代謝組學(xué)在食品質(zhì)量安全領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

沈央紅，方金玉，朱軍莉*，王彥波

（浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018）

食品安全是關(guān)乎國計(jì)民生的重要內(nèi)容，是保障現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。當(dāng)前，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平顯著提升，促進(jìn)我國食品行業(yè)安全整體水平不斷上升，并對食品安全檢測和控制提出更高的要求。然而，由于食品污染物的來源路徑趨于多元化，既有來自食品原料、加工生產(chǎn)過程的污染物，又有來自食品貯存、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)的污染，使食品安全控制難度不斷提高，對影響食品安全潛在威脅因素的辨識難度同步提高，導(dǎo)致農(nóng)獸藥殘留和摻雜摻假等食品問題頻頻發(fā)生[1]。同時(shí)，我國近10 年由食源性致病微生物引起的食品安全事件比例高達(dá)60%以上，因此，針對食源性致病微生物監(jiān)測和控制研究亟待加強(qiáng)。

傳統(tǒng)的微生物檢驗(yàn)方法和化學(xué)儀器檢測等食品安全分析方法存在檢測時(shí)間較長、成本較高等諸多不足。為此，現(xiàn)代食品安全檢測和控制研究中引入了代謝組學(xué)技術(shù)。代謝組學(xué)是在基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)基礎(chǔ)上新發(fā)展起的系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)，以高通量、高靈敏度、高分辨率的現(xiàn)代儀器分析方法為手段，對細(xì)胞、體液和組織中所有代謝物進(jìn)行無偏向的定性與定量分析[2-3]。代謝組學(xué)的整體性路徑通常包括樣品制備、代謝物提取、代謝物分離、數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)處理，其中檢測以核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技術(shù)和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)最為常見，數(shù)據(jù)分析一般包括基線校正、濾噪、峰對齊、標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化等步驟[4]。相較于其他組學(xué)，代謝組學(xué)中代謝物的種類和數(shù)量變化更易于檢測，所運(yùn)用到的儀器技術(shù)手段也更為簡單，可實(shí)時(shí)監(jiān)測生物體生理環(huán)境變化[5-6]。近年來，代謝組技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的研究與應(yīng)用不斷拓展，涉及食源性致病微生物檢測、殘留物和產(chǎn)品品質(zhì)鑒別等多個(gè)方面，促進(jìn)了食品從農(nóng)場到餐桌“全鏈條”的質(zhì)量監(jiān)控水平，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[7-8]。因此，本文歸納近年來食品安全中代謝組學(xué)研究方法和應(yīng)用狀況，并重點(diǎn)闡述代謝組學(xué)在食源性致病微生物、獸藥殘留、轉(zhuǎn)基因食品、生鮮食品品質(zhì)和肉制品摻假鑒定中的應(yīng)用，旨在為進(jìn)一步推動(dòng)代謝組學(xué)及多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用在食品安全檢測和控制中的應(yīng)用提供理論支持。

1 靶向和非靶向代謝組學(xué)

根據(jù)研究目的，代謝組學(xué)可分為靶向和非靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)針對生物體所有內(nèi)源性代謝物，獲取大量的代謝組分物質(zhì)信息，進(jìn)而鑒別不同個(gè)體間的差異以發(fā)現(xiàn)差異代謝物[9]。Dai Weidong等[10]利用非靶向代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)氨基酸、兒茶素、二聚兒茶素和芳香前體是白茶、紅茶和綠茶間最顯著的差異代謝物。比較玉米飲料發(fā)酵前后的差異代謝物，結(jié)果顯示這些差異代謝物參與纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的生物合成，酪氨酸代謝，雙組分系統(tǒng)，嘌呤代謝以及檸檬酸循環(huán)5 條代謝通路[11]。非靶向代謝組學(xué)能獲得大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，但在原始數(shù)據(jù)采集以及處理方面存在問題，分析平臺對代謝物的識別精度仍有待提高。靶向代謝組學(xué)主要針對某一類代謝物進(jìn)行分析，相較于非靶向代謝組學(xué)更具有針對性，代謝物確證更簡單，重復(fù)性較高，要求研究者有較強(qiáng)的專業(yè)知識[9]。雷嗣超等[12]通過主成分分析（principal components analysis，PCA）和差異代謝組分聚類分析發(fā)現(xiàn)消化環(huán)境中消化酶的存在和pH值變化會(huì)降低板栗皮中兒茶素類物質(zhì)的含量，差異代謝物中沒食子兒茶素含量變化最為顯著。

