研究Vallo di Diano洋葱初级代谢组的先进光谱技术及其诊断性组成和营养保健特征

《Journal of Food Composition and Analysis》："Advanced spectroscopic techniques to investigate on the primary metabolome of the Vallo di Diano onion and highlight diagnostic compositional and nutraceutical features"

　　

需要强大、创新和替代的分析方法来深入表征食品，并开发工具以保护农业生物多样性遗产，识别独特的营养保健和营养特征，以及研究对土壤和气候条件的适应性。圣彼得罗阿塔纳格罗洋葱（SPT）是Vallo Di Diano（意大利南部萨莱诺）的一种本土铜色洋葱，尽管其具有令人期待的感官品质，但从未通过现代先进分析技术进行深入研究和表征。根据欧盟委员会的目标，这种方法可能有助于评估和保护它，因为它是处于灭绝风险的本土物种。因此，研究人员评估了在不同条件（露地 vs 温室）下种植的代表性SPT样品的定性和定量特征，并与商业“蒙特罗铜色洋葱”（Montoro，一种属于同一SPT组的知名意大利本土品种，作为外部铜色洋葱参考）进行了比较。除了营养保健分析外，研究人员利用先进的高分辨率¹H核磁共振（NMR）和近红外（NIR）光谱技术来表征所研究洋葱样品的初级代谢组，并通过代谢组学（主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和热图聚类）识别其分子指纹。研究人员证明了NMR和NIR数据揭示了重要的分子特征，有助于在所有检查的洋葱样品中实现清晰显著的区分。研究结果使得所提出的组合方法有资格成为识别和追踪高质量洋葱生产的有效策略。

**研究背景与问题**
洋葱（*Allium cepa* L.）是全球重要园艺作物，富含碳水化合物（葡萄糖、果糖、蔗糖）、膳食纤维、蛋白质、维生素C、B₆、叶酸、铁、锌及酚类化合物（如槲皮素），其摄入与抗癌、抗心血管疾病等健康效应相关。意大利栽培约20种洋葱，坎帕尼亚大区拥有丰富农业植物多样性，其中Vallo di Diano地区出产的圣彼得罗阿塔纳格罗洋葱（San Pietro al Tanagro, SPT）属于铜色洋葱组，具有优良感官品质但此前未通过现代光谱技术深入表征。由于该品种面临灭绝风险，欧盟委员会积极倡导保护本土传统食品，因此研究人员开展本研究，旨在采用先进组合方法评估SPT洋葱的组成和营养保健特征，并与同组著名品种蒙特罗铜色洋葱（Montoro, M）进行比较。

**研究内容与结论**
研究人员采集了来自两个露地（San Pietro al Tanagro地点A、Sassano地点B）和一个温室（Pontecagnano地点C）的SPT洋葱样本，以及商业Montoro洋葱（M），通过高分辨率¹H核磁共振（NMR）和近红外（NIR）光谱联合代谢组学（PCA、PLS-DA、热图聚类）分析初级代谢组，并测定总酚含量（Folin-Ciocalteu法）和抗氧化活性（DPPH法）。结果表明，NMR和NIR数据均能显著区分所有洋葱样品，SPT洋葱的酚类和抗氧化剂含量范围为5-10 mg GAE/g dw和4.4-6.8 mg AAE/g dw，其中B样品最高。Montoro洋葱含量更高（16.24 mg GAE/g dw, 11.668 mg AAE/g dw）。NMR代谢组学揭示B样品富含氨基酸、有机酸（甲酸盐、乳酸）、硫化合物（蒜氨酸、蒜辣素）、固醇、脂肪酸等，而葡萄糖较低；NIR光谱证实了这些差异。组合热图聚类清晰展示了样品间的相似性和变量相关模式。研究证明NMR与NIR联用可高效、无损地鉴定和追踪高质量洋葱生产，为保护本土濒危品种提供科学工具。论文发表在《Journal of Food Composition and Analysis》。

**主要关键技术与方法**
研究人员采用高分辨率液体¹H核磁共振（NMR）光谱和近红外（NIR）光谱获取洋葱样品分子指纹；通过主成分分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）及热图聚类进行代谢组学数据挖掘；采用Folin-Ciocalteu法和DPPH自由基清除法分别测定总酚含量和抗氧化活性。样本来源：SPT洋葱来自San Pietro al Tanagro（A）和Sassano（B）露地以及Pontecagnano温室（C），对照Montoro洋葱（M）购自产地蒙特罗的本地经销商。

