fā)性物質(zhì)都有氣味,跟其香氣活性值有關(guān)[28];不是所有的揮發(fā)性物質(zhì)都有香味,跟其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān),也與人對香味物質(zhì)的嗅聞閾值有關(guān)[29];不是所有認(rèn)為有香味的物質(zhì),都被任何人、在任何介質(zhì)中或任意濃度下感知到香味。因此,揮發(fā)性物質(zhì)不能被稱為香味物質(zhì)。以柑橘果實(shí)為例,呈花香味的代謝物主要有β-月桂烯、順式-/反式-芳樟醇氧化物、β-芳樟醇、橙花醇和反式-橙花叔醇等,呈果香味的物質(zhì)主要有乙酸甲酯、乙酸丁酯、β-月桂烯、己醇和α-石竹烯等[30]。
柑橘果實(shí)中富含揮發(fā)性萜類物質(zhì),還產(chǎn)生芳香族化合物、醛、酮和酯類物質(zhì)等其他揮發(fā)性成分,其中萜類物質(zhì)均在含量和種類上占優(yōu)[28]。大多數(shù)柑橘種質(zhì)果實(shí)中最主要的揮發(fā)性物質(zhì)均為d-檸檬烯[6,31]。特征香氣物質(zhì)則因種質(zhì)而異,如β-月桂烯、順式-/反式-芳樟醇氧化物對莽山野柑的花香和膏香味有貢獻(xiàn)[28];瓦倫烯、芳樟醇和丁酸甲酯則分別為甜橙[32]、宮本溫州蜜柑[33]和血橙的特征香氣物質(zhì)[34]。Zhang等[35]研究表明莽山野柑特征香氣可通過花粉直感效應(yīng)傳遞到授粉果實(shí)上,顯著提高華農(nóng)紅柚汁胞中順式-、反式-芳樟醇氧化物含量?;?6個柑橘種質(zhì)果皮揮發(fā)性物質(zhì)的主成分分析(PCA),可以將寬皮柑橘、甜橙、柚和檸檬明顯區(qū)分開。不同柑橘種類間,如寬皮柑橘、甜橙、檸檬和柚等香味品質(zhì)各不相同,利用偏最小二乘法分析發(fā)現(xiàn)有33種潛在影響香味品質(zhì)差異的揮發(fā)性物質(zhì)[36],但這些物質(zhì)對不同柑橘種類特殊香味品質(zhì)的貢獻(xiàn)度還需要進(jìn)一步研究。此外,果實(shí)發(fā)育期、外源激素和是否感病等都會顯著影響柑橘果實(shí)萜烯類物質(zhì)組成和含量變化,從而導(dǎo)致香味品質(zhì)的變化[37-39]。目前,柑橘中揮發(fā)性物質(zhì)的研究主要集中在代謝物質(zhì)檢測和鑒定方面,特征香味物質(zhì)鑒定還有待進(jìn)一步深入開展。
在咀嚼柑橘可食用部位的同時,消費(fèi)者會感受到化渣性、韌性、脆性及細(xì)胞破碎時散發(fā)出的糖酸味及氣味。因此,果實(shí)的質(zhì)地品質(zhì)與消費(fèi)者口感和咀嚼性密切相關(guān),本文也將其歸入風(fēng)味品質(zhì),主要由木質(zhì)素、果膠、纖維素和半纖維素等物質(zhì)含量來決定。如圖1所示,由于不同柑橘種質(zhì)食用部位有所不同,主要質(zhì)地風(fēng)味品質(zhì)可分為4種類型:第一類為食用囊衣和汁胞的寬皮柑橘(含雜柑)和甜橙,需要關(guān)注汁胞和囊衣的化渣性;第二類為僅食用汁胞的柚和葡萄柚,主要關(guān)注汁胞的脆性及囊衣的韌性,以評估是否容易揭去囊衣且無大片殘余;第三類為食用白皮層部位的佛手和枸櫞等,除糖酸含量外,要關(guān)注白皮層含水量、化渣性、脆性和細(xì)胞緊密度等;最后一類為食用整果的金柑,黃皮層、白皮層、囊衣和汁胞的化渣性及脆性都對質(zhì)地風(fēng)味有貢獻(xiàn)。