如圖1所示，通常情況下代謝組學(xué)技術(shù)主要包括以下流程[13]：首先是樣品采集，樣品量要充足且有代表性，一般為5～10 個(gè)重復(fù)樣；第二，樣品預(yù)處理和制備，通常采用粉碎、冷凍干燥和稀釋等方法，但分離檢測技術(shù)的不同，樣品所采用的預(yù)處理技術(shù)也有差異，如運(yùn)用NMR檢測的液體樣品可用含氘代水的磷酸緩沖液提取[14]，而色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)中通常采用液-液萃取或頂空固相萃取技術(shù)；第三，樣品分析和數(shù)據(jù)采集，主要通過高精密度和高準(zhǔn)確性儀器進(jìn)行分析，以NMR技術(shù)和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)為主，近年來毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜技術(shù)以其獨(dú)有特性被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域[15]；第四，數(shù)據(jù)分析和可視化處理，由于數(shù)據(jù)復(fù)雜繁重，需要借助專業(yè)的代謝分析軟件和數(shù)據(jù)庫。

圖1 代謝組學(xué)技術(shù)主要流程[13,16]Fig.1 Flor chart of metabolomics technology[13,16]

2 代謝組學(xué)技術(shù)平臺

2.1 核磁共振技術(shù)

目前代謝組學(xué)中最常見的檢測方法是NMR，它不需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理，對樣品破壞性小。固體或半固體樣品經(jīng)破碎后采用緩沖液提取，即可采用NMR技術(shù)檢測，使樣品在最接近生理狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)時(shí)測定[17]。NMR對產(chǎn)品中的1H、13C、15N、23Na、39K和31P等核素進(jìn)行分析，以獲得各種NMR指紋圖譜，對氨基酸、有機(jī)酸等有機(jī)化合物單體進(jìn)行分析識別，在分子水平闡述食品的特質(zhì)，可對食物的化合物作系統(tǒng)分析，也可針對性地分析特定化合物[18]。研究發(fā)現(xiàn)，基于NMR識別懷山藥潛在特征代謝物，發(fā)現(xiàn)未加果皮的懷山藥中亮氨酸、谷氨酰胺和丙氨酸含量較高，含果皮懷山藥中α-葡萄糖、蝙蝠葛素IV、蝙蝠葛素I、天冬酰胺和β-葡萄糖等含量較高[19]。Shumilina等[20]對歸一化后的新鮮和解凍大西洋鮭1H NMR波譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，PCA及方差分析顯示解凍后魚肉貯藏第2天時(shí)才會(huì)形成天冬氨酸，天冬氨酸含量受解凍后貯藏時(shí)間的影響，推測天冬氨酸含量可視為鮭魚冷凍或解凍的標(biāo)志。另外，1H NMR在食品質(zhì)量鑒別和產(chǎn)地溯源等領(lǐng)域可發(fā)揮重要作用，采用該技術(shù)分析多種不同地區(qū)市售肉桂皮的化學(xué)物質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，香豆素是鑒定越南肉桂的關(guān)鍵成分，其含量更高[21]。然而，相較于質(zhì)譜技術(shù)，NMR技術(shù)在檢測濃度差異較大的物質(zhì)時(shí)靈敏度較低，物質(zhì)動(dòng)態(tài)檢測范圍也較小。

2.2 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)

色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)作為食品領(lǐng)域代謝組學(xué)主流檢測技術(shù)之一，同時(shí)兼有色譜和質(zhì)譜的特點(diǎn)，主要包括氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectroscopy，GC-MS）和LC-MS。色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)具有高靈敏度和高選擇性的特點(diǎn)，檢測后可得到質(zhì)譜保留時(shí)間、質(zhì)荷比和離子強(qiáng)度，但分析速度慢。而GC-MS需要對樣本進(jìn)行衍生化處理，操作不當(dāng)會(huì)影響檢測靈敏度[22]。Heena等[23]采用GC-MS對牛、羊酸乳進(jìn)行非靶向代謝物譜和通路富集分析，鑒定得到95 種代謝物，發(fā)現(xiàn)牛、羊酸乳冷藏第14天時(shí)二肽和三肽含量均有所上升，主要代謝物的差異變化與氨基酸代謝途徑有關(guān)。通常質(zhì)譜結(jié)合高通量分離技術(shù)可獲得大量數(shù)據(jù)，LC-MS通過分離作用使目標(biāo)物質(zhì)引入質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，將分析得到的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)簡單化，簡化后的譜圖可以觀察到樣品間的差異。LC-MS適用于高沸點(diǎn)、不易揮發(fā)、不易衍生化的化合物，分離度高，且能同時(shí)測定多種代謝物[24]。結(jié)合MALDI-TOF-MS指紋圖譜和高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry，HPLCMS/MS）檢測到河豚湯風(fēng)味及營養(yǎng)與19 種化合物有關(guān)，鑒定出(Z)-3-苯基-2-丙烯和2-苯基-4-戊二烯兩種香味標(biāo)記物[25]。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

