代谢组学在水产品品质与安全中的研究进展

李锐 孙祖莉 杨贤庆 李来好 魏涯 岑剑伟 王晶赵永强

（1.中国水产科学研究院南海水产研究所 农业农村部水产品加工重点实验室，广州 510300；2.烟台大学生命科学学院，烟台 264005；3.海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心 大连工业大学，大连116034）

水产品营养价值高，是人类膳食中重要的动物蛋白质来源之一［1］。随着人们饮食习惯的改变，对鲜活及加工水产品的需求量逐年增加，但水产品受生长环境、微生物、贮运条件及加工方式等因素影响，具有易污染和易腐败变质等特点［2］，据统计，全球每年因腐败变质而失去食用价值的水产品占比高达30%［3］。随着生活水平的提高，消费者对于品质好、安全性高的水产品的需求不断增加，为此水产品品质与安全的分析检测成为研究热点。

科技高速发展，高通量检测技术也随之更新，以基因组学（Genomics）、转录组学（Transcriptomics）、蛋白质组学（Proteomics）和代谢组学（Metabonomics）为代表的组学技术得到迅速发展，并逐渐应用在解决食品安全、质量和营养等方面的问题，成为现代食品科学研究的重要工具［4-6］。其中，代谢组学是以最终代谢产物为研究对象，定性定量分析生物系统在受到刺激后机体内的小分子代谢物的变化情况，从而反映其应激代谢应答信息［7］。基因、转录和蛋白质3种组学技术主要是分析检测样品可能发生的变化，而代谢组学就是确定水产品以及水产品加工过程中使用的微生物的代谢物的变化。通过代谢组学检测分析，可以对引起水产品品质与质量安全变化的具体风险因子进行研究，对养殖营养代谢、微生物、贮运和加工等许多直接影响产品质量的因素进行全面分析，从分子水平探究水产品各项的理化指标变化的作用机制，为水产品品质与安全调控提供根源性、多角度及全方面的理论依据等优势［8-9］。近年来，越来越多的研究者将代谢组学技术应用于水产品安全与质量控制的研究中，从而更精确、深入了解水产品品质变化机理、探明其分子作用机制，提出了更合理有效的水产品品质与质量安全的调控方法。本文对代谢组学技术进行了介绍，综述了代谢组学技术在水产品原料鉴定、贮运保鲜、加工产品品质与安全领域的应用进展，旨对其进一步应用提供思路。

1 代谢组学概述

代谢组（Metabolome）是1998年Tweeddale等［10］在研究大肠杆菌的代谢时首次提出，定义为“代谢物整体”（Total metabolite pool），指细胞、组织、器官或者生物体内相对分子量小于1 kD的内源性小分子的集合。代谢组学通过应用各种高通量分析化学对实验样本进行系统分析，检测其中的内源性小分子代谢产物含量、组成成分，且利用模式识别方法对这种变化进行预测，确定生物标志物群体或者标志物簇（Biomarker clusters）［11］，以此寻找因刺激而受到影响的相关代谢途径，探究生物体内源性代谢物质整体及其变化规律。根据研究对象不同，代谢组学可以分为分析未知化合物的非靶向代谢组（Untargeted metabolomics）和研究已知化合物的靶向代谢组（Targeted metabolomics）［12］。非靶向代谢组学又称发现代谢组学，将对照组和实验组的代谢物进行比对，从中找出两组间的差异代谢物，并进行代谢物鉴定，进一步解释差异代谢物在其参与的代谢通路中发挥的生物学作用。与非靶向代谢组学相比，靶向代谢组学更具针对性，分析检测方法具有特异性强、灵敏度高、重复性好等特点，能对目标代谢物在样品中的绝对含量进行测定和分析验证，对非靶向代谢提出的假说［13-14］。靶向代谢组学是研究少数几种或几类结构、性质相似或生化功能相关的内源性代谢物，如与品质安全密切相关的脂质代谢组学、糖代谢组学和氨基酸代谢组学等［15］。

