加速贮藏小米对粥挥发性物质的影响：基于脂质组学与代谢组学的整合多组学研究

《Food Chemistry: X》：Effects of accelerated foxtail millet storage on porridge volatiles: An integrated multi-omics study

　　

加速贮藏及随后的煮制改变了小米的氧化状态、美拉德反应（Maillard reaction）相关化学特征及挥发性物质谱。脂质组学（lipidomics）和代谢组学（metabolomics）分析揭示了脂质、糖类、氨基酸及有机酸的变化。3-甲基丁醛（3-methylbutanal）和苯乙酮（acetophenone）的变化可能与脂质相关改变有关。贮藏相关的氧化变化可能对最终粥中的挥发性物质变异有所贡献。

小米是重要的谷物作物，因其较强的逆境耐受性、营养价值和适应干旱半干旱地区的能力而受到重视；随着消费者偏好从单纯产量转向食用和香气品质，其品质评价日益重要。在实际消费中，小米最常以粥的形式食用，粥的香气、质地和整体感官接受度是决定消费者偏好的主要因素。相较于生谷物产品，粥能更直接地反映原料小米在加水加热后的化学状态，因为贮藏引起的脂质、蛋白质、糖类和小分子代谢物变化在煮制过程中会迅速转化为可感知的风味。因此，小米粥品质既取决于煮制过程，也取决于贮藏期间积累的化学变化。
目前，关于小米粥的研究多集中于品种差异和挥发性组成，而贮藏小米或相关谷物的研究则主要关注理化劣变、脂质酸败或若干风味指标。贮藏氧化如何转化为粥的风味，以及脂质重塑、代谢物再分配、蛋白质氧化与美拉德反应之间的关系尚缺乏系统分析。研究人员依据阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation），在Q₁₀=1.5条件下，50°C、60%相对湿度贮藏8周约相当于25°C下22周，因此采用加速贮藏方式缩短贮藏时间，以系统研究贮藏对小米粥挥发性风味的影响机制。
研究人员以来自山西省忻州市的新鲜小米品种金苗K1（Jinmiao K1）为对象，将其分装于PE袋中，在50°C、60%相对湿度的恒温恒湿箱中避光加速贮藏0、2、4、6、8周。每时间点设置3个独立生物学重复，部分样品直接磨粉作为生样（X0-8），部分样品按1:30加水煮制成粥并冻干作为熟样（ZX0-8）。研究人员系统测定了脂质氧化指标丙二醛（malondialdehyde, MDA）和过氧化值（peroxide value, POV），蛋白质氧化指标羰基含量、游离氨基、总巯基和表面疏水性，蛋白质氧化产物N′-甲酰犬尿氨酸、二酪氨酸和犬尿氨酸，美拉德反应指标可溶性荧光晚期糖基化终产物（advanced glycation end products, AGEs）、还原糖和5-羟甲基糠醛（5-HMF）；同时采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）分析挥发性物质，采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-Q-TOF-MS）进行脂质组学（lipidomics，对脂质进行大规模定性定量分析）和代谢组学（metabolomics，对小分子代谢物进行整体分析）检测，并结合正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）、火山图、Mfuzz聚类和相关网络等多元统计方法解析数据。
研究结果显示：
3.1 脂质氧化：MDA和POV测定表明，加速贮藏期间生样和粥样中MDA均持续增加，且粥样MDA始终高于对应生样；POV在生样中随贮藏增加，新鲜小米煮制后POV升高，而其余贮藏时期煮制后POV降低，提示煮制过程中过氧化物的形成与热分解同时发生。这说明加速贮藏促进不饱和脂肪酸的氧化，煮制则进一步加剧氧化。