作為代謝組學(xué)的重點(diǎn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法可將直接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為表示生物體代謝物信息的數(shù)據(jù)。常用的識別模式主要分為有監(jiān)督和無監(jiān)督兩種學(xué)習(xí)方法。無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法中應(yīng)用最廣泛的是PCA和CA。有監(jiān)督學(xué)習(xí)方法包括PLS-DA和OPLS-DA[26]。

PCA通過將可能相關(guān)變量轉(zhuǎn)化為線性不相關(guān)變量的降維方法獲得得分圖和載荷圖，體現(xiàn)樣本與變量之間的聯(lián)系，樣品點(diǎn)分布越近，說明樣品間差異性越小。通過降維PCA把多個(gè)組分轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)之間的相關(guān)性和差異性，挑選出影響食品性質(zhì)的主要特征成分。CA根據(jù)質(zhì)量性質(zhì)的相似程度對樣本進(jìn)行聚合，形成表征樣本間相似程度的樹狀圖[27]。PLS-DA和OPLS-DA是在明確樣品分類條件下對不同類別樣品進(jìn)行分離，分離效果比PCA好。相較于PCA只有一個(gè)數(shù)據(jù)集，PLS-DA增加數(shù)據(jù)集能更好地分析樣品代謝物間差異性，并改善觀察組之間的分離，但可能會(huì)導(dǎo)致模型過度擬合。OPLS-DA是在PLS-DA的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交變換矯正，濾除與分類信息無關(guān)噪音，增強(qiáng)模型的信息能力[28]。當(dāng)分類識別獲得后可使用變量投影重要性（variable importance for the projection，VIP）值進(jìn)行分析，通過VIP值選擇差異代謝物并與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，找出潛在生物標(biāo)記物。Liao Renyong等[29]評價(jià)變質(zhì)干腌火腿，PCA和CA結(jié)果表明寡肽和氨基酸衍生物是區(qū)分正?；鹜群妥冑|(zhì)火腿的關(guān)鍵代謝物，結(jié)合PLS-DA模型和代謝通路分析得到，嘌呤代謝、嘧啶代謝和蛋白質(zhì)降解是影響干腌火腿變質(zhì)的主要代謝途徑。

代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析需要借助各種代謝途徑和生物化學(xué)數(shù)據(jù)庫，常用的數(shù)據(jù)庫包括KEGG、HMDB和MMP[27]。相對于基因組學(xué)和蛋白組學(xué)已有完善的數(shù)據(jù)庫，代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)庫仍有待完備和發(fā)展。

3 代謝組學(xué)在食品質(zhì)量安全領(lǐng)域的應(yīng)用

代謝組學(xué)技術(shù)在食源性致病菌、獸藥殘留、轉(zhuǎn)基因食品、生鮮食品品質(zhì)和肉制品摻假等食品安全領(lǐng)域應(yīng)用廣泛（圖2）。

圖2 代謝組學(xué)在食品質(zhì)量安全領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.2 Application of metabolomics in food safety and quality

