基于代谢组学的山西省代表性谷子品种关键营养品质、挥发性物质谱及关键气味活性化合物分析

《Food Chemistry: X》：Metabolomics-based analysis of key nutritional quality, volatile profiling and key odor-active compounds in representative foxtail millet varieties from Shanxi Province

　　

为揭示谷子（foxtail millet）营养组分与香气形成之间的调控机制，本研究采用多种代谢组学方法对山西省5个代表性品种进行了分析。CNQX的类胡萝卜素（carotenoid）含量最高；ZGQX的硫胺素（thiamine）含量最高，而ZGFY的B族维生素（B vitamin）谱最为均衡；JGFY在核黄素（riboflavin）和不饱和脂肪酸（unsaturated fatty acids）方面表现突出。共推定鉴定出866种挥发性代谢物（volatile metabolites），并筛选出9种具有高理论气味潜力的关键化合物（相对气味活度值rOAV≥1，变量投影重要性VIP≥1）。生态相关性分析显示，土壤pH和速效钾（available potassium）与VB₁和VB₂呈正相关，而温度与C22:1n9呈负相关（p≤0.05），主要营养素主要受基因型决定。基于主成分分析（PCA）的综合化学型评分排序为JG>CN>JF>ZG>ZZ，各产区呈现不同的化学模式。本研究为香气导向育种和产区规划提供了理论化学基础。

**山西省代表性谷子品种营养品质与香气特征的系统代谢组学解读**

**一、研究背景与科学问题**

谷子（*Setaria italica*）是中国重要的谷物作物，栽培历史约16,000年，在农业发展史上具有不可替代的地位。山西省是中国谷子主产区之一，年播种面积约20万公顷，在杂粮产业发展战略中占据重要地位。谷子富含膳食纤维、矿物质（钙、铁、锌）、B族维生素及酚类化合物等健康有益成分，具有抗炎、抗氧化、抗癌、降血脂和调节血糖等生理功能，对预防慢性代谢性疾病和改善免疫功能具有重要作用。然而，尽管已有研究对谷子风味进行了初步探索，但决定其风味组成的关键因素仍不清楚，尤其是挥发性代谢物与类胡萝卜素、B族维生素及中长链脂肪酸等核心营养品质指标之间的关联机制尚未阐明。以往的研究仅分析了单一营养性状，缺乏挥发性代谢组检测及营养-风味关联分析。为此，本研究选取山西省5个代表性谷子品种——晋谷21（JG21）、中谷19（ZG19）、长农47（CN47）、晋汾107（JF107）和张杂10（ZZ10），通过整合多种代谢组学技术，系统解析核心营养组分与香气前体之间的内在联系，揭示生态因子对同一品种不同产区品质和风味分化的调控效应。该研究发表在《Food Chemistry: X》。

**二、研究技术方法概述**

研究人员采用分层随机抽样策略，在山西省主要谷子产区采集5个品种共15份样品，每个品种来自3个核心优势种植区域，覆盖晋中盆地、晋东南丘陵区和晋西北干旱区。所有样品均来自2023年同一生长季节，统一播种和收获，以控制年际气候差异。主要技术方法包括：采用超高效液相色谱（UHPLC）测定类胡萝卜素（lutein和zeaxanthin）含量；采用UHPLC-Q Exactive高分辨质谱联用技术测定4种B族维生素（VB₁、VB₂、VB₃、VB₆）含量；采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）测定37种中长链脂肪酸；采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）技术对小米粥样品进行挥发性代谢物分析，经NIST数据库匹配推定鉴定挥发性化合物，并采用同位素标记内标法进行相对定量。数据分析采用单因素方差分析（ANOVA）、邓肯多重比较（DMRT）、主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）、相关性热图及KEGG代谢通路富集分析等方法。

**三、主要研究结果**

**3.1 类胡萝卜素含量**

在供试品种中仅检测到叶黄素（lutein）和玉米黄质（zeaxanthin），其中叶黄素为主要成分。总类胡萝卜素含量趋势为CN>JG>JF>ZG>ZZ，CN品种含量最高，其产自沁县的样品（CNQX）玉米黄质含量（0.0048 μg/mg）为所有样品中最高。相关分析显示，玉米黄质与萜烯类香气化合物积累呈显著正相关，与β-月桂烯（r=0.584，p=0.022）及δ-十二内酯（r=0.723，p=0.002）的相关性支持了谷子中可能存在"颜色-风味"代谢关联的假说。

**3.2 B族维生素含量**

检测到硫胺素（VB₁）、核黄素（VB₂）、烟酰胺（VB₃）和盐酸吡哆醇（VB₆）4种B族维生素。总B族维生素含量以中谷19（ZG）最高，VB₁为主要成分。沁县产区的ZGQX样品VB₁含量显著高于其他产区，汾阳产区的ZGFY各种B族维生素分布最为均衡。VB₁积累与叶黄素（r=0.671，p=0.006）和玉米黄质（r=0.555，p=0.032）含量显著正相关，呈现"深色品种富集"趋势。

**3.3 中长链脂肪酸含量**

共鉴定37种碳链长度C4:0至C22:6n3的脂肪酸，不饱和脂肪酸为主要组分，亚油酸（C18:2n6c）和油酸（C18:1n9c）含量最高。长农47（CN）和晋汾107（JF）的油酸和亚油酸总量显著高于其他品种；晋谷21（JG）亚油酸比例较高，中谷19（ZG）油酸比例较高；张杂10（ZZ）核心不饱和脂肪酸含量较低，但C14:1和C22:6n3含量具有明显优势。

