整合挥发组学、非靶向代谢组学与电子感官技术揭示‘Queen Nina’鲜食葡萄成熟过程中风味演变机制

《Food Chemistry: X》：Integration of volatilomics, non-targeted metabolomics, and electronic sensory technologies reveals the flavor evolution mechanism in ‘Queen Nina’ table grapes during ripening

　　

摘要专业翻译 整合挥发组学（volatilomics）、非靶向代谢组学（non-targeted metabolomics）和电子感官技术揭示‘Queen Nina’鲜食葡萄成熟过程中的风味演变机制 ‘Queen Nina’是一种四倍体鲜食葡萄品种，因其独特的果香、奶油和红酒风味而备受青睐。然而，其成熟过程中风味形成的潜在机制仍未被充分阐明。本研究整合了挥发组学、非靶向代谢组学和电子感官技术，系统分析了采自中国云南宾川县的‘Queen Nina’葡萄在三个发育阶段（花后40天、70天和100天）的风味动态变化。共鉴定出292种挥发性有机化合物（VOCs）和3529种非挥发性代谢物（NVMs）。随着果实成熟，由脂氧合酶（LOX）途径衍生的赋予“青草”气味的C6醛类和醇类物质含量下降，而酯类物质显著积累。基于相对气味活度值（ROAV）分析，丁酸乙酯、己酸乙酯及其支链衍生物被确定为关键的“果香-奶酪香”香气标记物。电子鼻和电子舌分析证实了从“青草”到“果香-奶酪香”风味的转变，其中硫化物和芳香族化合物的响应值增加，同时甜味和鲜味增强。非靶向代谢组学揭示了显著的代谢重编程，涉及碳水化合物、脂肪酸和氨基酸代谢。相关性分析阐明了初级代谢（如糖酵解、三羧酸循环（TCA循环））与次级代谢（如萜类、苯丙烷类生物合成）之间的协同作用。这些发现构建了一个全面的代谢图谱，阐明了‘Queen Nina’葡萄风味演变的机制，并为鲜食葡萄的品质改良提供了理论基础。

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1. 研究背景与科学问题

‘Queen Nina’作为一种高品质的四倍体鲜食葡萄，以其独特的果香、奶油和红酒般复杂风味在全球高端消费市场备受关注。然而，尽管已知酯类是其典型风味的关键决定因素，但关于其成熟过程中，挥发性有机化合物（VOCs）与非挥发性物质如何协同贡献于整体风味感知的研究尚不充分。特别是，对于形成其特征风味和香气所涉及的差异化合物及其代谢通路间的调控机制，仍缺乏深入探索。因此，阐明‘Queen Nina’葡萄在成熟过程中风味演变的分子机制，对于精准调控果实品质具有重要意义。

2. 研究设计与核心结论

为解决上述问题，研究人员采用了一种结合挥发组学、非靶向代谢组学和电子感官技术的综合策略，系统比较分析了来自中国云南宾川县主产区的‘Queen Nina’葡萄在三个代表性发育阶段——花后40天（DAF40，幼果期）、70天（DAF70，转色期）和100天（DAF100，商业成熟期）——的风味动态变化。研究发现，随着果实成熟，葡萄的风味谱发生了从“青草味”向“果香-奶酪香”的显著转变。这一转变的核心驱动力是脂氧合酶（LOX）途径衍生的C₆醛类和醇类的减少，以及酯类物质的大量积累。通过相对气味活度值（ROAV）分析，丁酸乙酯和己酸乙酯等短链至中链酯类被确认为构成成熟果实特征“奶酪香”的关键香气标记物。此外，非靶向代谢组学揭示了果实成熟过程中涉及碳水化合物、脂肪酸和氨基酸代谢的显著重编程，并阐明了初级代谢与次级代谢之间的协同作用，共同塑造了最终的风味轮廓。

3. 关键技术方法

为开展此项研究，研究人员采用了以下关键技术方法：

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  样品采集与处理：样品采集自中国云南省大理州宾川县的一个商业果园。研究人员在花后40天（DAF40）、70天（DAF70）和100天（DAF100）这三个关键发育阶段采集‘Queen Nina’葡萄浆果。
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  挥发组学分析：采用顶空固相微萃取结合气相色谱-质谱联用技术（HS-SPME-GC-MS）对挥发性有机化合物（VOCs）进行定性和半定量分析。利用相对气味活度值（ROAV）评估各VOC对整体香气的贡献。
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  非靶向代谢组学分析：采用超高效液相色谱-质谱联用技术（UHPLC-MS）对非挥发性代谢物（NVMs）进行广泛靶向检测与分析。
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  电子感官技术：使用电子鼻（E-nose）系统分析整体香气指纹图谱；使用电子舌（E-tongue）系统客观评价酸、甜、苦、咸、鲜等味觉特征。
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  统计分析：运用主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）等多变量统计方法进行数据降维和差异代谢物筛选。