2 代谢组学技术

代谢组学以高能量检测和数据处理为手段，描绘出机体代谢物谱，即代谢轮廓，之后再利用统计学和生物信息学方法进行数据处理，研究机体的变化应答机制，为水产品品质变化与安全性的检测及调控开辟了一条新的道路。代谢组学技术的研究流程一般包括样品制备、样品预处理、化合物分离、检测及鉴定、数据分析［16］。

化合物分离和检测鉴定是代谢组学技术的核心步骤，在对样品进行处理之后，对代谢物进行检测鉴定的仪器分析技术至关重要［17］。在食品科学领域代谢组学常用的检测技术主要是有核磁共振（Nuclear magnetic resonance，NMR）技术和质谱技术［18］。由于样品中不同代谢物的分子量大小、极性、挥发性和稳定性有着很大的差别，所以不同的检测技术也都具有各自的优势与局限。核磁共振技术是代谢组学研究中最为常见的检测技术，其对样品要求简单，不需要复杂的前处理技术，具有对样品无破坏性的优点，能够客观研究样品内部化学变化和生化反应［19］。常用的核磁共振技术包括核磁共振氢谱（1H-NMR）、核磁共振碳谱（13C-NMR）、核磁共振氮谱（15N-NMR）和核磁共振磷谱（31P-NMR），其中以1H-NMR的应用最为广泛［20］。相较于NMR技术，质谱技术的分辨率和灵敏度更高［21］，质谱（Mass spectrometry，MS）、飞行时间质谱（Time of flight mass spectrometer，TOF/MS）和高分辨质谱（High resolution mass spectrometry，HRMS）是代谢组学研究中经常用到的技术，在研究中根据研究对象与目的不同可与气相色谱（Gas chromatography，GC）［22］、 液相色谱（Liquid chromatography，LC）［23］、毛细管电泳（Capillary electrophoresis，CE）［24］等技术联用，先对样品进行分离，再进行质谱检测。除了上述常用的质谱技术，快速蒸发离子化质谱（Rapid evaporative ionization mass spectrometry，REIMS）作为一种新兴起的技术具有无需前处理、检测时间短、能对样品进行高通量实时监测等优点，逐渐应用于代谢物的分析检测［25］。代谢组学得到的数据量巨大，先对原始数据进行预处理，保留与组分相关的信息，消除多余干扰因素的影响［26］，借助化学计量学对数据进行分析处理，主要包括主成分析（Principal component analysis，PCA）、聚类分析（Cluster analysis，CA）、最小二乘法（Partial least squares，PLS）、显著性分析（Discriminant analysis，DA）、偏最小二乘法-判别分析（PLS-DA）等方法［27］。

3 代谢组学在水产品品质与质量安全研究中的应用

从原料到产品，水产品从产地到消费者手中，引起其品质差异的差异主要包括：原料本身养殖方式、营养水平、产地来源的差异；贮运过程自身內源酶作用和外界刺激引起的不同程度的腐败变质；不同加工工艺产品的安全性、营养性差异。这些差异都会通过不同的代谢产物表现出来，通过对于其代谢产物的具体分析研究，可以更准确分析与评价水产品的食用品质与安全，但是代谢物的种类众多、结构复杂，想要获得更准确、更完善的代谢物分析也将是一项挑战。

3.1 代谢组学在水产养殖与营养中的应用

水产养殖条件与方式是提供优质水产品原料的重要条件，伴随水产养殖业的快速发展以及动物营养和饲料科学理论知识的普及，饲料在水产养殖中的需求与日俱增，不同的饲料种类与配比以及部分营养物质的添加对水产原料具体的营养品质有极大的影响。因此，需要进一步了解喂食不同饲料对水产动物体内营养代谢的影响，从而为养殖高品质的水产原料提供理论依据。

