基于1H NMR代谢组学的大白菜（Brassica rapa subsp. pekinensis）在气调包装与常规贮藏下的贮藏及生理障碍相关代谢变化

《Postharvest Biology and Technology》：Storage- and disorder-related metabolic changes in Chinese cabbage ( Brassica rapa subsp. pekinensis) under modified atmosphere packaging and conventional storage by 1H NMR-based metabolomics

　　

本研究采用基于¹H核磁共振（¹H NMR）的代谢组学方法，结合多变量统计分析，系统解析了大白菜（Brassica rapa subsp. pekinensis）在常规贮藏（conventional storage, CV）与气调包装（modified atmosphere packaging, MAP）条件下的代谢组变化。研究人员以韩国农业产品处理中心（agricultural products processing center, APC）商业规模贮藏的大白菜为材料，分别比较了正常与发生生理障碍（physiological disorder）植株，并区分外叶与内叶进行分析。结果表明，生理障碍对代谢组的影响大于贮藏方式；发生生理障碍的大白菜中硫代葡萄糖苷从烯基型向吲哚型转变；MAP贮藏减弱了生理障碍相关的代谢变化；外叶与内叶的代谢响应方向一致，但变化程度存在差异。该研究为理解大白菜采后贮藏品质的代谢基础提供了新见解。

大白菜（Brassica rapa subsp. pekinensis）是东亚广泛消费的叶菜，也是制作泡菜的主要原料，富含硫代葡萄糖苷、酚类物质和抗氧化相关代谢物。但因其含水量高、呼吸代谢旺盛，贮藏期间易发生失水、组织软化、黄化、褐变和微生物腐败等品质劣变。尤其夏季高冷地栽培的大白菜生理活性高、贮藏性差，长期冷藏中易出现多种生理障碍。春季收获的大白菜常需贮藏数月至早秋以供应市场，此间发生的生理障碍是品质损失的主要原因。此前研究多集中于低温、预冷、包装及气调（CA/MAP）等保鲜技术对外观和贮藏寿命的改善，对实际商业贮藏条件下组织水平的代谢变化了解有限；且外叶与内叶在形态和生理上存在明显差异，但鲜有研究考察贮藏过程中叶片特异性的代谢响应。近年来，基于代谢组学的方法已用于解析果蔬采后生理变化，然而商业规模贮藏中伴随生理障碍发生的代谢改变及其在叶片位置间的差异仍缺乏系统研究。为此，研究人员在韩国一个农业产品处理中心（APC）进行了商业规模贮藏试验。

研究人员以春匡品种大白菜为材料，于2025年6月10日收获，经预冷后分别采用常规贮藏（CV）和聚乙烯膜打孔覆盖的气调包装（MAP）贮藏，均在1℃下存放81天。取样时根据纵切面症状将大白菜分为正常与生理障碍两类，并分别采集外叶（L1）和内叶（L2），每组10个生物学重复，利用基于¹H NMR的代谢组学结合多变量统计与通路分析，比较了贮藏方式、生理状态和叶片位置对代谢组的影响。

关键技术方法方面，样本来自韩国庆尚北道安东市西安东农协APC，商业规模贮藏。代谢物以甲醇-d4/重水（7:3）提取，使用Bruker Avance 700 MHz NMR谱仪采集一维¹H NOESY及二维TOCSY和HSQC谱，结合HMDB、BMRB数据库及加标实验鉴定代谢物；数据经icoshift和COW对齐及归一化后，采用PCA和OPLS-DA进行多变量统计分析，以相关系数≥0.5且Student's t检验p<0.05筛选显著差异代谢物，并利用KEGG和MetaboAnalyst进行通路富集分析。