3.1 食源性致病菌檢測

食源性致病微生物引起的食品中毒事件仍屢見不鮮，常見的食源性致病菌有致瀉性大腸桿菌（Escherichia coli）、沙門氏菌（Salmonella）和金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等，某些致病菌能產(chǎn)生肉毒毒素、腸毒素等致命毒素[30]。代謝組學(xué)技術(shù)能較準(zhǔn)確獲得食源性致病微生物代謝產(chǎn)物數(shù)據(jù)和指紋圖譜，更加靈敏地檢測和識別致病菌，可用于開發(fā)快速鑒定的特定生物標(biāo)志物（表1）?；赨PLC-QTOF-MS的代謝組學(xué)技術(shù)能檢測攜帶耐藥基因ermB的空腸彎曲菌（Campylobacter jejuni），鑒定出糖、生物堿、脂肪酰胺、肽和苯甲酸等36 種代謝物[31]?；赨PLC-MS的代謝組學(xué)方法可診斷腹瀉患者中艱難梭菌（Clostridium difficile）的感染情況，所鑒定代謝物為脂肪酰胺、肉堿、氨基酸、鞘氨醇、初級膽汁酸、次級膽汁酸、酯、溶血磷脂酰膽堿和鞘磷脂[32]。UPLC具有高靈敏度和高效率的特點(diǎn)，能有效縮短分析時(shí)間，而與QTOF-MS聯(lián)用能夠快速和全面地篩選代謝物。

表1 代謝組學(xué)技術(shù)檢測病原菌中代謝物的應(yīng)用Table 1 Application of metabonomics technology for detecting metabolites of pathogenic bacteria

病原菌的污染種屬和數(shù)量與氨基酸、胺和多胺、脂肪酸、糖、糖醇及有機(jī)酸等代謝物有關(guān)[33-36]。利用直接注射電噴霧飛行時(shí)間質(zhì)譜（direct injection electron spray time-of-flight mass spectrometry，DI-ESI-TOF-MS）檢測空腸彎曲桿菌的代謝，代謝物指紋圖譜顯示彎曲桿菌突變株中關(guān)鍵氨基酸的降解酶基因存在缺失，很容易從同基因型的親代菌體中被區(qū)分出[36]。采用MALDI-TOF-MS指紋圖譜檢測意大利乳制品中的金黃色葡萄球菌[37]，該技術(shù)可快速、準(zhǔn)確和經(jīng)濟(jì)地檢測細(xì)菌代謝物。NMR技術(shù)不破壞樣品，且樣品制備簡便，使NMR相較其他技術(shù)應(yīng)用更具優(yōu)勢。利用NMR檢測發(fā)現(xiàn)賴氨酸、精氨酸、α-酮戊二酸、腺苷、富馬酸等代謝物是區(qū)分非致病性大腸桿菌ATCC 25922與致病菌株O26:H11的主要物質(zhì)，其中致病性大腸埃希菌在能量代謝和氨基酸代謝（如賴氨酸和谷氨酸）更顯著，且表現(xiàn)出更高的耐酸性[38]。

與UPLC-MS相比，GC-MS代謝組學(xué)在區(qū)分選定細(xì)菌的代謝物圖譜方面更有效[33]。GC-MS可區(qū)分5 株不同血清型的沙門氏菌，各血清型產(chǎn)生代謝物質(zhì)主要是氨基酸、有機(jī)酸和胺類[39]。GC-MS可檢測到大腸桿菌和沙門氏菌的代謝產(chǎn)物有葡萄糖、生物堿、L-組氨酸、甘氨酸和L-酪氨酸，以及1-辛醇、1-丙醇、1-丁醇、2-乙基-1-己醇和2,5-二甲基吡嗪等揮發(fā)物[44]。由于能快速檢測代謝物，GC-MS能檢測微生物在動(dòng)植食品基質(zhì)中的代謝變化，在追溯、追蹤食源性微生物及其毒素的污染方面具有優(yōu)勢。

3.2 獸藥殘留檢測

動(dòng)物源性食品中瘦肉精和類固醇等獸藥屢禁不止，一旦殘留劑量超標(biāo)就對人體造成危害。瘦肉精又叫鹽酸克倫特羅，屬于β-受體激動(dòng)劑，經(jīng)過食物鏈的累積最終會(huì)導(dǎo)致人體食物中毒。基于液相色譜-高分辨率質(zhì)譜（liquid chromatography-high resolution mass spectrometry，LC-HRMS）分析牛肝臟整體代謝水平，篩選出兩個(gè)間接標(biāo)志物煙酸和5’-脫氧-5’-甲硫腺苷，通過這兩個(gè)標(biāo)志物及其代謝途徑中煙酰胺和甲硫氨酸代謝豐度比率構(gòu)建模型，可鑒定牛肉是否含克倫特羅[45]。為優(yōu)化克倫特羅檢測技術(shù)，以0.1 mol/L高氯酸溶液作為提取溶劑，正己烷脫脂，選擇Eclipse C18色譜柱，乙腈與體積分?jǐn)?shù)0.1%甲酸溶液作為流動(dòng)相，優(yōu)化固相萃取條件，檢出限達(dá)到0.02 μg/L[46]。基于UPLC-QTOF-MS發(fā)現(xiàn)2-吲哚羧酸和醋酸氟甲酮可作為監(jiān)測瘦肉精、萊克多巴胺、沙丁胺醇3 種β-受體激動(dòng)劑的生物標(biāo)志物[47]。目前大多數(shù)研究都是以瘦肉精作為β-受體激動(dòng)劑的模型，萊克多巴胺等仍有待于研究。