代谢组学可以对水产原料在养殖期间投喂饲料的生长代谢情况进行监测，对其引起的代谢活动、生物特性（抗氧化性、免疫力等）及营养组成的变化作出解释。中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis），又称河蟹，是我国主要的养殖蟹类之一。马倩倩［28］利用基于GC-MS代谢组学方法，探讨了不同脂肪源（棕榈油、橄榄油、红花籽油和紫苏籽油）对幼蟹生长及生理代谢的影响，以生长性能、抗氧化指标、免疫指标、消化酶活性、糖脂代谢酶活性以及肝胰腺组织结构的影响作为评价指标，发现四种不同脂肪源中棕榈油是一种较好的河蟹脂肪源，而紫苏油的促生长效果最差，过量添加还会引起肝胰腺的氧化应激，造成肝胰腺的氧化损伤；赵磊等［29］也通过GC法对以植物油代替鱼油作为饲料喂养的河蟹的脂质代谢水平进行测定，发现混合植物油合理替代鱼油有利于河蟹肝胰腺脂质的吸收、转运和积累，提高机体的抗氧化和免疫性能，减少氧化损伤。此类研究结果为开发中华绒螯蟹高脂饲料适宜脂肪源的选择、完善人工配合饲料提供了依据。Schock等［30］运用基于1H-NMR代谢组学技术评估了饲料中不同鱼粉含量（25%、50%和 100%）对军曹鱼（Rachycentron canadum）代谢的影响，发现饲料中鱼粉的含量与军曹鱼血清酪氨酸和甜菜碱水平呈负相关，与葡萄糖和乳酸水平呈正相关，表明饲料中鱼粉含量对军曹鱼的生长健康状况影响较大，含量减少会导致军曹鱼因缺营养物质维持生长被迫降解机体的蛋白质，从而导致机体本身蛋白含量降低。牛磺酸普遍存在于哺乳动物和水产动物中，具有参与脂肪代谢、氨基酸代谢、糖代谢以及渗透压的调节等生理功能，对鱼类的生长有促进作用，黄颖［31］基于NMR代谢组学技术对饲料中添加牛磺酸对尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）的影响进行探究，发现适量添加牛磺酸可以促进尼罗罗非鱼的生长速度以及提高粗脂质和粗蛋白水平，过量添加则会抑制生长，牛磺酸的添加对尼罗罗非鱼机体产生了显著影响，相关代谢通路涉及糖代谢、蛋白质合成与代谢、脂质合成与代谢、核苷酸代谢、牛磺酸合成等，研究揭示了牛磺酸对尼罗罗非鱼代谢的调控机制，为鱼类营养学研究提供依据。

水产动物饲料成分与其肌肉营养成分有很大的相关性，通过代谢组学技术研究水产养殖过程中饲料组成配比对水产动物代谢的影响，可了解不同饲料在水产动物生长代谢中的具体作用，总结代谢规律后根据其代谢规律优化养殖方式，进而可以提高水产品质。代谢组学的发展可为养殖高品质的水产原料提供合理可行的理论依据，为水产养殖产业带来更多机遇。

3.2 代谢组学在鉴别鉴定水产品原料中的应用

食品掺假、欺诈是世界性的问题，随着部分水产品因特殊的地理位置、养殖方式等原因具有较高的市场价值，为了获取更高的利润，市场上不乏以次充好的产品，造成水产品市场混乱，产品品质与安全得不到保障。对水产品的原料种类，产地的鉴别，是处于水产品供应链的质量控制的最初端的重要工作，由于水产品的原料与产品的化学组成复杂，不同原料与产品之间差异不明显，为鉴别工作提出了更高的要求。

代谢组学的发展为鉴别水产品品种和产地提供新的方法，通过代谢差异从而鉴定产品质量。Rochfort等［32］通过对澳大利亚蓝贻贝（Mytilus galloprovincialis）和新西兰绿唇贻贝（Perna canaliculus）进行了代谢组学评估，水性代谢物用NMR分析、脂质代谢物通过NMR和GC/MS分析，通过对NMR图谱进行主成分分析（PCA）判别，将M.galloprovincialis和P.canaliculus两个贻贝品种被分类开来，同时发现可以凭借某种化合物的含量就可将来自澳大利亚和新西兰的两种贻贝予以区分，但由于核磁共图谱所能提供的结构信息太少，作者未能鉴定出此化合物。脂质组学可获得各类水产品的脂质信息可以得到不同品种、生长环境的水产品脂质轮廓，对水产品进行鉴定，Aursand等［33］通过核磁共振碳谱（13C-NMR）与多变量数据分析结合对大西洋鲑（Salmo salar）的肌肉脂质进行检测分析，来区分野生和养殖大西洋鲑、鉴定其原产地和验证市场供应产品来源。因品种、生长环境、饲养情况的不同，水产品体内脂质的组成和成分也不相同，Shen等［34］采用鸟枪法比较了鲫鱼（Carassius auratus）、草鱼（Ctenopharyngodon idellus）、鲈鱼（Lateolabrax japonicus）三者之间以磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）和磷脂酰丝氨酸（PS）4类为主的磷脂成分的主要差异，发现可利用磷脂标记物对3种鱼肉进行鉴别。Song等［35-36］通过无需样品前处理的iKnife-REIMS（智能刀-快速蒸发离子化质谱）联用技术对三文鱼（Salmo salar、Oncorhynchus tshawytscha）和虹鳟鱼（Oncorhynchus mykiss）进行区分，也对4种不同的金枪鱼（Thunnus thynnus、Thunnus obesus、Thunnus albacares、Thunnus alaunga）进行了分析鉴定，获得了对应的脂质组学特征，为科学评估市售三文鱼和金枪鱼掺假情况提供了快速、实时、准确的鉴别方法。

