甜瓜呈香组分及其合成途径研究进展

刘 潇，王瑞琪，刘 贺，温雪珊，时 月，赵晓燕，张 超

（1.北京市农林科学院 农产品加工与食品营养研究所，北京 100097；2.渤海大学，辽宁 锦州 121013；3.果蔬农产品保鲜与加工北京市重点实验室，北京 100097；4.农业农村部蔬菜产后处理重点实验室，北京 100097）

0 研究背景

香气是评价甜瓜最重要的品质特性之一[1]，极大地影响消费者购买意愿。甜瓜中挥发性组分主要由多种化学物质组成，包括酯类、醇类、醛类、酮类和萜类[2]。此外，一些含硫化合物，如S-甲基硫代丁酸酯、3-（甲硫基）丙醛、2-（甲硫基）乙酸乙酯、3-（甲硫基）丙酸乙酯和3-（甲硫基）乙酸丙酯，会对果实风味产生影响[3]。介绍甜瓜中挥发性组分及其香气特征，并综述挥发性组分生物合成途径和主要影响因素，以期为甜瓜风味研究提供参考。

1 甜瓜挥发性组分

甜瓜因其清香甜美风味而深受人们喜爱，这种风味是由多种挥发性组分共同组成的。甜瓜中挥发性组分多来源于氨基酸、脂肪酸或类胡萝卜素。依据化学基团分类，酯类、醇类和醛类是甜瓜中最主要的挥发性组分[4]，其他类型的挥发性组分有苯酮类、酮类、呋喃类、内酯类、单萜类和倍半萜类等。

目前在甜瓜中共发现了290多种不同的挥发性组分[5]，有研究者采用顶空固相微萃取（HS-SPME）结合气相色谱-质谱（GC-MS）技术[6]对39种甜瓜挥发性组分的种类和含量进行了测定。最终检测到146种挥发性组分，包括55种酯、23种醛、30种醇、15种酮、6种酸和17种其他化合物[7]。结果表明，不同品种甜瓜的挥发性组分和含量差异较大。在呼吸跃变型甜瓜品种中，挥发性组分大部分是酯化的，其含量通常高于非呼吸跃变型品种，如乙酸乙酯和2,3-丁二酰二乙酸酯。而在非呼吸跃变型品种中，挥发性组分多以醛和醇形式存在，如顺-6-壬烯醛、反-2-庚烯醛、反,顺-2,6-壬二烯醛及壬醛等和顺-3-壬烯醇、2,7-辛二醇、壬醇等[8]。

甜瓜中挥发性组分（含量＞3 μg/kg鲜质量）见表1。

表1 甜瓜中挥发性组分（含量＞3 μg/kg鲜质量）

2 甜瓜呈香组分香气特征

甜瓜挥发性组分众多，但并非所有挥发性组分都能对甜瓜特征性风味起决定性作用。只有较少的组分甚至是某一种化合物决定其风味，这类化合物是甜瓜的呈香组分，具有较高的香气活力值（OAV），即呈香组分的含量与其香气阈值的比值。当香气活力值大于或者等于1，则认为该组分对其香气有作用，且香气活力值越大，对整体香气的贡献度就越高。

2.1 不同品种间呈香组分的香气特征

甜瓜不同品种间的呈香组分同样也存在一定差异。例如，呼吸跃变型厚皮甜瓜果实呈香组分主要为乙酸乙酯、2-甲基乙酸丙酯、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸丁酯、2-甲基乙酸丁酯、乙酸苯甲酯等酯类物质。而非跃变型厚皮甜瓜主要为己醛、己烯醛等醛类及少量醇类物质。厚皮甜瓜主要呈香组分还包括含硫化合物如硫代戊酸乙酯、2-(甲硫基)乙酸甲酯、硫代乙酸甲酯[9]等。薄皮甜瓜呈香组分主要为乙酸乙酯、2-甲基乙酸丁酯、乙酸己酯和乙酸苯甲酯等酯类，其相对含量可占总芳香成分的49.71%～84.95%[10]。脂类含量高的甜瓜品种，多为呼吸跃变型品种，果香气浓郁；醛类、醇类含量高的甜瓜多为非呼吸跃变型品种，清香气较为明显[11-12]。

