植物性食物中风味物质的生物成味研究进展

王彦波, 张云真, 李文璐, 曾 黉

(北京工商大学 食品与健康学院/老年营养与健康教育部重点实验室, 北京 100048)

植物性食物是指来源于植物可食用部分的食物,包括水果,蔬菜,粮谷,豆类,坚果,油料作物,以及植物相关制品。植物性食物是居民健康膳食结构中的重要支柱,是维持人体营养均衡不可或缺的一部分,除了可以提供碳水化合物、蛋白质、脂肪三大基础营养素,还是多种膳食纤维、维生素和矿物质的主要来源。植物性食物有助于提高减重效果、改善肠道健康、降低一些慢病风险等,对维持人体健康具有重要作用。此外,从“低碳”角度,植物性食物具有资源利用率高和环境负担低的优势,对推动可持续发展具有积极意义。随着生活水平的日益提高,人们对饮食的品质提出了更高的要求,风味也成为影响消费者喜好的关键因素之一。植物性食物种类与风味丰富多样,可以为消费者提供多样化的食物选择,因此基于植物性食物的风味物质合成和调控引起了广泛关注,加速相关食品的风味改良与创新意义重大[1-3]。在酶和微生物等生物媒介作用下生成的食物风味符合消费者对天然、安全、无添加剂或少添加剂食物的期待,因此系统深入研究植物性食物的生物成味机制,掌握复杂食物体系中生物成味的关键生物媒介、反应过程与互作关系,才能为植物性食物的风味调控与价值提升提供科学的指导。

植物性食物的生物成味涉及内源性与外源性两方面的过程。内源性生物成味主要发生在植物生长成熟以及储存的过程中,在自身内源酶的作用下发生相关的碳水化合物代谢、脂肪酸代谢、蛋白质代谢等生物转化过程,由此生成的醇、醛、酮、酸、酯、酚、杂环以及萜烯等挥发性物质赋予食物独特的气味,生成的其他非挥发性物质则可赋予食物甜味、酸味、苦味、鲜味等独特滋味。植物性食物外源性生物成味主要发生在食物的加工处理过程中,需要借助外来的酶和微生物,通过生物催化、发酵等手段,人为调控代谢途径,定向生成目标风味物质或抑制不良风味物质的产生。本文基于风味物质的结构特点,介绍了植物性食品中关键风味物质的组成种类与呈味特性,总结了近年来国内外植物性食物的内源性与外源性生物成味机制与前沿进展。随着多学科交叉、多组学技术等的联用,将对植物性食物生物成味的关键途径与互作机制有更充分和深入的认识,这将为植物性食品的风味优化与产品创新提供无限的可能。

1 植物性食物中主要风味物质的组成

对于大多数植物来说,风味物质是代谢途径的直接产物或最终产物之间相互作用的结果,该过程与果实生长成熟以及加工处理过程密切相关。这些风味物质丰富多样,为植物性食物提供了独特而丰富的风味特征。从化学结构角度来看,植物性食物中的主要风味物质包括脂肪族、芳香族以及杂环化合物等,其中萜烯类化合物因其独特的风味,在本文中单独予以介绍[4-5]。

1.1 脂肪族化合物

脂肪族醛类、酮类、酯类、醇类、酸类以及含硫、含氮化合物是植物食物中常见的风味化合物[4-5]。酮存在于多种植物中,如2-十一酮有柑橘类香气,2,3-丁二酮有奶油气味[6-7]。番茄中的硝酸戊酯、和5-乙基环戊烯-1-甲醛能够赋予其花果香和甜感,脂肪族氨基酸如谷氨酸、赖氨酸能够赋予其鲜味,而酸味主要来自柠檬酸和苹果酸[8-9]。成熟“富士”苹果果实中浓郁的果香味主要来自挥发性化合物异戊酸己酯、2-己烯醛、己酸己酯和丁酸3-甲基戊酯等[10]。菠萝中检测到的主要风味物质包括:癸醛、辛酸乙酯、乙酸、1-己醇、γ-己内酯、γ-辛内酯、δ-十八内酯、γ-癸内酯和γ-十二内酯等[11]。二甲基硫醚、1-丙硫醇、3-巯基-3-甲基丁醇、3-甲基-2-丁烯-1-硫醇等含硫化合物对甜瓜的特殊风味起到了关键作用[12]。

