果蔬风味物质形成的生物化学基础

孙嘉卿，冯涛，宋诗清，姚凌云，孙敏，王化田

（上海应用技术大学香料香精技术与工程学院，上海 201418）

水果是人类饮食的重要部分，也是平衡饮食中不可缺少的辅助食品和营养来源，含有较多的水分、维生素和膳食纤维，而脂肪和蛋白质含量较低。蔬菜作为低糖、低盐、低脂的健康食物，是人们摄取营养的重要途径。近年来，随着消费者风味需求的多元化，对果蔬中挥发物的重视程度逐渐增强。而果蔬风味物质的生物合成途径对解释多元风味的产生起决定性作用。事实上无论是采前还是采后，果蔬挥发物的表征都非常复杂，因此全面了解果蔬中挥发性化合物的化学和生物学特性对于提高新鲜果蔬的风味质量至关重要，也为今后果蔬风味的可控性研究提供思路。

1 果蔬风味物质的分类

1.1 果蔬的分类

古代水果被划分为五果，据《素问·脏气法时论》记载：五果是指枣、李、杏、栗、桃五种果实。中医上从性味将水果分为寒凉、甘平、温热水果。按照水果中所含糖分及酸的含量，还可以分为酸性、亚酸性、甜性、碱性水果。而基于呼吸作用的生理差异和成熟期对乙烯合成的依赖可将水果分为呼吸跃变型和非呼吸跃变型。蔬菜可以从食用器官、农业生物学、植物学角度进行分类。近年来有许多新的研究关注在更细化的分类上，如利用视觉捕捉技术设计的拾取机器人水果自动分类系统[1]；基于小型化便携式光谱成像技术的分类识别系统；张晨等[2]则对苹果和柑橘类水果进行了更深入地分类识别研究。可见对于果蔬的分类还有更多的空间有待发掘。

1.2 果蔬风味物质的分类

1.2.1 醛类、酮类、酯类、醇类、含硫化合物

食荚菜豆挥发性化合物主要为醇类、醛类、酯类、酮类、酸类等[3]。榴莲果肉中，挥发性成分以二烯丙基二硫醚、二烯丙基三硫醚等含硫化合物为主[4]。C6、C9 的醛类、醇类是黄瓜、甜瓜的主要风味物质。菠萝的挥发性成分中酯类物质占44.9%[5]。苹果挥发性物质中，低分子酯类物质占78%～92%，以丁酸乙酯、己酸乙酯、2-甲基丁基乙酸酯等为主[6]。氨茴酸甲酯和甲酸乙酯是果香型葡萄的特殊香气成分[7]。萝卜、白菜中含量最高的是异硫氰酸酯类[8]。由于醇的气味阈值高于醛同系物，因此醇作为风味剂的重要性不高。

1.2.2 苯酚和相关化合物

通常，挥发性酚和相关化合物是具有甲氧基、酚基、乙烯基或醛基的苯取代的衍生物，其特征香气成分为苯乙醇、香兰素、百里香酚和丁香酚等。葡萄挥发性物质中含有苯甲醇、苯乙醇、香草醛、香草酮及其衍生物[9]。酚类物质对橄榄果实的风味有很大的影响，尤其是对其苦涩味影响较大[10]。在竹笋的挥发性成分中则检测出3-羟基-2-丁酮、吲哚类成分及苯酚类物质[11]。

1.2.3 芳香族、脂肪族、杂环化合物

氨基酸代谢会生成脂肪族，芳香族，支链的醇、酸和羰基化合物，这些化合物进一步合成对水果风味至关重要的酯。当糖类与氨基酸相互作用时，会形成醛、烷基吡嗪、烷基噻唑啉等挥发性化合物以及其他因Strecker 降解而产生的杂环。这些化合物是许多水果中具有明显果味的重要挥发性物质。如在对桑葚的气味活性物质研究中发现，苯甲醛、苯乙醛、苯乙酮等芳香族化合物对香气有很大的贡献[12]。

1.2.4 萜类化合物

目前在果蔬中已发现超过5 万种萜类化合物，常见的有单萜、倍半萜等[13]。在单萜类化合物中，薄荷醇、月桂烯和芳樟醇作为植物精油的主要成分，是果实香味的主要来源[14]；R-柠檬烯通常占柑橘类水果精油的90%以上；S-芳樟醇在草莓香气中具有重要作用，对番茄等其他果蔬的香气也很重要[15]。倍半萜烯在橙果的香气中起重要作用；萜烯类化合物赋予葡萄令人愉悦的玫瑰香型风味，由于具有较低的感官阈值，即使含量不高，也能贡献出明显的香味[16]。