由于LC-MS的靶向代謝組學(xué)覆蓋有限，對未知化合物仍無法檢測，近年來不少學(xué)者探索非靶向篩選方法分析已知或未知的化合物。通過NMR非靶向代謝組學(xué)區(qū)分沙丁胺醇對公牛給藥前后代謝特征變化，馬尿酸鹽、乙酸鹽、甘氨酸、甲酸鹽、正苯乙酰基、苯甲酸鹽和苯乙酸鹽可作為牛中沙丁胺醇檢測的潛在生物標(biāo)志物[48]。Liang Wenying等[49]建立了一個(gè)包含3 710 種獸藥及其代謝產(chǎn)物的內(nèi)部質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，歸納質(zhì)譜中母體藥物及其代謝物的裂解特征，并將該方法應(yīng)用于雞蛋樣品中4 種獸藥及3 種代謝物的篩選。非靶向篩選方法可根據(jù)碎片化特征找到動(dòng)物源性食品中存在的不同形式已知或未知的獸藥殘留，在原有非靶向代謝組學(xué)基礎(chǔ)上，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與XGBoost進(jìn)行嵌套交叉驗(yàn)證對比，開發(fā)出生物信息學(xué)工具SteroidXtract，提供了一種新的生物學(xué)驅(qū)動(dòng)識別類固醇的方法[50]。

3.3 轉(zhuǎn)基因食品甄別

轉(zhuǎn)基因技術(shù)在世界許多國家已經(jīng)成為提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)的有力工具，我國規(guī)定必須對轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行標(biāo)識[51]。食品中轉(zhuǎn)基因成分主要是使用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)檢測，不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)代謝組學(xué)技術(shù)也可以有效區(qū)分轉(zhuǎn)基因食品與傳統(tǒng)食品[52]。Zhang Liyuan等[53]采用非靶向代謝組學(xué)分析非轉(zhuǎn)基因和蘇云金芽孢桿菌（Bacillus thuringiensis，Bt）轉(zhuǎn)基因玉米的代謝途徑，發(fā)現(xiàn)Bt轉(zhuǎn)基因玉米有氨基酸、糖、脂肪酸、植物甾醇等28 種特定的代謝物，代謝物和特異性代謝物種類均多于非轉(zhuǎn)基因玉米，且Bt轉(zhuǎn)基因玉米中富集到更多的代謝途徑。柑橘潰瘍是由Xac細(xì)菌引起的疾病，通過評估Xac細(xì)菌感染后不同階段的柑橘代謝特征，發(fā)現(xiàn)非轉(zhuǎn)基因柑橘在感染Xac細(xì)菌早期次級代謝產(chǎn)物（如色氨酸、酪氨酸和腐胺）會(huì)發(fā)生改變，而轉(zhuǎn)基因柑橘由于肉毒桿菌毒素保護(hù)在感染后期才發(fā)生代謝變化，其氧化應(yīng)激反應(yīng)更加溫和[54]。

轉(zhuǎn)基因作物在基因轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生超過當(dāng)前認(rèn)知水平的不可預(yù)料改變被稱為非預(yù)期效應(yīng)，非預(yù)期效應(yīng)是否發(fā)生和發(fā)生條件一直是公眾關(guān)心的問題[55]。Liu Weixiao等[56]對2A-7、CC-2和2A-7×CC-2疊合轉(zhuǎn)基因玉米及其相應(yīng)的非轉(zhuǎn)基因玉米進(jìn)行代謝通路富集分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)玉米差異表達(dá)蛋白和差異代謝物參與次級代謝產(chǎn)物的生物合成，轉(zhuǎn)基因和基因疊加不會(huì)對玉米品種中蛋白質(zhì)和代謝物分布造成明顯的非預(yù)期效應(yīng)?，F(xiàn)在大量轉(zhuǎn)基因作物涌入市場，代謝組學(xué)能提供作物基因轉(zhuǎn)化后相關(guān)代謝物的信息，有利于提高新轉(zhuǎn)基因作物在食品安全評估的科學(xué)性。

