基于风味组学与HS-SPME/GC-MS解析相同养殖条件下红螯螯虾（Cherax quadricarinatus）肌肉性别与体规格依赖性挥发性风味特征

《Foods》：Flavoromics Analysis Reveals Sex- And Size-Dependent Volatile Flavor Signatures in Cherax quadricarinatus Muscle Under Identical Farming Conditions

　　

红螯螯虾（Cherax quadricarinatus）是一种具有商业价值的淡水养殖物种，其肌肉风味是驱动消费者偏好和市场价值的核心性状。在相同养殖条件下，同批螯虾常在雌雄个体内及雌雄个体间出现明显体规格分化，但这种变异对肌肉挥发性风味谱的影响尚不清楚。研究人员将一致环境条件下养殖的 C. quadricarinatus 按体重和性别分为四组：大规格雌性（GUBF）、大规格雄性（GUBM）、小规格雌性（GUSF）和小规格雄性（GUSM）。采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME/GC-MS）分析挥发性有机化合物（VOCs）。结合多变量统计分析、相对气味活值（ROAV）计算、代谢途径与网络分析以及受试者工作特征（ROC）分析，解析风味变异模式、鉴定关键香气化合物、揭示潜在代谢机制并筛选潜在生物标志物。常规成分分析显示，粗蛋白、粗脂肪、水分和肉产量存在显著体规格差异，但无显著性别差异。所有样本共鉴定出136种挥发性代谢物，分属15个化学类别。多变量统计分析显示四组明显分离，提示体规格和性别均塑造肌肉挥发性代谢物谱，且在雌性中效应更强。检测到38种共有香气活性化合物，主要包括醇、醛、酮、酯和芳香烃。总体感官特征以甜香为主，其次为果香和青香。大规格螯虾中性别相关风味差异较小，而小规格个体中差异明显。大规格雌性螯虾风味组成较简单，而小规格雌性表现出更高的风味化合物多样性和丰度；体规格变异对雄性风味影响有限。丁酸代谢在小规格性别比较和雌性体规格比较中均显著富集。核心代谢框架在各组间总体保守，但关键枢纽代谢物因比较类型而异。该研究系统表征了受控养殖条件下不同体规格和性别 C. quadricarinatus 肌肉的挥发性风味谱，为 C. quadricarinatus 质量评价和优质养殖优化提供初步参考。

研究背景：红螯螯虾（Cherax quadricarinatus）是商业价值较高的淡水养殖物种，其肌肉风味是驱动消费者偏好和市场价值的核心性状。2024年中国养殖产量达185,000吨，养殖面积和产量持续增长；其肌肉可食比例约18%，富含必需氨基酸和多不饱和脂肪酸。风味包括滋味和香气，是海鲜市场消费者购买决策的关键因素。当前海鲜风味研究多聚焦熟制肌肉，生鲜肌肉研究有限；虽然生鲜组织挥发性香气较弱，但热加工后可保留多种核心风味活性化合物。商业养殖中，即使同一批初始大小一致、饲料和管理一致，个体仍常出现显著生长表型变异，且雌雄间和同性内均存在体规格差异。性别和体规格差异可能改变肌肉品质，尤其挥发性香气化合物的积累和组成。类似生长差异导致风味变异的证据在家禽中已有报道。消费者对水产品需求逐渐从营养价值转向优质风味，尤其适合生食或刺身级产品更为明显。生鲜水产品感官属性几乎完全来自内源性挥发性谱，气味约占整体食品风味感知的80%。因此，在统一苗种和标准化养殖体系中表征不同性别和体规格 C. quadricarinatus 肌肉关键挥发性风味化合物具有实际价值，可支持分级定价、精准营销，并为种质改良、选育和新品系培育提供理论参考。现有顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME/GC-MS）广泛用于食品风味分析，但红螯螯虾肌肉风味研究较少，且行业尚无统一质量控制标准，同批产品质量异质，需统一评价框架。