1.2 芳香族化合物与杂环化合物

芳香族化合物在植物性食物的风味物质中具有重要地位,其中包括酚、芳香醚、芳香醛、芳香酸和酯等,如肉桂酸侧链还原形成的水杨酸甲酯、松柏醇、甲基胡椒酚等,酚类被甲氧基、酚基、乙烯基或醛基的苯取代的衍生物苯乙醇、香兰素、百里香酚和丁香酚等[13]。多酚是芳香族化合物中非常具有特色的复杂次生代谢产物,它们以自由和结合的形式存在于植物基质中,游离酚类化合物可以赋予并增强植物性食物特殊的芳香风味。蔷薇属果实中含有儿茶素、原花青素、香草酸等酚类物质[14],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[15]。此外,当糖类与氨基酸相互作用时,会形成烷基吡嗪、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,这些化合物是使得多数水果中具有明显果味的重要挥发性物质。例如在葡萄发酵过程中氨基酸代谢生成的含氮杂环物质——甲氧基吡嗪,能够赋予葡萄酒浓郁的青椒、芦笋甚至泥土味[16]。

1.3 萜烯类化合物

萜烯是一类由多个异戊二烯骨架单元构成的天然风味物质,存在于多种植物性食物中,常见的有单萜、倍半萜等,大多数萜烯是无色液体,密度低于水。这些挥发性香气化合物使得水果带有明显的特征花香风味[17]。例如,葡萄虽然只含有适量的萜烯,但这些化合物使其具有明显的令人愉悦的玫瑰风味[18]。葡萄中的香叶醇、橙花醇等是重要的单萜类香气化合物,能够赋予葡萄酒花香、果香和柑橘类香气[16]。此外,橙子含有的α-蒎烯、γ-萜品烯等风味物质[19],以及芒果含有的蒎烯、β-月桂烯等萜烯类化合物都能够赋予它们独特的香气[20]。

表1汇总了植物性食物中一些典型挥发性风味物质的风味特性与阈值。

表1 植物性食物中的典型挥发性风味物质

2 植物性食物中的生物成味机制

植物性食物的生物成味过程分为内源性与外源性成味两个过程。内源性生物成味是在内源酶的作用下发生天然代谢的过程,而外源性生物成味往往需要借助外来生物媒介(如酶、微生物),通过人为干预调控物质代谢生成理想的风味物质。了解植物性食物中风味物质的代谢途径及其背后的生物成味机制对调控与改善食物的风味具有重要意义。

2.1 内源性生物成味机制

研究表明,风味物质的天然代谢与合成是生物体中一个多步骤的涉及多个复杂酶系统参与的物质形成过程,同时也会产生次级代谢物。许多成分(如前体化合物、酶和辅酶)参与该过程并关键性调节次级代谢物的形成。植物中的基质成分如碳水化合物、蛋白质、脂肪等在内源酶的复杂作用下会进行代谢,涉及多个生物转化途径(见图1),并最终形成多种多样的风味物质,赋予植物性食物独特的风味与口感[26]。

图1 植物性食物内源性生物成味的主要途径Fig.1 Main pathways of endogenous biological flavor formation in plant-based foods

2.1.1碳水化合物途径

在植物生长过程中,通过光合作用将二氧化碳和水转化为碳水化合物,从而为植物生长提供所需的能量。碳水化合物的积累不仅可以提升果实的品质,也为果实其他新陈代谢提供了代谢底物,具有非常重要的生态和生理学意义。在植物性食物中,碳水化合物的代谢对风味物质的生成以及生物成味有重要作用。碳水化合物对风味的最广泛的贡献是甜味,通常来自双糖和单糖,例如蔗糖、葡萄糖和果糖,不同种类糖的甘味差异很大。因此,风味物质的浓度和糖分含量影响果实的风味品质[27]。此外,许多水果和蔬菜中存在的大多数挥发性香气物质是碳水化合物次级代谢的重要产物。单糖经糖酵解途径(embden-meyerhof-parnas pathway,EMP)生成丙酮酸后,再经脱氢酶作用生成乙酰辅酶A,然后分别在酰基转移酶和还原酶作用下生成乙酸某酯和某酸乙酯[28],见图2。通过六羰基糖和低聚糖生物合成的羟甲基糠醛的含量对水果和蔬菜的风味有很大影响[28]。此外,有限数量的天然挥发物直接来自碳水化合物,而无须事先降解碳骨架,这些化合物包括呋喃酮和吡喃酮,如取代的4-羟基-3(2H)-呋喃酮和吡喃麦芽酚构成了一组罕见的风味分子,具有极低的气味阈值[29]。