4. 主要研究结果

3.1 不同发育阶段葡萄果实特性观察

研究表明，‘Queen Nina’葡萄果实发育遵循双S型生长曲线。DAF40的果实酸涩，果肉坚实；而DAF100的成熟果实则表现出丰富醇厚的风味、甜美的余味、柔嫩多汁的果肉，并伴有持久的“酒香”和“奶酪香”。物理指标方面，果实的横径、单果重和可溶性固形物含量（从13.83%增至19.26%）均随成熟过程逐渐增加。

3.2 不同成熟度的能量代谢物质

随着果实成熟，可滴定酸度逐渐降低，而总糖含量从87.38 mg/g增加到141.63 mg/g。代谢组学分析显示，主要的有机酸是苹果酸和少量柠檬酸（未检测到酒石酸），其含量均随发育逐渐下降。主要的糖类是葡萄糖和果糖，其中果糖的相对甜度更高，其在成熟期的比例增加显著增强了果实的感知甜度。

3.3 挥发性有机化合物（VOCs）的概况与组成变化

研究共鉴定出292种VOCs，其中酯类、醇类和碳氢化合物是主要类别。由LOX途径产生的C₆醛类和醇类（赋予“青草”味）在成熟过程中丰度下降，而酯类物质丰度上升。这表明‘Queen Nina’风味从“青草味”向“果味”的转变不仅由LOX活性下降驱动，也由酯类生物合成途径的激活驱动。

3.4 核心差异VOCs的鉴定及其时间模式

通过OPLS-DA和Venn图分析，筛选出44种共同的差异VOCs。K-means聚类分析揭示了不同的时间积累模式。例如，聚类3中的（Z）-3-己烯-1-醇等LOX衍生化合物持续下降；而聚类5中的（E）-2-己烯-1-醇乙酸酯、3-羟基丁酸乙酯等多种酯类则在DAF70至DAF100期间急剧增加，表明此时期是酯类合成的关键阶段。

3.5 ROAV与感官描述词揭示的关键香气贡献者

ROAV分析确定了22种关键香气活性化合物（ROAV > 0.1）。在DAF100阶段，丁酸乙酯、己酸乙酯及其支链衍生物（如3-甲基丁酸乙酯）展现出极高的ROAV值，是构成成熟果实“果香”、“菠萝”、“奶油”和“奶酪”等特征香气的主要贡献者。这与先前报道的同一品种的标记物有所不同，可能归因于宾川地区独特的地理和气候条件促进了酯类生物合成。

3.6 仿生感官表征（电子鼻与电子舌）

电子鼻PCA分析显示不同发育阶段的香气轮廓分离清晰。雷达图表明，成熟果实的香气主要由含硫化合物、芳香族化合物和氮氧化物等构成，其中对硫化物敏感的传感器响应值在DAF100显著增强，暗示硫化物对成熟期香气复杂性有重要贡献。电子舌分析则表明，DAF100的样品在甜味和鲜味维度上得分最高，而DAF40则以高酸度和涩味为主，这印证了糖酸平衡的转变。

3.7 非靶向代谢组学与核心差异非挥发性代谢物的表征

非靶向代谢组学共检测到3529种非挥发性代谢物，包括萜类、脂肪酸、苯丙烷类衍生物等。通过比较分析，筛选出355种共同的差异代谢物。进一步分析发现，碳水化合物代谢物（如糖类）的积累与可溶性固形物含量的增加一致；而脂肪酸和氨基酸类代谢物的显著变化，为酯类等挥发性物质的合成提供了前体。

5. 总结与结论

本研究的讨论部分强调了‘Queen Nina’葡萄风味演变的复杂性，指出酯类驱动的“果香-奶酪香”是其区别于其他品种的核心特征。研究结论如下：本研究通过整合挥发组学、非靶向代谢组学和电子感官技术，首次全面描绘了‘Queen Nina’鲜食葡萄在成熟过程中的风味演变代谢图谱。结果表明，风味从“青草味”向“果香-奶酪香”的转变是由脂氧合酶（LOX）途径活性下降和酯类生物合成途径激活共同驱动的。丁酸乙酯和己酸乙酯等短链至中链酯类被确立为关键香气标记物。初级代谢（如糖酵解、三羧酸循环（TCA循环））与次级代谢（如脂肪酸和氨基酸衍生物合成）之间的协同作用为风味化合物的形成提供了物质基础。这些发现为理解鲜食葡萄风味形成机制提供了坚实的理论依据，并为未来通过栽培措施或育种手段定向改善葡萄风味品质指明了方向。