3.4 生鮮食品品質(zhì)鑒別

代謝組學(xué)技術(shù)在生鮮肉制品和水產(chǎn)品的品質(zhì)及貯運(yùn)劣變評估中的應(yīng)用逐漸受到重視，有助于深層次揭示產(chǎn)品在貯運(yùn)期間因酶和微生物分解、蛋白質(zhì)氧化、脂質(zhì)水解等代謝變化而導(dǎo)致的品質(zhì)劣變和腐敗。代謝組學(xué)技術(shù)可監(jiān)測肉類在不同貯存和加工條件下代謝物的動(dòng)態(tài)變化，預(yù)測產(chǎn)品的新鮮度。Mansur等[57]采用頂空固相微萃取（headspace solid-phase microextraction，HS-SPME）-GC-MS分析冷藏牛肉中的揮發(fā)性化合物變化，發(fā)現(xiàn)乙酸、乙醇、2-甲基丁-1-醇、2,3-丁二醇、2-丁酮、雙乙酰、2-庚酮和乙偶姻的含量與牛肉品質(zhì)顯著相關(guān)。代謝組學(xué)結(jié)合生物信息學(xué)分析能夠監(jiān)測冷藏牛肉質(zhì)量變化，發(fā)現(xiàn)谷氨酸、絲氨酸和精氨酸可作為牛肉感官風(fēng)味變化的指示物[58]，還能夠揭示在冷藏牛肉中接種兩種致腐菌形成差異的代謝產(chǎn)物，且組氨酸代謝是關(guān)鍵代謝通路[59]。Wen Dongling等[60]使用LC-MS技術(shù)分析冷藏雞肉的代謝物，結(jié)果顯示雞肉貯藏過程中包括氨基酸、胺、核苷酸、碳水化合物、有機(jī)酸等多種代謝物顯著變化。

大西洋鮭魚和金槍魚是消費(fèi)量較大的水產(chǎn)品，Jaaskelainen等[61]通過1H NMR譜分析發(fā)現(xiàn)，在3 ℃真空冷藏12 d后的大西洋鮭魚比金槍魚片品質(zhì)下降更快，與其前體物質(zhì)氧化三甲胺和葡萄糖有關(guān)。Sun Shengming等[62]比較日本沼蝦缺氧6、24 h及缺氧24 h后復(fù)氧6 h的代謝變化，發(fā)現(xiàn)缺氧比正常氧條件下沼蝦糖酵解相關(guān)酶活性更高，復(fù)氧導(dǎo)致氨基酸如纈氨酸、亮氨酸含量顯著減少?；钗r夷扇貝濕藏36 h后，篩選到二十二烷酸、酪胺、脯氨酰谷氨酸、二磷酸腺苷葡萄糖、尿苷5’-二磷酸、3-磷酸絲氨酸和檸檬酸7 種顯著差異代謝物，三羧酸循環(huán)是最易受到影響的代謝途徑[63]。

3.5 肉制品摻假鑒別

肉類是全世界消費(fèi)量最大的食物之一，其需求量急劇增長給肉類行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。肉類的真實(shí)屬性包括動(dòng)物物種和品種、產(chǎn)地、品質(zhì)、摻假等，肉品原產(chǎn)地和品種是影響肉類品質(zhì)和價(jià)格的重要因素。利用溯源技術(shù)可以檢測市面上產(chǎn)品的原產(chǎn)地，從而獲得從生產(chǎn)到銷售一系列溯源體系的信息。然而，溯源檢測受肉類品種、氣候、濕度等多因素共同影響，評價(jià)指標(biāo)波動(dòng)較大。代謝組學(xué)技術(shù)融合多種技術(shù)，有效提高了產(chǎn)品溯源的正確判別率。Ueda等使用GC-MS法發(fā)現(xiàn)通過肌肉組織中的代謝物數(shù)量可以區(qū)分日本黑牛和荷斯坦牛，其中癸酸、尿酸是評估日本黑牛大理石花紋等級的潛在生物標(biāo)志物[64]。