研究人员开展：使用同批初始大小相近幼虾，标准化养殖至成熟并出现体规格分化，按体重和性别分为大雌、大雄、小雌和小雄，肌肉样本分别记为MUBF、MUBM、MUSF和MUSM。采用HS-SPME/GC-MS和多变量统计表征挥发性风味指纹，并鉴定关键香气活性成分。研究得出，体规格和性别均塑造肌肉挥发性代谢物谱，雌性中效应更强；38种共有香气活性化合物以甜香为主，其次为果香和青香；性别相关风味差异在大规格中较轻，小规格中明显；大雌风味较简单，小雌风味化合物更多样且丰度更高；体规格对雄性风味影响有限；丁酸代谢显著富集，核心代谢框架保守而关键枢纽代谢物因比较类型不同。意义在于填补养殖红螯螯虾基础风味化学数据，服务规格和性别选择性收获、质量分级和优质养殖。

技术方法（不超过250字）：样本来源为中国三江、Hannan省商业养殖场三个相邻池塘，同一养殖场自有繁殖同一批幼虾，初始体长4.15 ± 0.34 cm、体重7.43 ± 0.21 g；相同条件养殖3个月。随机笼捕，按日增重前10%和后10%分高、低体重组；选大雌BF（51.35 ± 5.66 g）、大雄BM（67.23 ± 14.46 g）、小雌SF（25.86 ± 4.99 g）、小雄SM（26.37 ± 4.69 g）各30只。取腹肌，液氮速冻，?80 °C保存；5只同性别同规格合并为复合样本，每组5个生物学重复。技术包括常规成分分析、HS-SPME/GC-MS、MSDIAL数据处理、主成分分析（PCA）、稀疏偏最小二乘判别分析（sPLS-DA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）、变量投影重要性（VIP）>1且p<0.05、相对气味活值（ROAV）计算、京都基因与基因组百科全书（KEGG）和MetaboAnalyst通路富集、Cytoscape网络分析；摘要提及受试者工作特征（ROC）分析用于筛选潜在生物标志物。