因品种、生长环境、饲养情况的不同，水产品代谢物质的组成和成分也不相同，由此发现代谢组学在水产鉴别上有着独特的优势，不但能够对水产品原料本身具有很强的分析能力，并能更好的反映环境对水产品组分的影响。目前，代谢组学已经广泛应用于食品认证领域，但其在水产品产地来源鉴别和质量鉴定上应用相对较少，随着检测技术的更新以及检测方法逐渐简化，代谢组学技术在水产品原料鉴别鉴定领域可逐步增加应用，扩充水产品相关分析比对数据库的容量后，可开发成一种有用于渔业和食品机构追踪水产品的有用工具。

3.3 代谢组学在监控水产品贮运保鲜品质变化中的应用

贮运保鲜，一直是水产研究的热点领域，活体贮运时水产本身能够保持一部分活体的特性，能极大得保证水产品的品质，但在贮运期间，还是会由于环境的影响导致代谢情况发生变化。通常来说，水产贮运保鲜主要在水产品死亡后对其新鲜度的保护，在水产原料死后，其肌肉代谢方式从有氧代谢转变为无氧代谢，参与蛋白质水解的酶以及微生物将蛋白质降解为胺类等小分子物质，同时肌肉中的脂质物质也发生水解生成小分子化合物，使其新鲜度降低。水产品贮运期间普遍存在蛋白质水解氧化、脂质水解氧化引起的品质下降。

近年来，代谢组学技术在水产贮运以及水产加工制品品质方面的应用逐渐被研究者重视，能更深层次得了解和阐明水产品在贮运期间的生理变化［37］。陈山乔［38］为深入阐明在低温半无水活体储藏条件下扇贝（Argopecten irradians）的生理活动特点，进行了基于氯甲酸甲酯（MCF）衍生化 GC-MS的靶向代谢组学研究，经过模式识别模型的建立和代谢通路分析发现扇贝在低温离水环境下无氧呼吸加强、有氧呼吸受到抑制并非由缺氧引起，揭示了在扇贝半无水活体储藏的条件优化中氧气补充是一项次要条件；另外，扇贝在低温离水环境下能量代谢模式从终产物为乳酸改变为终产物为琥珀酸的通路也被检测到，并且发现了与其渗透失调、氧化损伤、神经系统紊乱和低温应激有关的数个生物标记物。Aru等［39］采用NMR代谢组学方法分析贻贝（Mytilus galloprovincialis）新鲜样品与在0℃保存10 d（取第2、6、10天）和4℃保存6 d（取第2、6天）样品的相关代谢特征，通过正交偏最小二乘判别分析（OPLSDA）揭示了新鲜样品和存储那些在0℃和4℃之间的明显区别，结果证明，在储存期间，乙酸盐、乳酸盐、琥珀酸盐、丙氨酸、支链氨基酸和三甲胺逐渐增加，而部分渗透物（甜菜碱、磺酸等）逐渐减少，这些代谢物与微生物计数的相关性表明它们被可用作腐败的潜在生物标志物。以上研究结果表明代谢组学技术可以作为提供水产品新鲜度信息的有力工具。Jaaskelainen等［40］也基于NMR代谢组学探究大西洋鲑和金枪鱼（Thunnus albacares）鱼片在真空包装3℃下冷藏12 d的品质变化情况，结果显示冷藏12 d后两种鱼片品质都有下降，但鲑鱼鱼片视为已经变质，并且发现三甲胺是主要的腐败产物，研究表明鲑鱼比金枪鱼更容易腐败。Chen等［41］通过鸟枪法脂质组学发现牡蛎（Crassostrea plicatula）在4℃贮藏7 d后，磷脂因磷脂酶的催化发生明显降解，而在-20℃下磷脂的含量几乎不改变，表明在不同的贮藏温度下，水产品贮藏过程中磷脂的水解机理与脂质水解酶活性有关。无独有偶，Wang 等［42］也通过鸟枪法脂质组学研究了不同贮藏期的草鱼肌肉组织中磷脂变化，结合微生物计数揭示了不同阶段微生物对磷脂氧化与降解规律。