2 果蔬风味物质的采前生物合成途径

水果的典型风味物质大多在生长发育的成熟阶段产生。机体通过异化作用将来自环境或细胞自己储存的高分子量前体物质在酶的催化下一步步转化为较小的、简单的糖或酸类以及挥发性化合物，开始产生风味。蔬菜中风味物质的形成和水果中风味物质的形成有些差异，蔬菜的发育过程没有成熟期，大部分的香气物质都是在细胞破损时发生的。通过细胞破损使酶与原本隔离于细胞内的基质混合，产生挥发性物质。

2.1 碳水化合物代谢

植物体内高水平的碳水化合物对生长有很好的促进作用，植物通过光合作用获取能量，将二氧化碳变成糖类，再代谢为所需的养分，因此，可以说几乎所有的风味前体物质都间接来自碳水化合物的代谢，少数风味物质直接来自碳水化合物的代谢。对欧李的碳水化合物代谢研究中发现，植物体内的可溶性糖如葡萄糖、果糖等的含量多少与植物生长的风味形成密切相关[17]；枇杷花发育时，碳水化合物代谢为进一步代谢和风味的形成提供了最佳条件[18]；由六碳糖、低聚糖、高聚糖等碳水化合物为原料制备的羟甲基糠醛的含量对果蔬风味影响较大[19]。综上所述，果实的风味品质受香气浓度和糖分含量高低的影响[20]，大部分果实中挥发性香气物质是果实碳水化合物次生代谢的重要产物[21]。

2.2 脂肪酸氧化

2.2.1 α-氧化途径

α-氧化仅作用于C14-C18 链长的游离脂肪酸[22]，氧化途径见图1。当氧化降解的脂肪酸拆解到十二碳链以下时，α 氧化酶体系的活性逐渐减弱或消失，而十二碳链以下的脂肪酸即可循环其他氧化途径（如β-氧化）进行代谢。关于对果蔬α-氧化的研究，最早是Hicthcock 等[23]研究绿豌豆子叶脂肪酸的α-氧化分解，并提取α-氧化的数种中间产物，为深入研究脂肪酸α-氧化奠定了基础。但与β-氧化相比，α-氧化较少见。

2.2.2 β-氧化途径

β-氧化途径见图2。由图知直链酯成分被认为是通过脂肪酸的β-氧化合成的，然后在进行酯交换反应之前可以将其还原为相应的醇。葡萄中乙酸乙酯的含量最高，说明脂肪酸β 氧化酶高活性和专一性促使乙酸乙酯大量累积[24]。梨经β-氧化途径产成风味，一般认为癸二烯酸酯是梨风味的载体，是亚麻油酸发生β-氧化而生成的。

2.2.3 酶促氧化途径

有脂氧合酶（LOX）参加的氧化反应称为酶促氧化。LOX 又名脂肪氧化酶、脂肪加氧酶或类胡萝卜素氧化酶，专一催化含有顺,顺-1,4 戊二烯结构的多元不饱和脂肪酸的加氧反应，生成具有共轭双键的多元不饱和酸的氢过氧化物，产生风味。乙醇脱氢酶、氢过氧化物裂解酶、醇酰基转移酶等在香气物质形成的过程中也起到了重要作用[25]。

目前，已经在豆类、水稻、花生、黄瓜、番茄、苹果、桃等植物中发现LOX 的存在。LOX 在桃果实的己醛、反-2-乙烯醛等己醛类和醇类芳香化合物的合成、代谢过程中起决定性作用。经过脂肪酸途径合成的挥发性物质在多数葡萄品种中高达94%。LOX 代谢途径对猕猴桃果实风味物质尤其是酯类、醛酮类的合成至关重要。在蔬菜中，酶促氧化是导致甜玉米冻藏期间产生不良风味的重要因素之一[26]。在番茄果实的研究中，有结论表明LOX可能参与了香气物质C5 的形成[27]。

2.3 萜类化合物合成途径

萜类化合物从其前体物质到结构、功能各异的终产物的生物合成过程包括了三个阶段（见图3），分别为异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基烯丙基焦磷酸（DMAPP）的合成，香叶基焦磷酸（GPP）、香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）、法呢基焦磷酸（FPP）的合成，萜类化合物碳骨架的形成及修饰[28]。GPP、FPP、GGPP 在TPS 催化下形成萜类化合物碳骨架或最终萜类化合物。