研究结果：
3.1 肌肉基础组成（Basic Muscle Compositions）：通过常规成分分析，所有组养殖条件和周期相同。除BM体重显著高于BF、SF和SM外，粗蛋白、粗脂肪、水分和肉产量等多数体成分参数存在显著体规格差异，灰分除外；无显著性别差异。BF与BM间上述指标无显著差异；但BF与SF、BM与SM比较有显著差异，较大个体这些参数呈下降趋势。
3.2 HS-SPME/GC–MS分析挥发性化合物：共检测172种挥发性代谢物，其中36种未匹配或无法分类；136种可鉴定，分为15类，包括醇28种、有机杂环化合物15种、酸12种、酮12种、醛10种、酯9种、烃8种、醚7种、胺5种、卤代烃5种、有机氮化合物5种、酚5种、芳香烃3种、有机硫化合物1种和其他11种。
3.3 多变量数据分析：PCA显示四组清晰分离，MUBM与MUSM接近，雌性两组与雄性组分离，MUBF与MUSF距离明显，提示性别和体规格对雌性挥发性代谢物谱影响更强。PC1和PC2累计解释35.3%。sPLS-DA与PCA一致，组内聚集更紧，第一、第二成分解释13.1%和20.9%。层次聚类显示MUSF差异最大，形成独立分支。方差分析鉴定56种相对丰度显著不同代谢物。K-means将代谢物分为7个簇。
3.4 ROAV分析关键VOCs：共141种挥发性成分被阳性鉴定，其中5种仅按名称鉴定。四组各检测38种香气活性成分。MUBF、MUBM、MUSF和MUSM中重要气味成分（ROAV>0.1）分别为19、18、12和20种，关键气味成分分别为6、5、3和8种。MUBF、MUBM和MUSF中乙醇ROAV最大（100），MUSM中1-辛烯-3-醇最大。重要和关键气味成分包括8种醇、8种醛、3种酮、1种酯和1种芳香烃。12种重要或关键气味挥发物在四组共有：乙醇、1-戊醇、1-己醇、1-辛烯-3-醇、1-庚醇、苯甲醇、2-甲基丁醛、己醛、壬醛、苯甲醛、乙酸乙酯和苯乙烯。总体感官以甜香为主，其次为果香和青香。
3.5 不同体规格或性别组肌肉差异化合物：通过PCA、OPLS-DA、置换检验和层次聚类，性内体规格比较和同体规格性别比较均显示分离。同体规格性别比较中，MUBF与MUBM有25种差异丰度挥发性代谢物（DAVMs），16种上调、9种下调；MUSF与MUSM有41种，40种上调、1种下调，说明体规格对雄性肌肉挥发性代谢物组成影响弱于雌性。同性内体规格比较中，MUBF与MUSF有30种，全部在MUSF降低；MUBM与MUSM仅3种，1种上调、2种下调，说明体规格对雌性肌肉挥发性代谢物组成差异影响大于雄性。
3.6 代谢通路富集：对DAVMs进行KEGG富集。MUBF与MUBM、MUBM与MUSM无显著富集；MUSF与MUSM、MUBF与MUSF映射到4条显著富集通路：代谢通路（cqd01100）、丁酸代谢（cqd00650）、碳代谢（cqd01200）和硫代谢（cqd00920）。丁酸代谢在两个比较中均显著，MUSF与MUSM中p=0.00120，MUBF与MUSF中p=0.00001。丁酸代谢相关代谢物在MUSF相对MUSM显著上调，在MUBF相对MUSF显著下调，提示小雌肌肉丁酸代谢活性较高。
3.7 不同规格和性别组差异气味活性化合物：同体规格性别比较中，大雌与大雄差异中等，主要涉及芳香、甜、醚和坚果气味；小雌与小雄差异更明显，涉及甜、果、青、脂肪和花香。性别风味差异在大规格中有限，小规格中明显。同性内体规格比较中，MUBF与MUSF在甜、果、花、青和脂肪气味上有差异；MUBM与MUSM仅芳香、青和坚果气味细微变化。21种关键气味活性挥发物中，10种在所有比较无显著差异，可能为基线成分：乙醇、1-戊烯-3-醇、(Z)-5-辛烯-1-醇、2-甲基丁醛、己醛、庚醛、(Z)-4-庚醛、辛醛、苯甲醛和2-辛酮。其余11种至少在一个比较中显著，可能为区分性别或体规格的风味标志物。大规格中，MUBF相对MUBM有1种气味活性化合物显著下调，大雄具有更强烈甜、芳香、茴香、香脂和白兰地气味。小规格中，MUSF与MUSM有6种差异，5种在雌性上调、1种下调；上调主要贡献脂肪、甜、草、油、皂、果、玫瑰/花、香脂和土气味，下调主要贡献甜、芳香、茴香和白兰地气味，提示小雌风味更多样复杂。同性内体规格比较中，MUBF与MUSF有7种差异，均在MUBF相对MUSF下调，涉及甜、脂肪、果、草、坚果、玫瑰/花、辛辣、青、皂和土气味；说明大雌风味组成比小雌简单，小雌风味化合物更广且更高。MUBM与MUSM仅1种差异，在MUBM升高，主要贡献果香，提示大雄可能更均匀但有特色。
3.8 挥发性成分相关分析：Pearson相关热图显示各比较组存在一致协变模式：一簇挥发物相对其余化合物相关趋势一致，包括betazole、3-羟基十四酸甲酯、2-壬炔、tetraglyme、3-吡啶醇、O-苄基羟胺、甲磺酰氯、四甲基硅烷、2-丁基四氢呋喃和1,2-苯二甲酸二己酯等，并与另一组挥发物广泛负相关。该协变模式在四组比较中保守，提示共同生物合成来源或代谢通路耦合。个别化合物存在保守和体规格特异相关：吡咯与2,2-二甲基-3-庚酮在MUBF与MUBM、MUBF与MUSF中显著正相关；乙酸乙酯与exo-2-溴降冰片烷在MUBF与MUBM中正相关，在MUSF与MUSM中负相关，提示随体规格增加关系可能由协同转为拮抗。
3.9 多层次代谢互作网络：构建全局四组网络和成对MUBF与MUSF、MUSF与MUSM网络；MUBF与MUBM、MUBM与MUSM未能建立稳健网络。全局网络显示丁酸代谢（cqd00650）和硫代谢（cqd00920）通过共享中间代谢物和偶联生化反应形成交联功能结构，γ-氨基丁酸（GABA）支路（M00027）为核心功能模块。甲醇（C00132）和甲醛（C00067）为最关键枢纽代谢物；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺，C00003）及其还原型（NADH，C00004）推断调控氧化还原稳态；四个限速酶节点包括过氧化氢酶（EC 1.11.1.6）、胞苷脱氨酶（EC 3.5.4.5）、保幼激素酯酶（EC 3.1.1.59）和甲硫醇氧化酶（EC 1.8.3.4）。MUBF与MUSF网络中核心通路、模块和氧化还原对与全局大体一致，核心枢纽为甲醇（C00132）、二氧化碳（C00011）和质子（C00080），另有酮体生物合成（M00088）模块。MUSF与MUSM网络核心保守，核心枢纽为甲醇（C00132）、氧化型铁氧还蛋白（C00139）、二氧化碳（C00011）、质子（C00080）和水（C00001）。总体基本代谢结构、调控模块、生化反应级联和辅因子系统在各分析尺度保守，而成对网络可分辨更细的组特异代谢特征和核心枢纽。