水产品贮运保鲜对提高水产品经济价值极为重要，同时也是影响水产品安全与品质的重要环节，通过代谢组学对贮运期间代谢物的分析可以更好地了解水产品品质变化情况，不仅可以筛选出相关生物标记物作为监控水产品贮运保鲜情况的指标，同时在了解代谢路径后，能够从机理上解释水产品的腐败变质的原因，为贮运期间品质与安全的调控提供了更加科学有效的思路与方法，降低水产品在运输贮藏方面的损耗，保证产品质量。

3.4 代谢组学在确定水产加工产品品质及安全中的应用

水产品加工类型繁多，工艺繁简不一，加工工艺的不同、各类调味品的加入以及个别产品需要微生物的引入等，这些都会对其品质与安全产生影响。发酵和腌制是我国为提升水产品品质及延长货架期较为常见的加工方式。在发酵和腌制过程中很容易形成多样的微生物群落，并且产生大量的代谢物，除了产生对产品有益的物质，也会产生生物胺、亚硝酸盐等有害代谢物，对产品本身品质与安全存在不确定威胁。

代谢组学可以对发酵和腌制过程中物质的变化和风味物质的产生进行监控和分析、对加工后的成品进行检测，详细的代谢物组成为其质量和安全性的评定提供参考。Chen等［43］结合使用NMR和多变量数据分析研究了蟹酱在发酵过程中代谢物分布的动态演变，研究结果表明发酵对蟹膏质量有显著影响，质量变化表现为乳酸、甜菜碱、牛磺酸、三甲胺-N-氧化物、三角碱、肌苷、二磷酸腺苷、2-吡啶醇的下降，一系列氨基酸的波动以及谷氨酸、蔗糖、甲酸、乙酸盐、三甲胺和次黄嘌呤的积累，三甲胺含量随发酵水平的提高可作为蟹膏的新鲜度指标，这些结果为蟹膏的质量评价提供了依据，并证实了代谢组学技术是提供蟹黄膏质量重要信息的有效工具。Wang等［44］首次使用基于UHPLC-Q/TOFMS的代谢组学方法来评估中国鱼露的味道品质和代谢物特征，在发酵过程中从鱼酱样品中提取了总共22 816个代谢物离子特征，包括氨基酸、小肽、有机酸、胺和碳水化合物和核酸在内的46种代谢物被确定为鱼酱的关键化学成分。带鱼（Trichiutus lepturus）在我国分布广泛，产量高，通过食盐腌制和风干成熟制得的传统腌干带鱼因其独特的风味而广受欢迎，关于其研究主要集中于盐析过程中形成致癌亚硝胺的亚硝酸盐，而脂质氧化等方面研究较少。Wu等［45］为探究带鱼（深色肉、白色肉）在腌干过程带鱼的脂肪氧化情况，通过分析过氧化值（POV）、TBARS值、由GC-MS技术定量的脂肪酸（Fatty acids，FAS）和由ESI-MS/MS技术定量的三脂酰甘油（Triacylglycerols，TAG）来评估盐腌过程脂肪氧化情况，结果5种FA的营养指数显示，腌干加工对FA的营养价值的影响在白色肉鱼类中比在深色肉中更大；深色肉带鱼中的脂类成分以TAG为主，两种带鱼的TAG组成相同，但其在腌干过程变化趋势不同。该研究创新评估了带鱼腌干过程中脂肪氧化情况，为研究带鱼以及与带鱼相似的高脂鱼腌干过程脂肪氧化提供了新的思路，也为该类腌干鱼肉制品的规模化生产奠定理论基础。我国常见的带鱼烹饪方式为油炸，空气油炸由于安全方便、用油量少近年来逐渐替代传统油炸加工，张蒙娜等［46］将经空气油炸后的带鱼直接通过REIMS系统实时检测得到脂质组成，探究不同温度对脂肪酸和磷脂的影响，结果表明二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid，DHA）为含量最高的脂肪酸，含量最多的磷脂分子形式是磷脂酰乙醇胺（Phosphatidyl ethanolamines，PE）和磷脂酰胆碱（Phosphatidyl cholines，PC）；同时发现，脂质分子的饱和度随着油炸温度的升高而提高，DHA含量由38.91%降低至30.74%。空气油炸温度对食物品质有着较大的影响，该研究实时监测空气油炸对带鱼脂肪组成的影响，为控制空气油炸温度提供了理论指导。