因種質(zhì)不同,柑橘果實(shí)的質(zhì)地品質(zhì)存在較大差異。如愛媛28號果肉化渣性強(qiáng),砂糖橘化渣較好,而貯藏一定時期后的紅肉臍橙發(fā)生枯水而影響化渣性等。熟期對質(zhì)地品質(zhì)有一定影響,成熟期質(zhì)地品質(zhì)一般較好,采后貯藏措施不當(dāng)時果實(shí)汁胞枯水,木質(zhì)素含量升高,進(jìn)而影響果實(shí)的化渣性[40]。研究發(fā)現(xiàn)外源激素IAA和ABA可影響華農(nóng)紅柚汁胞木質(zhì)素合成,為外源激素調(diào)控柑橘汁胞木質(zhì)化提供有效思路[10]。
A:寬皮柑橘; B:甜橙; C:金柑; D:枸櫞; E:柚; FL:黃皮層; AL:白皮層; MS:囊衣; JS:汁胞; SE:種子;CC:中柱。A:Loose-skin mandarin; B:Sweet orange; C:Fortunella japonica; D:Citron; E:Pummelo. FL:Flavedo; AL:Albedo; MS:Membrane segment; JS:Juice sacs; SE:Seed; CC:Central column.
異味物質(zhì)的有否與含量高低是消費(fèi)者購買商品的另一個主要影響因素。柑橘果實(shí)發(fā)育過程中醇和醛類物質(zhì)數(shù)量少且含量變化不大[37]。柑橘中異味物質(zhì)主要產(chǎn)生于貯藏過程中,目前研究主要集中于小分子醇和醛類物質(zhì)。當(dāng)果實(shí)供氧不足,致使無氧呼吸產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物乙醇和乙醛等物質(zhì)積累而產(chǎn)生異味[41]。研究表明氨基酸和脂肪酸代謝產(chǎn)物,如三甲基丁醇、2-甲基丁酸乙酯等物質(zhì)含量在貯藏過程中顯著增加,導(dǎo)致異味產(chǎn)生。柑橘貯藏期低溫措施會影響柑橘乙醇和乙醛物質(zhì)的積累,促進(jìn)Valencia夏橙和Olinda夏橙果實(shí)異味產(chǎn)生[42-43]。果實(shí)打蠟是提高果實(shí)光潔度的重要技術(shù)措施,但同時引起果實(shí)無氧呼吸、導(dǎo)致乙醇增加,而選用透氣性較好的蠟液配方材料會減少異味物質(zhì)積累[44]。
風(fēng)味相關(guān)物質(zhì)主要為分子質(zhì)量較低的初生和次生代謝物。所使用的檢測儀器主要為:氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS),用于檢測揮發(fā)性物質(zhì)和初生代謝物質(zhì)[6,15];氣相色譜-嗅聞聯(lián)用儀(GC-O)主要用于香氣活性物質(zhì)鑒定[35];高效液相色譜(HPLC),主要用于類黃酮、類胡蘿卜素、纖維素、果膠的測定[7,10,27],也可以分析可溶性糖和有機(jī)酸等;液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(LC-MS)主要用于靶向和非靶向代謝物檢測[20]。
在利用色譜分析時,風(fēng)味相關(guān)代謝物質(zhì)的定性分析方法主要依據(jù)紫外可見吸收光譜特性和標(biāo)準(zhǔn)品的保留時間,但2種以上代謝物質(zhì)共分離情況時有發(fā)生,且不同色譜柱型號會導(dǎo)致保留時間改變,所以色譜定性時要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)品鑒定。風(fēng)味相關(guān)代謝物質(zhì)的定量方法有結(jié)合內(nèi)標(biāo)的相對定量和利用標(biāo)準(zhǔn)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線絕對定量(外標(biāo)法)[6]。相對定量是基于內(nèi)標(biāo)含量定量,性質(zhì)越相似,定量相對越準(zhǔn)確;利用標(biāo)準(zhǔn)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線絕對定量更加準(zhǔn)確[45]。