由于肉類價(jià)格差異較大，用低質(zhì)量肉品替代優(yōu)質(zhì)肉品，或者是低價(jià)肉摻雜低價(jià)肉的現(xiàn)象越來越多，損害了消費(fèi)者權(quán)益。根據(jù)不同肉品中代謝物之間的差異性，可以實(shí)現(xiàn)牛肉、豬肉、羊肉以及雞肉間的有效鑒定（表2）。HS-SPME/GC-MS可以鑒別摻假牛肉，Pavlidis等[65]提出一種基于揮發(fā)性指紋圖譜的肉糜鑒別方法，發(fā)現(xiàn)醛（乙醛、庚醛等）、醇（丁醇、1-戊烯-3-醇等）、酮（3-羥基-2-丁酮、2-丁酮等）和酯（乙酸乙酯）等化合物是用來區(qū)別牛肉和合成牛肉的揮發(fā)性生物標(biāo)志物。采用氣相色譜離子遷移譜檢測發(fā)現(xiàn)，羊肉中摻入大于5%（以體系質(zhì)量計(jì)，下同）的豬肉后，主要風(fēng)味物質(zhì)如芝麻酚、2-乙基-1-己醇、2-戊酮含量會(huì)減少，正己醇、2,3-丁二酮、羥基丙酮等含量增加；羊肉中摻入大于10%的雞肉時(shí)，3-甲硫基丙醛、正己醇、反-2-辛烯醛、3-辛酮等物質(zhì)含量減少，而丙醛含量增加[66]?；?H NMR可區(qū)分白肉（雞肉）和紅肉（牛肉、驢肉和山羊肉）[67]，肌酸、亮氨酸和膽堿等含量變化可區(qū)別白肉和紅肉，而肌苷、肌酸和醋酸鹽等含量變化可區(qū)分牛肉、驢肉和山羊肉。Consolo等[68]比較安格斯×尼羅爾雜交牛黑切肉和普通肉類，顯示黑切肉經(jīng)過14 d成熟后pH值和嫩度均提高，pH值與肉堿含量呈正相關(guān)，與葡萄糖-6-磷酸鹽含量呈負(fù)相關(guān)，而普通肉類pH值與精氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、纈氨酸含量呈正相關(guān)。相較于生物傳感器和蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)，代謝組學(xué)技術(shù)可以針對非特定目標(biāo)物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然而仍存在特異性較差、時(shí)間成本高、操作復(fù)雜等問題。

表2 代謝組學(xué)在肉制品摻假中的應(yīng)用Table 2 Application of metabolomics in the detection of the adulteration of meat products

4 結(jié) 語

隨著組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，代謝組學(xué)在食源性致病微生物檢測、獸藥殘留檢測、轉(zhuǎn)基因食品甄別、生鮮食品品質(zhì)和肉制品摻假鑒別等食品質(zhì)量安全多領(lǐng)域研究中取得了積極進(jìn)展，并顯示了良好的應(yīng)用前景。該技術(shù)不僅提升食品品質(zhì)和安全，而且有助于揭示食源性致病菌作用機(jī)制、轉(zhuǎn)基因食品的安全性及肉類品質(zhì)的控制技術(shù)研發(fā)。然而，現(xiàn)階段代謝組學(xué)面臨樣品分析結(jié)果不穩(wěn)定、檢測儀器范圍有限、數(shù)據(jù)庫不完善等諸多挑戰(zhàn)，如何優(yōu)化樣品前處理、選擇高通量的檢測技術(shù)、建立更標(biāo)準(zhǔn)和完善的數(shù)據(jù)庫，都需要進(jìn)一步研究。因此，代謝組學(xué)在食品致病微生物鑒定、摻假鑒別和品質(zhì)監(jiān)控等方面仍未發(fā)揮出最大潛力。目前，多組學(xué)技術(shù)聯(lián)合是一大趨勢，將代謝組學(xué)結(jié)合基因組學(xué)、蛋白組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)，構(gòu)建出完整的生物信息庫，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和擴(kuò)大代謝物范圍，從表型-通路等多角度解析危害因子和營養(yǎng)物質(zhì)劣變的作用機(jī)制，為食品質(zhì)量安全評價(jià)和控制提供科學(xué)的技術(shù)手段。