代谢组学对水产发酵制品在发酵过程的化学成分进行广泛表征，以及解析发酵水产品品质相关微生物作用机制探明方面具有实用性，为发酵引起的水产品的口味品质提供了新颖的见解，并为以后的研究提供了指导。关于腌干鱼制品研究方面，目前主要集中在腌制加工过程亚硝酸盐及其胺类物质的产生规律和控制技术，以及传统加工方式向工业规模化现代化加工技术的推广进程。因此，代谢组学技术的引进，能够对腌干鱼工艺中的关键组分进行检测，除了定量有害物质，并能够对工艺中产生的对产品有益相关代谢物进行鉴定，能保障产品安全优质性。烹饪加工技术对居民饮食健康安全具有重要影响，通过代谢组学技术可以得到食物加工后的小分子物质具体组成，从而可以设计合理、安全、健康的烹饪条件，提高居民饮食质量。

4 总结与展望

中国作为世界渔业大国，为消费者提供品质高、质量安全有保障的水产品对提高我国居民健康水平、促进我国水产品加工产业高质量发展与保障我国“蓝色粮仓”战略实施具有重要意义。随着各种检测技术逐渐成熟、交叉互作，代谢组学技术逐渐应用于水产品原料鉴别、贮运保鲜和加工过程中标志指示物的筛选与分析，为水产品品质与安全调控奠定更详尽的理论基础。

由于水产品品质与安全变化中的代谢产物受养殖、贮运、加工等过程中多种因素的影响具有复杂性，不同的养殖环境、饲料组成、贮运条件、加工方式都会对水产品原料和加工产品造成直接或者间接的影响，要全方位地探究水产品品质变化的情况，单靠代谢组学技术检测分析具有局限性和片面性。因此，在相关问题研究中，可以加入基因组学、转录组学和蛋白质组学与代谢组学相结合，多组学技术联用可以多途径、系统性地分析水产品品质与安全变化机制，以弥补单一组学在研究中的不足。例如，水产品中自身蛋白变性、降解、氧化，以及脂肪氧化副产物促进水产品肌肉蛋白质发生氧化从而影响水产品品质，可蛋白质组学和代谢组学技术联用确定新鲜度指示的蛋白质点与标志代谢物，并研究在水产加工贮运期间脂肪氧化和蛋白氧化之间的相对作用。

现阶段关于多组学技术联用在水产品品质与安全应用较少，特别是在水产品贮运加工方面，需要多组学技术以不同切入点研究原料来源、微生物的组成与变化、蛋白质变性降解氧化、脂肪降解氧化及其与蛋白氧化之间的相互关系，从而进一步探究水产品品质与安全变化机理，更具针对性地调控相关品质衰败、产品安全问题。总体说来，代谢组学技术在研究水产品品质与安全中的应用有待进一步的提高，与其他组学技术联用，同时结合生物信息学、数学建模和建立数据库等方法，促进代谢组学技术在水产品品质安全中的应用，以保障品质好、安全性高的水产品供给。