2.2 不同合成途径呈香组分的香气特征

根据甜瓜香气合成途径，可以将这些呈香组分的来源分为3种：脂肪酸途径、氨基酸途径和类胡萝卜素途径。

甜瓜在脂肪酸的代谢途径中会产生一些C4-C12醛及其相应的醇或者直链脂，这些挥发性组分中的每一种都为瓜果提供特定的香气和风味[13]。甜瓜中大多数酯类能发出果香和清香，例如乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、丁酸乙酯、戊酸甲酯、己酸乙酯、丙酸丁酯、甲酸戊酯等[14]。甜瓜中的一些醛类和醇类则能发出清香、新鲜、黄瓜般的气味，如顺-6-壬烯醛、反-2-庚烯醛、反,顺-2,6-壬二烯醛及壬醛和顺-3-壬烯醇及壬醇等[7]。而这其中含有的C6、C9直链化合物，对消费者感知甜瓜风味品质起重要作用[15]。

甜瓜中通过脂肪酸代谢的呈香组分及其香气特征见表2。

表2 甜瓜中通过脂肪酸代谢的呈香组分及其香气特征

甜瓜在氨基酸的代谢途径中主要产生一些支链酯[16]。而这其中的含硫酯、甲基支链酯与芳香酯相比虽然含量较低但却是甜瓜风味的主要贡献者[17]，例如，2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸甲酯（表3）。

甜瓜在类胡萝卜素途径中会产生罗布麻素类（Apocarotenoids）的萜类化合物[18]，包括β-紫罗酮、香叶酮（6,10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮）、假紫罗兰酮（6,10-二甲基-3,5,9-十一三烯-2-酮）、β-环柠檬醛、香叶醛、茶螺酮、α-大马士革酮和β-大马士革酮[11]。其中，β-紫罗酮是甜瓜非常重要的呈香组分（表3）。项目组前期研究发现物理方法或是化学方法处理的甜瓜汁中，β-紫罗酮均是主要呈香组分。

甜瓜中通过氨基酸与类胡萝卜素代谢的呈香组分及其香气特征见表3。

表3 甜瓜中通过氨基酸与类胡萝卜素代谢的呈香组分及其香气特征

目前，通过不同技术对甜瓜风味化合物进行测定并计算其香气活力值，结果显示甜瓜中主要的呈香物质是壬醛、辛醛、反-2-壬烯醛、顺-6-壬烯醛、反,顺-2,6-壬二烯醛、顺-3-壬烯醇、乙酸乙酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸乙酯和β-紫罗酮[19]。

3 甜瓜呈香组分合成途径

甜瓜呈香组分的来源根据其合成途径可分为3类：第一类来自脂肪酸，通过脂质氧化途径产生C6和C9醛，醛氢化形成醇[8]，然后醇乙酰化生成相应的酯[20]。第二类来自氨基酸，产生支链脂和酚类挥发物。第三类来源于类胡萝卜素，通过类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD）产生一系列类胡萝卜素类挥发性组分[21]。

3.1 脂肪酸途径

脂肪酸是机体生命活动的主要能量来源之一[22]，同时也是水果风味组成的重要前体物质。研究显示，采用外源亚麻酸和亚油酸处理番茄果实，果实中的己醛含量增加了12倍，己烯醛的含量增加14倍[23]。也就是说，通过外源添加脂肪酸可以显著提升番茄中呈香组分的含量，因此脂肪酸代谢途径在对番茄风味形成具有重要意义。

棕榈酸、棕榈油酸、亚油酸、α-亚麻酸和油酸是甜瓜中的主要脂肪酸，同时也是酯类物质的关键前体物质。脂肪酸的代谢过程中主要产生一些直链脂肪族醇、醛、酮和酯类物质。甜瓜中的青香型气味主要来自C6和C9的醛类及醇类物质[24]，它们是由脂肪酸经脂肪氧合酶（LOX）途径转化成氢过氧化物，再发生氧化、裂解及脱氢作用转化成相应的醛和醇类[25]，进一步形成酯类等。

