高分辨核磁共振与质谱联用评估新型草莓优系代谢组及其与果实品质的相关性研究

《Food Chemistry》：High resolution NMR and mass spectrometry to evaluate the metabolome of novel strawberry advanced breeding selections and correlate it with the fruit quality

　　

不良气候条件正引起地中海地区日益增长的关注，推动草莓生产者寻求替代性和有效的策略，包括选择和培育新的抗性品种。在本研究中，将三个源自种内杂交的新型草莓选育品系与五个商业栽培品种进行比较。研究旨在利用传统方法（pH值、可滴定酸度TA、干重DW、总酚含量TPC、总花青素含量TAC、维生素C和Trolox等效抗氧化能力TEAC）以及先进的分析技术，包括高分辨液相核磁共振波谱（NMR）和质谱（傅里叶变换离子回旋共振质谱FT-ICR和液相色谱-串联质谱LC-MS/MS）对这些品种进行表征。后者技术与化学计量学相结合，使得能够识别每个品种在初级和次级代谢组方面的独特分子图谱。此外，提出了一种基于NMR的创新方法来评估草莓的新鲜度。总之，新型选育品系AN 165354被证明是在温室条件下商业草莓的优异替代品，表现出高营养和保健品质（维生素C和总酚含量分别为48和163.2 mg/100 g FW），并且在4 °C储存时具有增强的抗降解能力（收获后7天的S/F比率低于67%）。

高分辨核磁共振与质谱联用评估新型草莓优系代谢组及其与果实品质的相关性研究——论文解读

研究背景与目的

草莓（Fragaria ananassa）因其甜美的风味、多汁的质地以及富含维生素C、B族维生素、花青素和其他多酚类物质而受到全球消费者的青睐。然而，地中海地区日益不利的气候条件对草莓生产构成了严峻挑战，促使种植者转向选育更具抗性的新品种。尽管中国和美国是全球最大的草莓生产国，但草莓对意大利尤其是坎帕尼亚大区而言是一种战略性的水果作物。为了应对气候变化并保证高品质果实的稳定产出，意大利育种者致力于引入和筛选新的栽培品种。

在此背景下，先前的研究（Altieri等人，2025）已对三个源自种内杂交的草莓高级选育品系以及五个适应地中海温暖气候并在有机保护地条件下种植的商业品种进行了初步评估，重点关注了质量和产量参数。本研究旨在在此基础上更进一步，通过NMR和高分辨质谱（HR-MS）为基础的代谢组学方法，分析这些相同草莓品种的初级和次级代谢组，并表征其最具决定性的化学和营养参数。这种先进且全面的方法可以在不同层面定义所研究草莓的组成和营养品质。此外，研究人员还尝试开展探索性实验，利用液相NMR作为工具来识别诊断果实降解程度的生物标志物，旨在为定义与草莓新鲜度相关并能预测其货架期的品种特异性参数奠定基础。该研究成果发表于《Food Chemistry》。

主要关键技术方法

本研究采用了多种关键技术方法。首先，利用高分辨液相核磁共振波谱（NMR）对草莓提取物的初级代谢组进行分析，并结合主成分分析（PCA）、方差分析（ANOVA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和聚类热图等化学计量学手段进行数据挖掘。其次，采用高效液相色谱法（HPLC）测定维生素C含量。同时，运用紫外-可见分光光度法测定总酚含量（TPC）、总花青素含量（TAC）和Trolox等效抗氧化能力（TEAC）。在次级代谢组分析方面，使用了电喷雾电离傅里叶变换离子回旋共振质谱（ESI-FT-ICR MS）进行非靶向分析，并绘制范克雷维伦图。此外，还采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行靶向和非靶向代谢物鉴定。所有草莓样品均来自意大利蒙泰拉Bio农场的一个冷温室，包含三个新型选育品系（AN 150753、AN 165354、AN 124460）和五个商业品种（Dina、Arwen、Melissa、Marimbella、Elide）。

研究结果

pH值、可滴定酸度和干物质

研究表明，各草莓类型的pH值、可滴定酸度（TA）和干物质（DM）含量呈现独特的组合。pH值范围在3.6至4.1之间，ARWEN最高。TA范围在4.93至7.18 g/L柠檬酸当量之间，MELISSA和AN165354最高，且与pH值大致呈负相关。DM平均约为10.9%，其中MELISSA和AN165354显著高于其他品种，达到13.6%。这些参数共同影响着草莓的营养和商业品质。