**研究结果**
**3.1 总酚类化合物和抗氧化剂的定量**
通过Folin-Ciocalteu和DPPH测定，SPT洋葱总酚含量（GAE）在5-9.48 mg/g dw之间，抗氧化活性（AAE）在4.2-6.8 mg/g dw之间，B样品显著高于A和C（p<0.05）。Montoro洋葱含量最高（16.24 mg GAE/g dw, 11.668 mg AAE/g dw）。结果显示B样品的高值可能与其完全无树木遮挡的暴露位置（辐射强度大）有关，而A和C因南侧树木或温室覆盖导致辐射减弱。遗传因素被认为是SPT与M差异的主要原因，但SPT仍高于铜色洋葱平均值，具有营养保健吸引力。

**3.2 核磁共振（NMR）光谱**
**3.2.1 代谢组学图谱**
通过1D和2D NMR谱（COSY、TOCSY、NOESY、HSQC、HMBC）鉴定SPT洋葱初级代谢组，主要含有氨基酸（精氨酸、谷氨酸、亮氨酸等13种）、有机酸（乙酸盐、柠檬酸盐、甲酸盐等）、碳水化合物（果糖、葡萄糖、蔗糖、木糖）、含氮化合物（胆碱、甘氨酸甜菜碱、尿苷）、芳香和硫化合物（蒜氨酸、蒜辣素、异蒜氨酸、葫芦巴碱、酪胺）以及脂类（脂肪酸、固醇）。所有洋葱定性组成相似。

**3.2.2 基于NMR的SPT洋葱代谢组学**
PCA得分图（PC1 vs PC2, 72.17%方差）显示三种SPT洋葱代谢组明显分离：B位于正PC1区，A和C位于负PC1区且沿PC2分开。方差分析（ANOVA）选取显著变量，B样品富含氨基酸（谷氨酸、蛋氨酸、色氨酸、组氨酸、缬氨酸）、硫化合物（蒜氨酸/蒜辣素、异蒜氨酸）、甲酸盐、乳酸、固醇、脂肪酸、酪胺和尿苷，而葡萄糖含量较低，这归因于B地施用N-P-K肥料及较高辐射暴露。PLS-DA交叉验证（5轮，37%样本为测试集）显示100%正确分类，ROC曲线下面积为1。

**3.2.3 与Montoro铜色洋葱的品种比较**
PCA（PC1=52.43%方差）清晰区分SPT与M，M位于正PC1，SPT位于负PC1。M含有显著更高浓度的芳香氨基酸（苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸）及酪胺、尿苷、硫化合物等，解释了其更高的营养保健活性。PLS-DA再次100%正确分类所有样本。

**3.3 近红外光谱（NIR）评估SPT和M洋葱**
NIR光谱（8850-4000 cm^-1）经PCA分析，PC1解释>99%方差。SPT B位于负PC1，A和C位于正PC1不同区域，表明NIR可区分不同生长条件。与NMR一致，B样品葡萄糖较低导致区分。SPT与M比较时，M位于正PC1，SPT集中在负PC1，B处于中间区域。PLS-DA交叉验证均成功（100%正确）。

**3.4 组合数据的热图可视化**
热图结合营养保健参数、NMR和NIR显著变量，聚类分析将A、B、C完全分离，B显示较高的酚类、抗氧化剂、氨基酸、硫化合物及较低的葡萄糖、苹果酸、苏氨酸、果糖。SPT与M比较时，M聚类分离，富含总酚、抗氧化剂、芳香氨基酸、硫化合物等。相关矩阵显示AAE与GAE正相关；NIR波段7240-6524和6524-5995与AAE/GAE负相关；氨基酸间正相关；葫芦巴碱与尿苷正相关；酪胺、组氨酸与甲酸盐正相关（提示微生物代谢）。NIR与NMR信息高度互补。

**讨论与结论**
研究表明，组合NMR和NIR光谱结合代谢组学是表征洋葱初级代谢组的有效策略。NMR提供高分辨率结构信息，NIR实现快速高通量筛查，两者联用显著提高了区分质量特征的可靠性。SPT洋葱的酚类和抗氧化剂含量虽低于Montoro，但仍属铜色洋葱上游水平，具有营养保健价值。生长条件（露地vs温室、辐射强度、施肥）显著影响代谢物组成，尤其是B地样品因施用N-P-K肥料而表现出较高氨基酸和硫化合物水平及较低葡萄糖水平。NIR波段与营养指标的相关性提示其可作为快速评估标志。尽管样本数量有限，但该方法已展示出清晰的区分能力。结论指出，本研究评估了SPT洋葱代表性样品的组成和营养保健特性，首次报道了其初级代谢组的NMR和NIR谱图；NIR与NMR联合应用可利用后者的高分辨率和前者的快速普筛优势，为保护此类高品质濒危本土食品（如SPT洋葱）提供分子工具，符合欧盟委员会的保护倡议。