光照光谱重塑芹菜挥发性代谢组与香气轮廓：自然温室光对比人工LED光

《Food Chemistry: X》：How light spectra reshape the volatile metabolome and aroma profile of celery: natural greenhouse light vs. artificial LED light

　　

光照光谱质量强烈影响挥发性物质的形成，但其对芹菜叶柄的影响仍不清楚。研究人员对自然温室光（CK）、暖白（3000 K）、冷白（6500 K）及红蓝（RB）LED下生长的芹菜叶柄进行评价，采用基于顶空固相微萃取-气相色谱-质谱（HS-SPME-GC–MS）的挥发性代谢组学与相对气味活性值（rOAV）分析。共检测并初步鉴定1789种挥发性有机化合物（VOCs），以萜类、酯类、酮类、杂环化合物和醇类为主。四种光照处理中，RB引起最清晰的多变量分离及最多上调积累的香气相关挥发物，而两种白光LED产生较相似轮廓。红蓝光照响应挥发物与萜类、苯丙氨酸、氨基酸及中心碳代谢相关。rOAV分析突出(5Z)-辛-1,5-二烯-3-酮、2-甲氧基-3,5-二甲基吡嗪、柠檬烯及罗勒烯异构体作为芹菜叶柄香气的候选气味活性标记物。这些结果支持在受控环境风味导向芹菜生产中使用红蓝光谱管理。

研究背景方面，芹菜（Apium graveolens L.）因营养与独特香气受消费者重视，其香气由多类挥发性有机化合物（VOCs）共同决定，包括萜类、醇类、醛类、酮类、酯类和杂环化合物等。环境因子尤其光照同时驱动光合作用与代谢信号网络，光质（光谱组成）作为次生代谢关键调控因子在紫苏、生菜、番茄、茶等作物中已被证实可重塑萜类、苯丙素及脂质衍生挥发物。现代可控环境农业（CEA）中宽谱白光LED（如3000 K暖白、6500 K冷白）与红蓝（RB）LED广泛应用，但芹菜可食叶柄在这些常见光谱下的挥发物与气味活性轮廓仍缺乏系统表征，且前期芹菜光调控研究多聚焦补光时长与紫外，未厘清光质效应。因此研究人员开展本研究，旨在以HS-SPME-GC–MS挥发性代谢组结合多元统计、KEGG通路与rOAV，明确自然温室光与三种LED光质对芹菜叶柄挥发组及香气的重塑机制，为风味导向光谱管理提供依据。该文发表于《Food Chemistry: X》。

关键技术方法上，研究人员以芹菜品种‘Dayehuang’为材料，设自然温室光CK、3000 K暖白LED、6500 K冷白LED、RB LED四处理，LED组维持PPFD 200 μmol·m^?2·s^?1、12 h·d^?1（DLI 8.6 mol·m^?2·d^?1），CK为温室日均DLI约5 mol·m^?2·d^?1，每处理3个生物重复各混样5株叶柄。采用HS-SPME-GC–MS（DB-5MS柱，EI 70 eV，m/z 35–500）进行广泛靶向挥发物检测与内标半定量；以OPLS-DA（VIP>1、|log₂FC|≥1、p<0.05）筛差异积累代谢物（DAMs）；用KEGG注释与富集关联通路；以VCF在线库与水相气味阈值计算rOAV（>1判气味活性物）；借PCA、HCA、风味轮、Sankey图与K-means聚类解析轮廓。

研究结果部分，3.1挥发性代谢组学分析显示芹菜叶柄挥发物以萜类、酯类主导，兼含酮、杂环、醇、醛、酸、酚等，PCA前两轴释54.87%与27.91%方差，RB组沿主成分明显脱离，3000 K与6500 K部分重叠；RB vs其余三组DAMs数最多且以上调为主（RB vs 3000 K上调91.5%，RB vs CK上调72.0%，RB vs 6500 K上调89.2%），两白光vs CK以下调为主，3000 K vs 6500 K仅193个DAMs。3.2差异积累代谢物筛选中OPLS-DA模型经200次置换检验（R²Y=1，Q² 0.959–0.996，p<0.005）证伪过拟合，严筛（VIP>1、FC≥2或≤0.5、p<0.05）得RB vs CK 725、RB vs 3000 K 762、RB vs 6500 K 573个DAMs，白光间仅189个。3.3类水平分布表明3000 K vs CK多类下调，6500 K vs CK升降并存，RB相关比较中萜类、酯类、杂环、酮类、醇类、酚类普遍上调，两白光间变动最小。3.4 K-means将DAMs分7亚类，亚类5与7在RB下显著积累；KEGG富集反复命中苯丙氨酸代谢、次生代谢物生物合成、倍半萜与三萜生物合成、氨基酸代谢及丙酮酸/TCA循环，确认RB响应连动中心碳-氨基酸-萜类模块。3.5基于描述符香气轮廓中，CK/3000 K/6500 K风味轮以绿、鲜、果香为主，RB比较中甜、果、木、柑橘调比重重排，Sankey图显示RB下化合物-感官属性连线更密，多物跨多感官类。3.6候选气味活性物经rOAV定位，(5Z)-辛-1,5-二烯-3酮各处理均最高且在RB达14382683±363314，2-甲氧基-3,5-二甲基吡嗪在CK与RB高显（焙烤/面包感），柠檬烯与反式-β-罗勒烯在RB下rOAV升至11631±323与6091±135，2,4-十一碳二烯醛、3-巯基-3-甲基丁酸甲酯等醛/硫酯在RB积累明显；两白光间rOAV分布差最小。

讨论部分总结，研究人员指出芹菜叶柄挥发组67.47%为萜、酯、酮、杂环、醇，RB通过红蓝光子重分配（R:B 2.07，红67.4%蓝32.6%）激活TPS与PAL关联通路，较单纯改变白光CCT（3000 K R:B 3.78、6500 K R:B 0.78）引发更广萜/酯/酮/杂环协同上调，使金属绿感(5Z)-辛-1,5-二烯-3酮、焙烤感甲氧基吡嗪、柑橘草感柠檬烯/罗勒烯成为区分标记；CK因DLI较低且环境不同构成局限，p值未校正多重检验故DAMs属候选。结论部分译为：综上，芹菜叶柄挥发组对LED光谱组成响应明显，红蓝光照较暖白/冷白产生更广且更具分化的气味活性轮廓，表现为萜类、酯类、酮类、杂环化合物协同上调，并确立(5Z)-辛-1,5-二烯-3酮、2-甲氧基-3,5-二甲基吡嗪、柠檬烯及罗勒烯异构体为候选气味活性标记；RB响应物关联萜类、苯丙氨酸、氨基酸及中心碳代谢，为可食叶柄光响应提供通路框架。融合挥发物丰度与rOAV优先级优于单计数评价，红蓝LED是风味导向芹菜栽培的具前景靶向光谱选项。该研究建立芹菜特异的光谱-挥发物-气味活性物链接框架，并为跨品种与生产周期感官验证提供可测化学端点。