3.2 蛋白质氧化：羰基含量在生样和粥样中均随贮藏增加且煮后更高；游离氨基在生样中随贮藏下降，但在粥样中上升；总巯基在生样中下降而在粥样中上升；表面疏水性在贮藏和煮制后均下降。这些结果表明加速贮藏和热处理增强了蛋白质氧化，而煮制可能通过诱导蛋白质水解或二硫键断裂部分补偿了氨基和巯基的消耗。
3.3 氨基酸氧化：荧光法检测显示N′-甲酰犬尿氨酸、二酪氨酸和犬尿氨酸在加速贮藏期间均增加，且煮制组高于生样组，表明酪氨酸氧化交联和色氨酸氧化降解在贮藏和煮制过程中均被加强。
3.4 美拉德反应过程：可溶性荧光AGEs在生样和粥样中均随贮藏和煮制增加；还原糖在两类样品中均随贮藏下降，煮制后较生样更低；5-HMF在生样中随贮藏大幅下降，粥样中也呈下降趋势且低于生样。这表明美拉德反应持续消耗还原糖，5-HMF作为美拉德反应和糖脱水的中间产物，其净含量受蛋白质竞争和晚期反应消耗的调节。
3.5 风味挥发性化合物分析：HS-SPME-GC-MS结合OPLS-DA和气味活性值（OAV）筛选出20种对风味有重要贡献的挥发物。壬醛、2-戊基呋喃、1-辛烯-3-醇、2-庚酮、戊醛等主要与脂质氧化相关，苯甲醛、麦芽酚、苯乙酮和3-甲基丁醛等与美拉德或斯特雷克反应相关。维恩分析显示10种贮藏特异、9种煮制特异和10种共有挥发物，煮制特异醛类和苯甲醇反映了热脂质氧化和美拉德/斯特雷克反应的加剧。
3.6 脂质分析：脂质组学共鉴定181种脂质，主要类别为甘油酯（52.5%）和甘油磷脂（18.8%）。火山图显示差异脂质随贮藏时间增加，生样中多为下调，粥样中上调比例随贮藏时间增加。Mfuzz聚类显示动态变化。其中19种脂质对贮藏和煮制均显著响应，15种仅对贮藏特异，8种仅对煮制特异。氧化脂肪酸（如FA 18:1;O3、FA 18:2;O2）增加，膜脂（如PA 36:4）减少；煮制后游离脂肪酸低于生样，而氧化脂肪酸衍生物增加，表明煮制促进了热氧化和脂质降解。
3.7 代谢物分析：代谢组学共鉴定108种代谢物，脂肪酸占55.6%，碳水化合物占15.7%，氨基酸及肽占13.0%。共有16种代谢物同时响应贮藏和煮制，主要为美拉德相关的糖衍生物和氧化脂肪酸，表明生样和粥样中脂质氧化与美拉德反应平行发生。贮藏特异代谢物多为二元羧酸（如壬二酸、癸二酸），反映慢速自氧化和水解降解；煮制特异代谢物主要为溶血磷脂、半乳糖脂和部分甘油酯，以及蜜三糖和乳酸等，反映煮制诱导的膜脂重塑和碳水化合物转化。
3.8 相关性分析：Pearson相关热图显示氧化指标之间及氧化指标与AGEs之间呈正相关，还原糖与AGEs和氧化产物呈负相关，且生样与熟样的相关结构存在差异。Spearman相关网络（|r|>0.6，FDR<0.05）显示，3-甲基丁醛和苯乙酮与多种氧化脂肪酸（如FA 18:2;O2）呈正相关，葡萄糖酸与多种挥发物正相关，半乳糖-1-磷酸与壬醛、癸醛正相关。这些关联提示脂质氧化和美拉德反应相关化学变化可能在贮藏和煮制中协同影响风味物质形成。
讨论部分，研究人员基于以上结果构建了概念图，总结脂质氧化、蛋白质氧化和美拉德反应之间的潜在相互作用：实线箭头表示观测到的变量变化，虚线箭头表示未直接证实的假设关系，不建立前体-产物转化或因果关系。脂质氧化与POV和MDA增加相关，可能贡献了壬醛和2-戊基呋喃等挥发物；蛋白质氧化伴随羰基形成、巯基损失和游离氨基酸释放，可能为与还原糖的反应提供底物，并促进AGEs积累及3-甲基丁醛和苯乙酮等挥发物的生成。脂质和蛋白质氧化可能通过活性氧相关过程共同驱动风味形成。
结论部分，研究人员总结道：加速贮藏（50°C，60%相对湿度）导致小米脂质和蛋白质氧化相关指标逐步变化，并改变美拉德相关前体。将贮藏后的小米煮制成粥后，氧化脂肪酸、磷脂、糖类、氨基酸和有机酸进一步变化，说明煮制改变了贮藏期间建立的化学轮廓。这些变化伴随挥发性化合物的变异，包括2-戊基呋喃、壬醛、癸醛、苯乙酮、3-甲基丁醛和己酸。整合脂质组学、代谢组学和挥发性分析表明，氧化相关脂质和美拉德相关代谢物可能促成了这些挥发物的形成或变化。总体而言，脂质氧化和美拉德相关化学变化可能共同塑造了由贮藏小米制备的粥的挥发性轮廓，为理解金苗K1小米粥的贮藏相关品质变化提供了化学基础。