**3.4 挥发性代谢物组成**

采用HS-SPME-GC-MS方法推定鉴定出866种挥发性代谢物（MSI 2级），分为15个化学类别：萜烯类（18.4%）、酯类（16.7%）、酮类（13.2%）、醇类（9.5%）、醛类（6.8%）等。PCA分析显示PC1和PC2分别解释总方差的46.58%和16.64%，累计超过63%，有效反映了品种间香气组成差异。

**3.5 挥发性代谢物及其代谢通路分析**

以VIP>1且FC≥2或FC≤0.5为标准，筛选出156种差异代谢物，包括63种萜烯类、23种酮类、13种酯类等。OPLS-DA模型经置换检验和CV-ANOVA验证。品种间成对比较显示，JG vs. JF（79种）、JG vs. ZG（78种）和ZZ vs. JG（78种）差异代谢物数量最多，而ZG vs. CN差异代谢物最少（19种），表明这两个品种代谢特征较为接近。KEGG富集分析显示，不同比较组富集的代谢通路存在差异，主要涉及"萜类化合物骨架生物合成"、"次生代谢物生物合成"及"倍半萜和三萜生物合成"等通路。

**3.6 香气活性物质筛选与rOAV分析**

以rOAV≥1为条件筛选出119种具有风味活性的化合物，进一步结合OPLS-DA模型VIP≥1标准，最终确认9种关键差异香气化合物：2-十一烯醛、（E）-2-十一烯醛、3-甲硫基丁醛、（-）-香芹醇乙酸酯、β-月桂烯、异佛尔酮、（5Z）-辛-1,5-二烯-3-酮、δ-十二内酯和3-甲基丁酸-2-苯乙酯。其中（5Z）-辛-1,5-二烯-3-酮的rOAV最高，呈现天竺葵和金属气味。这些化合物的rOAV值在品种间和产区间的差异直接决定了各品种的香气独特性。

**3.7 营养指标与香气物质相关性分析**

相关性热图显示，VB₁与叶黄素（r=0.671，p=0.006）和玉米黄质（r=0.555，p=0.032）显著正相关；油酸（C18:1n9c）与亚油酸（C18:2n6c）呈极显著正相关（r=0.914，p<0.001），并与δ-十二内酯（r=0.524，p=0.045）和3-甲基丁酸-2-苯乙酯（r=0.705，p=0.003）显著正相关。中长链不饱和脂肪酸之间高度协同积累，并与花卉特征酯类化合物显著相关，表明这些脂肪酸的协同积累可能为谷子花香形成提供了重要营养基础。

**3.8 基于PCA的挥发性代谢物综合评价**

提取前6个主成分（累计方差贡献率86.99%）构建综合评价函数F=0.46578f₁+0.16637f₂+0.08494f₃+0.07597f₄+0.03948f₅+0.03731f₆。综合评分排序为JG>CN>JF>ZG>ZZ。各品种呈现独特的挥发性化学特征：晋谷21以柑橘类醛类化合物化学丰度最高，长农47积累最多花卉相关酯类和萜烯类，晋汾107特异性积累酮类和醛类化合物，中谷19挥发性组成相对均衡，张杂10以萜烯类占比突出为特征。

**3.9 品种内区域变异分析**

生态因子对谷子品质具有高度选择性和组分特异性调控效应。土壤pH（r=0.523，p=0.045）和速效钾（r=0.675，p=0.006）与VB₁显著正相关；土壤pH与VB₂显著正相关（r=0.572，p=0.026）；土壤全氮与短链饱和脂肪酸C4:0显著正相关；生长季平均温度与长链单不饱和脂肪酸C22:1n9显著负相关。降水量、土壤有机质、土壤pH和速效磷均与2-十一烯醛、（E）-2-十一烯醛和异佛尔酮呈一致正相关趋势。主要脂肪酸和其余B族维生素组分未受生态因子显著影响，确认其积累主要受遗传背景控制。

**四、讨论与结论**

研究结果表明，生态因子仅对特定微量组分和功能性生物活性物质产生显著调控作用，而主要营养成分的积累主要由品种基因型决定，这解释了同一品种在不同产区风味分化的生态驱动机制。生态因子通过调控前体代谢通路间接驱动风味分化：昼夜温差大的长治产区有利于柑橘类醛类物质积累；沁县产区灌浆期日照时数较长促进类胡萝卜素积累进而驱动酯类合成；偏关产区低温低降水条件导致特异性积累（5Z）-辛-1,5-二烯-3-酮和3-甲硫基丁醛；东阳产区8月高温高湿加速多不饱和脂肪酸氧化降解，使萜烯类和醛类总量最高。

研究结论可归纳为：采用整合代谢组学方法，系统表征了山西省5个生态区代表性谷子品种的营养品质和香气特征；叶黄素和玉米黄质为优势类胡萝卜素组分，其中CNQX总含量最高；硫胺素为最丰富的B族维生素，ZGFY的B族维生素组成最均衡；JGFY的油酸和亚油酸含量最高，是特征香气形成的核心前体；鉴定出9种驱动品种风味差异的关键高理论气味潜力化合物；挥发性代谢物丰度和多样性综合评分排序为JG>CN>JF>ZG>ZZ，各品种呈现独特的挥发性化学特征；生态因子对谷子品质具有高度选择性调控作用，仅特定微量组分受环境影响显著，主要营养成分积累受基因型主导。这些化学特征数据为进一步开展感官驱动育种和风味导向的品质改良策略提供了理论基础。