甜瓜呈香组分脂肪酸代谢途径见图1。

甜瓜中含量丰富的呈香组分：C6挥发物[26]，包括己醛、反-2-己烯醛、顺-3-己烯醛和相应的醇，能给果实带来绿色、草绿色的气息，生物合成始于C18脂肪酸、亚油酸或亚麻酸[27]。在脂肪酸代谢途径中（图1），具有顺,顺-1,4-戊二烯结构的不饱和脂肪酸在脂肪氧合酶（LOX）催化下，生成氢过氧化物，氢过氧化物在氢过氧化物裂解酶（HPL）催化下裂解为9氢过氧化物或13氢过氧化物。生成醛类及羰基酸化合物，醛类物质会在乙醇脱氢酶（ADH）的作用下，进一步转化成相对应的醇类物质，醇类物质在醇酰基转移酶（AAT）与乙酰基辅酶A（acyl-CoA）作用下生成相应的酯类[28]。

图1 甜瓜呈香组分脂肪酸代谢途径

研究表明，甜瓜汁中的壬醛、壬醇、顺-6-壬烯醛、反-2-壬烯醛、反,顺-2,6-壬二烯醛、顺,顺-3,6-壬二烯醛，顺-2-壬烯醛、反,顺-3,6-壬烯-1-醇主要来源于脂肪酸代谢途径[29]。

以顺,顺-3,6-壬二烯醛为例，甜瓜中亚油酸/亚麻酸在9-脂肪氧合酶的催化下生成9-氢过氧化物，9-氢过氧化物可以作为氢过氧化物裂解酶（HPL）的反应底物，生成顺,顺-3,6-壬二烯醛，随后会在异构酶（ISO）的作用下生成反,顺-3,6-壬二烯醛，进一步在乙醇脱氢酶（ADH）的作用下，脱氢转化成反,顺-2,6-壬二烯醇，最后在醇酰基转移酶（AAT）与酰基辅酶A（acyl-CoA）作用下生成反,顺-2,6-壬二烯酯。另外，顺,顺-3,6-壬二烯醛也可以直接在乙醇脱氢酶（ADH）的作用下，脱氢转化成顺,顺-3,6-壬二烯醇，随后在醇酰基转移酶（AAT）与酰基辅酶A（acyl-CoA）作用下生成顺,顺-3,6-壬二烯酯。

3.2 氨基酸途径

酯类是水果中主要的呈香组分，也被认为是甜瓜独特香气的贡献者[30]，可以通过2种不同的代谢途径从初级代谢物中产生[31]。直链酯是通过脂肪酸途径合成[32]，而支链酯大多是通过氨基酸途径产生。氨基酸代谢途径中主要参与挥发性组分合成的有缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、半胱氨酸和苯丙氨酸等[33-34]。研究者发现甲基支链酯中占主导地位的2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸甲酯是甜瓜风味的主要贡献者[35]。除此之外，一些脂肪族或芳香族的醇类、酸类、醛类等化合物也是氨基酸代谢过程中的产物或中间物质[36]。总体来说，氨基酸分解代谢被认为是甜瓜中呈香组分的关键途径[33]，氨基酸通过一系列酶促反应最终转化为甜瓜挥发性组分（图2）。

具体来说，氨基酸最先经过2步共同的酶反应，其一是在丙酮酸脱氢酶的脱羧基作用下生成醛，再通过乙醇脱氢酶转化成醇。另一个是氨基酸在转氨酶（AT）的转氨基作用下形成支链酮酸，然后在乙醇脱氢酶的作用下生成醇或者是在丙酮酸脱氢酶（PDH）与辅酶A（CoA）作用下生成酰基辅酶A，在磷酸转移酶（AHP）作用下生成酸[37]。酯类的合成主要是上述代谢中转氨酶途径中，将氨基酸转化为相应的α-酮酸。然后，α-酮酸通过丙酮酸脱羧酶（PDC）催化的脱羧和丙酮酸脱氢酶（PDH）的脱氢作用进一步转化为醛。这种醛通过乙醇脱氢酶（ADH）迅速还原成相应的醇。随后，醇和酰基辅酶A被醇酰基转移酶（AAT）催化形成酯类（图2）。