在利用質(zhì)譜分析時,GC-MS因具有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的質(zhì)譜條件,可基于標(biāo)準(zhǔn)品鑒定,也可基于NIST(2015)和Wiley Registry等質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫鑒定。LCMS沒有標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)譜條件,主要靠標(biāo)準(zhǔn)品及化合物的精確分子質(zhì)量定性,也可根據(jù)二級質(zhì)譜信息并解析斷鍵方式來對物質(zhì)初步定性。需要注意的是,在對代謝物質(zhì)進(jìn)行定性分析時,絕大多數(shù)是在沒有標(biāo)準(zhǔn)品的情況下進(jìn)行,可通過查找數(shù)據(jù)庫和前人文獻(xiàn),結(jié)合相似物種的代謝物定性結(jié)果來提高定性的準(zhǔn)確性。
不同的風(fēng)味代謝物質(zhì)都有感官閾值,即能讓人體感知到的最低濃度值。該感官閾值會隨著介質(zhì)的變化而變化[2]。所以,某一代謝物質(zhì)對風(fēng)味品質(zhì)的貢獻(xiàn)度主要由其感官閾值、含量及所共存的介質(zhì)等共同決定[46]。
如圖2所總結(jié),前人文獻(xiàn)[28,30,35]中對風(fēng)味相關(guān)物質(zhì)的鑒定流程,首先對代謝物進(jìn)行提取、檢測和鑒定,進(jìn)而分析含量差異代謝物;或經(jīng)主成分分析(PCA)和偏最小二乘法(PLS-DA)分析鑒定重要候選代謝物;然后對候選代謝物進(jìn)行分離純化,基于電子鼻、電子舌或利用感官評價人員對候選代謝物進(jìn)行評價;最后評估候選代謝物對果實(shí)風(fēng)味品質(zhì)的貢獻(xiàn)[28,30,35]。
SE:液相萃??;SPME:固相微萃??; HS-SPME:頂空-固相微萃取; GC-MS:氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀; HPLC:液相色譜儀; LC-MS:液相色譜質(zhì)譜分析儀; PCA:主成分分析; PLS-DA:偏最小二乘法分析; GC-O:氣相色譜-嗅聞聯(lián)用儀; UPLC:超高效液相色譜儀。SE:Solvent extraction; SPME:Solid-phase micro extraction; HS-SPME:Headspace solid-phase micro extraction;GC-MS:Gas chromatography-mass spectrometry; HPLC:High performance liquid chromatography;LC-MS:Liquid chromatography- mass spectrometry; PCA:Principal component analysis;PLS-DA:Partial least squares-discriminant analysis; GC-O:Gas chromatography-olfactometry; UPLC:Ultrahigh-performance liquid chromatography.