讨论部分总结：讨论指出，全球渔业和水产养殖产量2024年达235百万吨，其中195百万吨为水产动物产品，约89%供人类直接消费。挥发性有机化合物（OVCs）在风味形成和生产加工链中的作用逐渐阐明，可用于优化加工参数和风味调控，也作为新鲜度监测和原料真实性溯源的敏感无损工具。研究人员混合5只个体可能降低个体变异评估，但可减少个体差异、增强群体效应统计功效，也可能掩盖个体差异和异常样本信息；因研究目标为群体水平，故该方法适用。研究主要从化学角度描述代表性挥发性风味相关代谢物及其通路。基础组成与既有报道一致，随个体增大，肉产量、粗蛋白、粗脂肪等通常下降。HS-SPME/GC-MS检测172种，136种注释；讨论概述醇、醛、酮、酯、芳香烃等的来源和风味贡献。醇类最丰富，关键包括乙醇、1-戊醇、1-己醇、1-庚醇、苯甲醇、1-戊烯-3-醇、1-辛烯-3-醇和(Z)-5-辛烯-1-醇；1-辛烯-3-醇区分大、小雌，大雌更高，有利风味但需防过量土腥。醛类来自脂质氧化，包括2-甲基丁醛、戊醛、己醛、庚醛、辛醛、壬醛、(Z)-4-庚醛和苯甲醛等；小雌壬醛、戊醛较高，提示醛类更易在小雌积累。酮类包括2,3-戊二酮、2-庚酮和2-辛酮，小雌2,3-戊二酮高于大雌，提示脂质氧化更活跃。酯类乙酸乙酯在雄性和大规格中更高。苯乙烯是唯一贡献风味的芳香烃，小雌高于小雄。其他类贡献有限。风味受内在和外在因素影响，包括物种、遗传、生长阶段、部位、营养、环境、模式、水质和饲料。代谢通路富集显示，MUBF与MUBM、MUBM与MUSM无显著富集；MUBF与MUSF、MUSF与MUSM富集代谢通路、丁酸代谢、碳代谢和硫代谢。丁酸代谢在MUSF上调、MUBF下调，提示小雌丁酸代谢活性高。丁酸可经脂肪酸氧化分解为二氧化碳或乙酰CoA，乙酰CoA进入三羧酸（TCA）循环，生成柠檬酸和草酰乙酸，进入磷酸三糖途径支持糖异生；脂肪酸、胆固醇和酮体是其下游。小雌丁酸代谢上调提示脂质分解和葡萄糖周转增强；大雌脂质可能优先分配至卵巢积累用于繁殖。

结论翻译：总之，在严格控制种苗、养殖环境、营养条件和养殖周期以最小化养殖相关混杂效应下，研究人员系统表征了按体规格和性别分四组的 C. quadricarinatus 肌肉挥发性风味谱。共检测136种结构鉴定挥发性代谢物（15类），醇、醛、酮、酯和芳香烃为贡献肌肉香气的五类主要化合物。整体肌肉香气以甜香为主，其次为果香和青香。关键表型发现：性别相关风味差异强烈依赖体规格。大规格雌性和雄性风味属性差异小，小规格雌性和雄性在多个风味维度差异显著。同性内，大规格雌性风味组成相对简单，小规格雌性具有更高多样性和相对丰度的风味化合物；雄性未观察到显著体规格相关风味物质差异。这些发现填补了养殖红螯螯虾基础风味化学数据空白，对规格和性别选择性收获、质量分级和优质养殖具有实际应用价值。未来需研究关键风味化合物在生长和性腺发育中的形成机制，并对关键挥发性风味谱进行感官验证，以支持该商业重要甲壳动物的精准风味调控和选育。