研究结果如下：

**3.1 不同贮藏条件下大白菜的形态特征**：通过纵向切面比较，正常大白菜组织颜色均匀、质地坚实；生理障碍大白菜出现中肋褐变和内部黑变。CV与MAP两种贮藏条件下症状外观相似，提示需要代谢组学揭示视觉无法分辨的生化差异。

**3.2 使用1D和2D NMR光谱鉴定大白菜代谢物**：共鉴定23种代谢物，包括糖类（α-和β-葡萄糖、蔗糖、棉子糖）、氨基酸（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸、丙氨酸、赖氨酸、精氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、酪氨酸、苯丙氨酸）、有机酸（苹果酸、延胡索酸）、硫代葡萄糖苷（烯基型：gluconapin和glucobrassicanapin；吲哚型：glucobrassicin和neoglucobrassicin），以及甜菜碱和二甲基甘氨酸等。

**3.3 1H NMR谱的多元统计分析**：OPLS-DA得分图显示CV0、MAP0、CV1、MAP1四组明显分离。正常大白菜中CV与MAP代谢轮廓差异清晰，但生理障碍大白菜中两种贮藏方式部分重叠。生理障碍对代谢组的影响大于贮藏方法；正常与障碍的分离在CV下比MAP下更强，表明MAP减弱了障碍相关的代谢扰动。外叶与内叶在所有比较中始终分离，说明叶片位置是重要的代谢变异来源。

**3.4 显著代谢物鉴定**：贮藏方式比较中，正常大白菜CV组棉子糖、苏氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺较高，MAP组葡萄糖、苹果酸、甜菜碱较高；障碍大白菜CV组蔗糖、苹果酸、延胡索酸及吲哚型硫代葡萄糖苷较高，MAP组烯基型硫代葡萄糖苷、葡萄糖和甜菜碱较高。障碍发生比较中，CV下障碍大白菜可溶性糖、大部分氨基酸和烯基型硫代葡萄糖苷显著降低，苹果酸、延胡索酸、吲哚型硫代葡萄糖苷和甜菜碱显著升高；MAP下变化模式类似但涉及代谢物较少，苹果酸无显著差异。苹果酸在CV障碍中升高3倍以上，gluconapin和glucobrassicanapin分别降至正常水平的1/10和1/5以下。内外叶基础氨基酸水平存在差异（内叶较高），但代谢响应方向一致，外叶变化幅度通常更大。

**3.5 代谢通路分析**：贮藏方式比较中，正常大白菜富集氮代谢和氨基酸合成相关通路，障碍大白菜则富集酪氨酸代谢、柠檬酸循环和丙酮酸代谢。障碍相关比较中，CV下富集31（外叶）和32（内叶）条通路，MAP下仅19和21条。苯丙氨酸代谢影响值最高，硫代葡萄糖苷生物合成匹配代谢物最多。柠檬酸循环、丙酮酸代谢等仅在CV下富集，表明MAP抑制了有机酸代谢的紊乱。

**3.6 代谢变化示意图**：障碍相关的代谢变化涉及中心碳代谢、氨基酸代谢和硫代葡萄糖苷生物合成，且这些变化在MAP贮藏下程度显著减小。

讨论部分指出，生理障碍伴随的可溶性糖和氨基酸广泛下降表明组织进入碳和能量受限状态，而TCA循环中间产物（苹果酸、延胡索酸）的积累指示呼吸代谢重排。甜菜碱升高是渗透和氧化应激响应。酪氨酸和苯丙氨酸的降低可能反映呼吸底物消耗以及苯丙烷途径的激活（预实验中苯丙氨酸解氨酶活性升高）。硫代葡萄糖苷从烯基型向吲哚型转变是防御代谢激活的表现，并可能影响风味。MAP通过抑制呼吸相关代谢变化，在代谢物和通路水平上缓解了上述扰动。结论部分翻译为：本研究利用¹H NMR代谢组学结合多变量和通路分析，揭示了大白菜贮藏中生理障碍对代谢组的影响大于贮藏方式；障碍伴随氨基酸和可溶性糖广泛下降，苹果酸、延胡索酸、甜菜碱升高，硫代葡萄糖苷由烯基型向吲哚型转变，以及苯丙烷途径的可能激活；这些变化在MAP下均较弱。结果证明MAP对贮藏品质的益处延伸至代谢水平，也展示了¹H NMR代谢组学在叶菜采后生理障碍研究中的价值。