核磁共振（NMR）

初级代谢组图谱

通过对NMR图谱的解析，研究人员在草莓提取物的初级代谢组中鉴定出32种化合物，包括碳水化合物（葡萄糖、果糖、蔗糖）、氨基酸、有机酸、醇类和黄酮醇类。其中，碳水化合物的信号最为强烈，而黄酮类化合物如槲皮素、表儿茶素和儿茶素则是主要的抗氧化成分。

品种特异性代谢指纹图谱

通过PCA、PLS-DA和聚类热图分析，研究发现除MELISSA和AN165354外，其余6种草莓类型均展现出独特的、高度可识别的代谢特征。PCA显示，不同品种的区分主要源于葡萄糖、果糖、蔗糖、谷氨酰胺和乙醇含量的差异。PLS-DA交叉验证表明，大多数品种的分类正确率达到100%。聚类热图进一步证实了每种草莓都具有独特的代谢指纹，例如，AN150753因其较高的葡萄糖和果糖含量而与其他品种区分开来。

降解标志物

通过监测草莓在4°C储存0、4、7天后的NMR图谱变化，研究人员发现了一系列与降解相关的生物标志物。主要表现为所有碳水化合物（尤其是蔗糖）浓度逐渐下降，而富马酸等有机酸浓度增加，乙酸和琥珀酸（发酵副产物）在7天后显著减少，天冬氨酸和酚类化合物也普遍降低。研究提出了蔗糖/果糖（S/F）和蔗糖/葡萄糖（S/G）比值作为评估新鲜度的指标。结果显示，AN165354、MELISSA和ARWEN的降解速度最慢，即使在7天后，其S/F和S/G比值的下降幅度仍低于67%；而MARIMBELLA和DINA的降解速率最快。

营养品质

维生素C含量

维生素C含量范围为18.6至49.7 mg/100 g FW。ARWEN含量最高，其次是AN165354。所有品种均符合欧盟法规中“维生素C来源”的声称标准，多数品种甚至可以达到“高维生素C”的声称标准。

总酚含量（TPC）和总花青素含量（TAC）

TPC范围从DINA的105.2到MARIMBELLA的174.8 mg GAE/100 g FW。MARIMBELLA、ARWEN、AN165354和MELISSA的TPC值较高。TAC方面，MARIMBELLA最高（46.9 mg Pg-3glc_eq/100 g FW），而AN165354最低（21.5 mg Pg-3glc_eq/100 g FW）。

TEAC抗氧化活性

AN165354、MARIMBELLA和ARWEN显示出最高的体外自由基清除能力。相关性分析表明，TEAC值与维生素C含量（r=0.82）和TPC（r=0.91）呈强正相关，但与TAC相关性很弱（r=0.12）。

高分辨质谱（HR-MS）

ESI (+) FT-ICR MS和范克雷维伦图分析

超高分辨率的ESI-FT-ICR MS分析揭示了不同草莓品种独特的化学指纹图谱。范克雷维伦图显示，所有品种的主要化合物类别均为脂类、多酚类和碳水化合物，但各类别的相对丰度在不同品种间存在差异。例如，DINA、AN150753、AN165354和ARWEN在脂类区域有更多点分布，而AN124460和MELISSA在多酚区域更为丰富。这进一步证实了每个品种独特的次级代谢组构成。

结论

本研究成功地将传统分析方法与先进的NMR和HR-MS代谢组学技术相结合，对三种新型草莓选育品系和五种商业品种进行了全面表征。研究证实，每个草莓品种都拥有独特的初级和次级代谢组指纹图谱，这与其营养和感官品质密切相关。特别是，新型选育品系AN165354表现卓越，不仅具有高含量的维生素C和总酚，而且在冷藏条件下展现出优异的抗降解能力和更长的潜在货架期，这使其成为温室生产中极具前景的商业草莓替代品。此外，研究提出的基于NMR的S/F和S/G比值作为一种快速、客观评估草莓新鲜度和预测货架期的方法，为未来草莓品质控制和保鲜研究提供了新的思路。