以2-甲基丁酸乙酯为例，其代谢前体为L-异亮氨酸，随后脱羧脱氢生成为2-甲基丁醛，2-甲基丁醛再进一步通过乙醇脱氢酶（ADH）还原形成2-甲基丁醇，2-甲基丁醇最后在醇酰基转移酶（AAT）作用下，生成2-甲基丁酰辅酶A与乙酸酯化为2-甲基丁酸乙酯，而这种支链酯类挥发性组分是甜瓜中重要呈香组分。

甜瓜呈香组分支链氨基酸代谢途径见图2。

图2 甜瓜呈香组分支链氨基酸代谢途径

3.3 类胡萝卜素途径

类胡萝卜素是罗布麻素类（Apocarotenoids）的前体物质，罗布麻素类物质是一类由类胡萝卜素氧化裂解生成的萜类化合物的总称[18]，其中包括β-紫罗酮、香叶酮（6,10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮）、假紫罗兰酮（6,10-二甲基-3,5,9-十一三烯-2-酮）、β-环柠檬醛、香叶醛、茶螺酮、α-大马士革酮和β-大马士革酮[11]等。

以甜瓜呈香组分β-紫罗酮合成过程为例（图3），类胡萝卜素的前体物质异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基丙烯基二磷酸（DMAPP）通过缩合反应生成香叶基焦磷酸酯（GGPP）[38-39]。随后香叶基焦磷酸酯（GGPP）在八氢番茄红素合成酶（PSY）的作用下，生成八氢番茄红素（Phytoene），该过程也是一个重要的限速步骤[40]。之后再通过八氢番茄红素脱氢酶（PDS）和ζ-胡萝卜素脱氢酶（ZDS）的去饱和作用生成了番茄红素（Lycopene）[41]。再经过环化作用，由番茄红素环化酶（LCYB）负责环化番茄红素最终生成了β-胡萝卜素[42]。β-胡萝卜素继续作用会生成一系列黄质素类物质[43]。与此同时，在类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD1）的作用下，β-胡萝卜素在C9与C10或/和C9'与C10'键位发生裂解，生成β-紫罗酮[44]。

甜瓜呈香组分类胡萝卜素代谢途径见图3。

图3 甜瓜呈香组分类胡萝卜素代谢途径

β-紫罗酮是甜瓜中非常重要的呈香组分，是一种常见的芳香挥发物，存在于多种植物的组织中，如桂花、矮牵牛花和蔷薇的精油，以及多种水果和蔬菜中，包括胡萝卜、番茄、树莓、杏、李子、苹果和无花果[45-47]。β-紫罗酮是由类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD1）氧化裂解β-胡萝卜素生成的。类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD1）主要参与类胡萝卜素的生物合成[48]，并有助于水果和花卉的风味和香气的生成。另有研究发现，具有表达肽-PhCCD1结构酵母菌株的β-紫罗酮产量比携带天然酶的菌株高4倍。表明CCD1的蛋白质工程显著提高了代谢工程酵母合成β-紫罗酮的产量[49]。也就是说该酶在β-紫罗酮的合成中发挥了重要作用，也是影响β-紫罗酮合成的关键因素，所以在调控甜瓜香气的影响因素中，类胡萝卜素裂解双加氧酶（CCD1）也是非常重要的一环[50]。

4 结语

甜瓜中主要的呈香物质包括壬醛、辛醛、反-2-壬烯醛、顺-6-壬烯醛、反,顺-2,6-壬二烯醛、顺-3-壬烯醇、乙酸乙酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸乙酯和β-紫罗酮，其主要来自脂肪酸、氨基酸和类胡萝卜素。但是，这些呈香组分除了产生途径有所不同，而且还强烈依赖于其品种、基因、栽培技术、贮藏环境等条件[51-52]。在生理代谢过程中，脂氧合酶、乙醇脱氢酶、醇酰基转移酶、氢过氧化物裂解酶和类胡萝卜素裂解双加氧酶等是影响呈香组分形成和积累的关键酶。