Food Chemistry | 将代谢组学应用于植物性食品的原产地溯源、栽培品种鉴定和加工：可行性和未来展望

https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.139227

研究背景

这篇综述强调了随着消费者和利益相关者对食品安全和营养价值的关注增加，研究食品起源追溯、品种鉴定和加工方法的重要性。高额利润的诱惑导致产地误标和低质量产品替代，尤其对保护地理标志（protected geographical indications，PGI）品牌的影响尤为严重。为减少这些问题，建立有效的追溯系统至关重要。但是，由于植物性食品的种植品种和产地差异导致其有效成分的种类和含量不同，影响了食品的质量并为育种和品种鉴定带来挑战。因此，对产地追溯、品种鉴定和加工方法的深入研究对提高植物性食品质量至关重要。代谢组学作为一种研究食品中代谢物的有效工具，可以帮助揭示不同环境条件下的生物系统，识别不同生理状态下的代谢物波动，有助于食品代谢物的分析、地理来源、加工技术、品种差异等的深入理解。

综述总结了从样品采集到代谢物分析的关键代谢组学程序，并探讨了代谢组学在追溯植物性食品的来源、鉴定品种及分析加工方法中的应用，同时回顾了主要技术和方法的前景，旨在提供对植物性食品代谢组学应用的全面理解。

研究内容

part. 01

代谢组学分析

主要有2 种代谢组学方法：针对性和无针对性。靶向的代谢组学强调方法学AC策略，而未靶向的代谢组学则优先考虑可重复性，并旨在量化生物学系统中完整的代谢物光谱。伪靶代谢组学的一种混合方法结合了两者的优势，增强了形成宽度和定量精度。代谢组学研究主要利用核磁共振光谱（nuclear magnetic resonance，NMR）和质谱法（mass spectrometry，MS）进行分析。

1.1

样品收集和准备

代谢组学研究中，样品采集和准备非常重要，尤其是植物性样品。采集时需考虑物种、采集地点和时间，避免代谢物降解。样品准备通常包括冷冻干燥或液氮处理，以防代谢活动。代谢物提取的方式对分析结果至关重要，常用的溶剂包括甲醇、乙醇和氯仿，选择适当的溶剂能更好地提取代谢物。固相微萃取技术（headspace solid-phase microextraction，HS-SPME）广泛用于挥发性代谢物分析，而其他提取方法如超声雾化和化学衍生化有助于提高灵敏度和效率。

1.2

代谢物分离和检测

代谢物的分离是代谢组学分析中的关键步骤，涉及高灵敏度、高通量的分析方法。液相色谱（liquid chromatography，LC）和气相色谱（gas chromatography，GC）常与MS、NMR等技术结合，广泛应用于植物代谢组学研究。MS具有高灵敏度，能够同时定量和定性分析多种化合物，LC-MS和GC-MS根据化合物的挥发性有所不同。LC-MS适用于低温下的非挥发性化合物，而GC-MS则在挥发性物质检测中表现突出，且具有丰富的标准光谱库。NMR则无损、无广泛预处理，但灵敏度较低，且仪器体积大且昂贵。

随着代谢组学的不断发展，单一技术难以提供全面的代谢物信息，因而整合多种分析方法成为趋势。例如NMR、UPLC-MS、GC-MS等技术的结合广泛应用于植物性食品的安全性与加工研究。此外，不同技术（如DNA指纹、质谱成像等）的数据融合，增强了模型的分类与预测精度，特别是在食品质量评估方面。

1.3

统计数据分析和代谢物鉴定

代谢组学数据处理与分析包括多个步骤。首先，通过NMR和MS技术获取代谢物信号后，需要进行噪声过滤、峰值检测、对齐和归一化处理。然后，采用单变量分析（如ANOVA、火山图）和多变量分析（如PCA、OPLS-DA、PLS-DA）识别区分植物性食品特征的生物标志物。生物标志物的识别结合了统计方法与化学计量学分析，利用监督式与无监督式方法建立分类模型。数据质量控制（quality control，QC）和质量保证（quality assurance，QA）至关重要，以确保结果可靠。尽管已有大型的MS/MS光谱数据库（如Metlin、HMDB、MassBank等），代谢物鉴定仍然面临假阳性错误的挑战。随着Web数据库和新算法（如mz-Cloud、MetDNA、MS-DIAL）的发展，代谢物鉴定逐渐变得更加精准。此外，由于代谢物通常涉及多个代谢途径，工具如Metaboanalyst、KEGG、BioCyc和Reactome等，有助于解读代谢物的生物学意义及其相关代谢通路。

part. 02

基于代谢组的品种鉴定植物性食物的方法

植物性食品的基因型差异对其生长、营养价值和加工特性有着重要影响。代谢组学作为研究不同品种间差异的重要工具，通过靶向和无靶向方法，能够分析植物性食品的化学成分、风味特征和营养成分。研究表明，品种差异不仅体现在活性成分的含量，还能影响食品的风味和加工特性。随着“DNA条形码”等技术的发展，代谢组学将在品种鉴定和育种研究中发挥更大作用，未来的研究需要整合基因组学和代谢组学，以深入了解基因如何影响植物的代谢过程，推动本地适应品种的保护与推广。