2.4 氨基酸代谢途径

在各种水果和蔬菜中发现的含有低碳数的醇、醛、酸、酯等一系列有机化合物和芳香化合物，多为氨基酸通过脱氨酶、脱羧酶、脱氢酶和酯合成酶等合成丁子香酚（丁香）、茴香脑（茴芹）等风味物质[29]。其合成过程一般为氨基酸通过转氨过程生成支链酮酸，再在脱羧酶、辅酶A、醇脱氢酶等的作用下生成相应的醛、醇、酯，并产生风味[30]。

有研究表明，以直链氨基酸L-亮氨酸为前体通过生物合成能产生苹果和香蕉的一些特征风味。亮氨酸通过Strecker 降解可形成3-甲基-1-丁醇；苯丙氨酸和色氨酸可转化生成苯甲醛；在酵母菌的作用下，苯丙氨酸可形成苯丙烷和苯类化合物[31]。苯乙醇赋予果蔬发酵香和玫瑰香；2-苯基乙醛对番茄风味有重要贡献。在低浓度下，两种化合物都具有令人愉悦的水果味，并且也是许多种花香的主要贡献者。大蒜中最初的含硫风味成分γ-谷氨酰半胱氨酸，也是通过氨基酸代谢途径产生的[32]。

综上，水果和蔬菜风味物质生成的主要途径以及相关风味物质见图4、图5[33]。

3 果蔬风味物质的采后生物合成途径

3.1 乙烯代谢

果蔬采后生理学研究最早开始于20 世纪30 年代，主要围绕新鲜果蔬的保存运输、延长贮藏期、减损增值来展开，近年来发展迅速[34]。水果采后大部分通过内源乙烯含量以及自身的呼吸作用产生风味物质。非呼吸跃变型的草莓，采后乙烯释放呈明显上升趋势。呼吸跃变型的芒果，呼吸强度和乙烯含量在果实成熟时都经历了低值-上升-下降的过程，其中单萜的含量先增后减，大部分倍半烯萜类也开始合成，酯类物质的含量在后熟期间显著增加。

3.2 人工发酵工程

3.2.1 生物合成

生物合成法主要是指利用微生物的自身代谢作用，在静置期合成和积累对于细胞生长非必需的次生代谢产物。不同的菌种对发酵风味有很大的影响[35]。比较常见的应用是果酒的生产，目前已有许多研究对苹果、葡萄、青梅等各种果蔬发酵展开。葡萄汁发酵后产生大量芳香类烷烃物质，能增加香气；青瓜汁发酵后醇类物质含量的增加，使酒味、刺激性气味增强，但发酵后过酸。类似梨和苹果等的一些主要水果在发酵后酸甜感适中，特征香气物质增加，尤其是原有的果香和花香；橙汁中萜烯类物质变化使新鲜气息降低、发酵气味增强。果蔬汁发酵后游离氨基酸总量下降，芳香族氨基酸和苯衍生风味物质增加。

3.2.2 生物转化

生物转化也称生物催化，是指利用活的植物细胞、酶或微生物，以羟基脂肪酸、非羟基脂肪酸和脂肪酸酯等为底物，将化合物转化成γ-羟基脂肪酸，然后再进一步转化为内酯。近年来，已分离出由微生物通过生物转化产生的各种风味化合物。将酶类添加到果蔬生产中，能有效改善其感官品质和风味，如在柑橘类水果中将果胶酶真空灌注，能降低柑橘皮苦味；在腌制或酸洗的过程中增强果蔬的挥发性和芳香性。香兰素的生物转化技术制备，多采用木质素、丁子香酚等做前体物，但转化率和产量偏低。田红玉等[36]认为阿魏酸作前体物质、以辣椒素为原料，在羧酸酯酶的作用下转化为香草基胺，然后在风味蛋白香草基醇氧化酶的作用下通过两步生物转化制备香兰素，很有发展前景。

4 果蔬风味变化的影响因素

4.1 矿物质营养

及时、平衡地获取矿物质营养对于保持最佳的植物品质至关重要。常用的矿物质营养来源于肥料氮磷钾，对于草莓果实，适当地施用氮肥可以增加浆果中风味成分的含量[37]；过量施氮则会降低叶菜类蔬菜（如芹菜）的风味[38]。磷肥增加了葡萄中单萜的含量，有助于葡萄的独特风味和香气的形成。钾肥可以增加维生素C、氨基酸等物质的含量，从而改善果蔬的食用风味[39]。最高氮磷钾施肥水平能够提高赤霞珠葡萄己二醛和2-己烯醛的含量；较低的肥力水平能提高葡萄汁中己酸和乙酸己酯的含量[40]；施用鸡粪和羊粪也可以改善番茄果实风味品质[41]。