風(fēng)味評價與代謝組數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的方法研究較少,目前主要為相關(guān)性分析、偏相關(guān)分析、PLS-DA及PCA等。前人在對陳皮和廣陳皮揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測后,利用PLS-DA分析發(fā)現(xiàn)15種標(biāo)志代謝物可區(qū)分陳皮與廣陳皮[47]。但是,基于數(shù)據(jù)分析僅能得到潛在作用的候選物質(zhì),后續(xù)研究仍需要結(jié)合風(fēng)味重構(gòu)和感官評價等試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)。Liu等[28]首先利用莽山野柑與4種其他類型柑橘果實(shí)為材料檢測其揮發(fā)性物質(zhì)譜,分析在含量上有顯著差異的代謝物,確定候選代謝物;然后利用GC-O對候選代謝物的香氣特性進(jìn)一步篩選,結(jié)合香氣稀釋試驗(yàn)(AEDA)分析候選代謝物的閾值;最后對候選代謝物進(jìn)行香氣重構(gòu),確定莽山野柑的特征香氣物質(zhì)為順式-、反式-芳樟醇氧化物和β-月桂烯,而芳樟醇和d-檸檬烯提供其背景香氣。
如圖3所示,結(jié)合前人的相關(guān)文獻(xiàn)[30,36],我們總結(jié)出柑橘中特定風(fēng)味相關(guān)物質(zhì)的鑒定流程。
圖3 多平臺綜合分析確定柑橘中特定風(fēng)味相關(guān)物質(zhì)的技術(shù)流程
柑橘代謝組學(xué)方面已取得較大進(jìn)展,但風(fēng)味組學(xué)研究開展較少。代謝組學(xué)檢測到的物質(zhì)數(shù)量巨大,很難通過數(shù)據(jù)分析明確代謝物對柑橘風(fēng)味的作用。風(fēng)味組學(xué)的相關(guān)研究需要與消費(fèi)者的喜好進(jìn)行對接,明確消費(fèi)者偏好的風(fēng)味品質(zhì)所關(guān)聯(lián)的代謝物質(zhì),為不同人群提供符合其口味偏好且營養(yǎng)健康的產(chǎn)品,才是柑橘乃至整個園藝產(chǎn)業(yè)期望達(dá)到的目的。而這些對人體有益的風(fēng)味相關(guān)代謝物質(zhì)及其合成與調(diào)控機(jī)制的研究成果,可以直接應(yīng)用于合成生物學(xué)領(lǐng)域或栽培技術(shù)的更新及定向育種中,指導(dǎo)園藝產(chǎn)業(yè)的升級和健康發(fā)展。
我國柑橘產(chǎn)量居世界第一,成熟季節(jié)會有大量果實(shí)滯銷而造成果農(nóng)經(jīng)濟(jì)損失。與世界上其他柑橘主產(chǎn)國不同,榨汁、果汁和罐頭等專用品種的育種和栽培研究投入欠缺,反而是解決水果滯銷的有效出路之一。但是,如何改善果汁等制品的品質(zhì),同樣需要進(jìn)行風(fēng)味組學(xué)與感官評價分析。眾所周知,甜味(糖)增加了柑橘果實(shí)的適口性,但出于健康考慮,消費(fèi)者可能越來越希望減少糖含量而不影響果實(shí)甜味??梢越Y(jié)合風(fēng)味組學(xué)和感官評價對味覺系統(tǒng)不斷了解及探索植物天然甜味代謝物,通過直接瞄準(zhǔn)口中的味覺傳感器,在不增加糖含量的情況下提高甜度的新策略,旨在改善消費(fèi)者味覺體驗(yàn)。除此之外,對香味、苦味等的分析也有助于提升柑橘果品品質(zhì)。最終目的是增加柑橘果實(shí)中對人體有益物質(zhì)的含量,而不影響柑橘果實(shí)的口感。
柑橘果實(shí)中有數(shù)以萬計的代謝組分,利用風(fēng)味組學(xué)方法可分析得到哪些代謝物對風(fēng)味品質(zhì)有貢獻(xiàn)且其貢獻(xiàn)度如何,并將主要貢獻(xiàn)者定義為該品質(zhì)性狀的標(biāo)志性代謝物。整合所有風(fēng)味品質(zhì)標(biāo)志性代謝物后,可將其進(jìn)一步開發(fā)為代謝組指紋圖譜,用于預(yù)測新種質(zhì)或新產(chǎn)品的消費(fèi)者接受度,提升柑橘育種效率,還可應(yīng)用于新品種保護(hù)或鑒偽等。
致謝:感謝朱晨橋博士和馮迪博士研究生提供的金柑和枸櫞照片。