part. 03

基于代谢组的方法处理植物性食物的方法

加工会引起食品的物理化学变化，这些变化在正负两方面都会影响最终产品的营养质量。食品成分的化学复杂性意味着，在加工过程中出现的变化往往比单一或多个代表性化合物的研究中观察到的变化更加复杂。代谢组学技术已被应用于研究植物性食品加工或特定处理后的代谢物变化，包括烘烤、冷藏处理、发酵处理、灭菌和厌氧过程等。表3列出了在加工研究中应用代谢组学方法的植物性食品。植物性食品的加工是动态的，相比于通过物理分离分析单一化合物的技术，NMR作为一种理想的动态监测和非破坏性检测方法，表现突出。利用1H标记的NMR代谢组学可以用来观察哈密瓜汁发酵过程中的动态变化。与新鲜哈密瓜汁相比，发酵哈密瓜汁中识别出多种具有已知抗菌活性的生物活性代谢物，如乳酸、γ-氨基丁酸、α-氨基丁酸、乙酰基、乙酰乙酸、苯丙烯酸、β-丙氨酸、葡萄糖酸和胆碱。类似的代谢变化也在其他研究中得到观察。

展望

过去10 年中，代谢组学在评估植物性食品方面发挥了重要作用。然而，气候条件、当地习俗和口味偏好等因素使得代谢组学研究变得复杂。因此，如何平衡这些因素以增强研究目标的有效性，仍然是一个至关重要的挑战。因此，研究人员越来越倾向于研究地理条件、气候、品种和加工方法的集体影响，而不是单一变量的隔离研究。这种方法帮助我们更全面地理解影响化学物质变化的主要因素。然而，由于食品矩阵的复杂性，食品分析师面临着许多障碍。为应对这些挑战，先进的分析方法和技术，如DNA指纹分析、元素与同位素分析以及传感器技术的应用至关重要。此外，整合基因组学、转录组学、蛋白质组学和其他OMICS研究，代表了代谢组学的前瞻性发展趋势。这种整合有望揭示植物性食品中标记化合物产生的功能基因和机制。扩展研究涵盖植物的生长与发育、蛋白质表达，甚至遗传修饰，将对特定植物性食品的质量研究和栽培技术产生实质性的影响，并阐明从基因到植物表现型的复杂相互作用。

图文赏析

表1 近期代谢组学方法应用于来源追溯研究的食品汇总

表2 代谢组学方法在植物性食品品种鉴定中的应用

表3 植物性食品加工过程中代谢组学方法的总结

图1 代谢组学工作流程

图2 辣椒发酵过程中真菌（A）和细菌（B）的分布，dominant细菌（C）和真菌（D）与关键气味物质的Spearman相关性热图

图3 茶叶（A）和番茄（B）的完整分子网络

作者介绍

毛雪金，博士，南昌大学食品科学与资源挖掘全国重点实验室，副研究员，硕士生导师。研究方向为食品质量与安全检测、食品代谢组学、食品加工与安全，色谱质谱分析。主持国家重点研发计划重点项目子课题和国家自然科学基金2 项，江西省自然科学基金项目3 项；横向项目3 项；在国内外专业期刊上发表论文60余篇，以第一作者或通信作者发表农林科学领域SCI一区TOP期刊论文10余篇（其中1 篇入选Top期刊《Journal of Agricultural and Food Chemistry》当期封面文章，1 篇《Food Chemistry》论文入选高被引论文）。

王远兴，博士，南昌大学教授，博士生导师，南昌大学食品科学与技术国家重点实验室固定成员，食品科学与技术国家重点实验室公共研究平台负责人，国家自然科学基金同行评议专家。从事食品化学、天然产物化学、食品质量与安全、色谱质谱分析等领域的教学和研究工作。在国内外学术期刊发表学术论文100余篇，主持和参与国家和省级科研课题30余项。

梁露，南昌大学和英国剑桥大学联合培养博士。现为耶鲁大学医学院博士后。目前主要研究胰岛代谢信号，结合生物化学、电生理学和定量成像技术解析其机制。通过肥胖 / 糖尿病小鼠模型，结合 3D 光片成像、双光子显微成像、光遗传学，实时解析活细胞内的代谢动态，以研究胰岛功能如何适应环境应激。在以第一作者或共同作者在《 The EMBO Journal 》《 Food Chemistry 》《 Food Research International 》《 Journal of Biological Chemistry 》等 SCI 期刊发表论文 15 余篇，参与国家和省级科研课题 4 项。

为深入探讨未来食品在大食物观框架下的创新发展机遇与挑战，促进产学研用各界的交流合作，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，西华大学食品与生物工程学院、四川旅游学院烹饪与食品科学工程学院、西南民族大学药学与食品学院、四川轻化工大学生物工程学院、成都大学食品与生物工程学院、成都医学院检验医学院、四川省农业科学院农产品加工研究所、中国农业科学院都市农业研究所、四川大学农产品加工研究院、西昌学院农业科学学院、宿州学院生物与食品工程学院、大连民族大学生命科学学院、北京联合大学保健食品功能检测中心共同主办的“第二届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2025年5月24-25日在中国 四川 成都召开。

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为进一步深入探讨食品产业在当前复杂多变环境下的高质量发展路径，并着重关注食品科学、营养安全保障的基础研究与关键技术研发，贯彻落实“大食物观”和“健康中国2030”国家战略，北京食品科学研究院和中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志，将与国际谷物科技协会（ICC）、湖南省食品科学技术学会、湖南省农业科学院农产品加工研究所、湖南农业大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湘潭大学、湖南中医药大学、湖南农业大学长沙现代食品创新研究院共同举办“第十二届食品科学国际年会”。本届年会将于2025年8月9-10日在中国 湖南 长沙召开。

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