4.2 水分

适度水分亏缺有利于果蔬香气物质的合成，而过度的水分胁迫会抑制香气物质的积累[42]。单萜类香气物质的种类受水分影响较大[43]。对于草莓，有研究发现分根灌溉条件下灌溉量为土壤田间最大持水量的80%时，具有较好的营养优势与风味优势[44]。通过降低滴灌速率可使葡萄中的3-甲基丁酸辛酸和癸酸乙酯的含量显著增加，这表明可以在不同的灌溉方式下获得高品质的葡萄汁和葡萄酒。因此，在降水不足的时期进行灌溉，尤其是滴灌，目前已成为世界上许多温带葡萄酒产区的一种常见的灌溉方式，它是控制葡萄的营养和生殖阶段的有效手段[45]。

4.3 生长调节剂的使用

采前喷施天然的植物生长调节剂，如茉莉酸、茉莉酸甲酯对风味品质也有影响[46]。植物生长调节剂处理后的葡萄酒，其胡椒的香气特征有所增强[47]。气调保鲜技术与1-甲基环丙烯（1-MCP）联合处理蓝莓，货架期可延缓，货架期间醛类成分流失[48]。通过1-MCP 处理不会降低苹果乙酸乙酯浓度[49]。外源植物生长调节物质对果实风味也有不同程度的影响[50]。噻苯隆具有生长素和细胞分裂素的双重作用，浓度较高时对甜瓜中挥发性风味组成和滋味影响较大；喷施在苹果叶面能显著增加风味物质种类，改变香气成分相对含量[51]。氯吡苯脲会导致萜类物质，如里那醇、香叶醇等相对含量的降低，使果实风味变淡[52]；同时也会使厚皮甜瓜、西瓜中风味物质的种类和含量明显降低[53]。

4.4 果实不同组织

在对葡萄的研究中发现，果皮的存在减少了黄酮、酸和酯的含量，而大多数酚类物质却不断增加[54]。桃果实不同部位的挥发性物质种类和含量差异也较为显著。一般果皮中各种直链和支链烃类化合物、醛、醇、酮、酯和芳香物质含量均显著高于果肉中含量。顶部和底部果肉中的挥发物主要是不饱和内酯的相对浓度不同，内酯类成分在果肉中的分布为：顶部高于中部高于底部，且差异显著；苯甲醛浓度在靠近核仁部位最高，推测其可能由苦杏仁苷酶水解而来。

4.5 温度

温度是植物生长发育的关键因素，对果实风味影响较大。如冷凉气候对葡萄和葡萄酒C6 化合物合成有一定的促进作用[55]。低温贮藏可抑制猕猴桃的脂肪酸代谢活性，使果实的脂类物质含量降低，醛酮类物质含量增加，从而较好地维持果实的特征风味[56]。在0 ℃的条件下贮藏保存软枣猕猴桃风味最佳[57]。温度升高导致大多数风味成分减少，特别是除异戊醇外的风味成分均减少，而异戊醇却大幅增加，导致明显的杂醇味和苦味。

5 展望

作为果蔬品质评判的重要指标和关键部分，果蔬中挥发性风味物质的阈值浓度、占比、相互作用以及自身的可溶性糖、酸度等对风味指标表现出的高相关性是通过何种方式和相互作用进行的需要进一步探讨和验证。对于特征风味物质的生物代谢途径，以脂肪酸氧化为例，不同酶的作用在对果蔬进行发酵处理等人工生物技术干预的时候，发酵原料、发酵菌种、发酵方法、澄清方法等各方面的操作条件和因素对其风味的形成、香气协同作用也有很大的影响。如何通过调控酶的活性或底物的供应来调整果实的香气及这些代谢相关酶和基因如何对外界刺激做出响应等问题，仍需要进一步探索。对于水果蔬菜进一步制成的产物，例如果醋、果酱、果茶、酸奶等，我们可以通过开发更高品质的产品，改良其风味品质，进一步挖掘其市场潜力[58]。

目前为止，对于果蔬采收前后成熟度的判断没有严格的标准，种植者往往通过经验判断，但易造成产品质量参差不齐，且会对后期深加工产品的质量造成不利影响。低场核磁共振（LF-NMR）等技术，具有无损便捷、准确实时获得数据、样品用量少等优点，可以多维度地通过各项生理指标对水果的成熟度进行更为准确地判断，而后建立一个较为系统的判断标准，有助于更加准确地判断采收期，以产生更好的风味[59]。同时，加强采前培育阶段的管理，以延长果蔬的采后贮藏寿命、加强果实香气成分的积累和释放、减少因冷害引起的经济损失等方面的重视程度也有待提高。