图2 植物性食物中碳水化合物的生物成味途径Fig.2 Biological flavor formation pathways of carbohydrates in plant-based foods

2.1.2蛋白质途径

在植物性食物中,蛋白质的降解可以产生氨基酸,大多数氨基酸是无味的,只有甘氨酸和L-丙氨酸是甜的,非极性氨基酸是苦的,其中谷氨酸和天冬氨酸可能与鲜味相关[30]。此外,植物中的一系列有机化合物和芳香族化合物,如低碳醇、醛类,酸类和酯类,主要来自氨基酸[31]。氨基酸通过转氨化过程生成支链酮酸,再在脱羧酶、醇酰基转移酶和醇脱氢酶的作用下生成一系列相应的醛、酯、醇,从而产生风味[32-33]。一些特征性香气物质主要是以线性氨基酸L-亮氨酸为前体通过生物合成形成的。氨基酸是一些支链脂肪化合物的前体,如2-甲基-1-丁醇和3-甲基-1-丁醇在氨基酸分解代谢过程中形成,这些化合物可以进一步合成酯,酯是许多水果中重要的挥发性化合物。

2.1.3脂肪酸途径

由脂质水解产生的脂肪酸氧化代谢是植物性食物生长成熟过程中多种挥发性风味物质产生的重要途径,相关风味物质主要是短链的醇、醛、酮、酸、酯等[34],如在水果和蔬菜中C6与C9醛类和醇类是其独特风味的主要贡献者[26]。植物性食物中经脂肪酸氧化与代谢发生生物成味的途径主要有3条:α-氧化和β-氧化途径、脂氧合酶氧化途径、自氧化途径[30],其关键过程见图3。

图3 植物性食物中脂肪酸的生物成味途径Fig.3 Biological flavor formation pathways of fatty acids in plant-based foods

1)α-氧化和β-氧化途径。α-氧化途径主要作用于C14～C18的长链游离脂肪酸,其在α-氧化酶的作用下脱除羧基C,产生一分子的CO2和比原来脂肪酸少一个碳原子的醛,并进一步在醛脱氢酶的作用下,被氧化为相应的脂肪酸,进入新一轮的氧化循环[35]。当氧化降解的脂肪酸碳链被拆解到十二碳以下时,α-氧化酶体系的活性急剧减弱或消失,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[36]。β-氧化是在一系列β-氧化酶的作用下,脂肪酸在α-碳原子和β-碳原子之间断裂,生成乙酸和比原来少两个碳原子的醛,并在酯交换反应之前将其还原为相应醇,此后可以进一步发生酯化反应生成一些直链酯(如乙酸乙酯)。

2)脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)氧化途径。LOX特异性作用于含有(Z,Z)-1,4-戊二烯结构的多不饱和脂肪酸(如亚麻酸和亚油酸),将其氧化生成相应共轭多不饱和酸的氢过氧化物。随后,在氢过氧化物裂解酶、乙醇酰基转移酶、乙醇脱氢酶等作用下,产生己醛和(Z)-烯醛[30],最后经过乙醇脱氢酶的作用还原成己醇和烯醇,而(Z)-烯醛也能通过酶促或非酶促反应形成(E)-烯醛,这些物质具有青草味和生草味[37]。如在桃子中,脂肪酸通过LOX途径生成己醛(E)-2-乙烯基醛和一些芳香族化合物,形成特殊的水果风味[38-39]。

3)自氧化途径。该途径主要发生在亚油酸和亚麻酸的氧化降解过程,不饱和脂肪酸的酶促氧化产生的一些挥发性化合物也可以通过自氧化途径产生。亚油酸的自氧化产生9-和13-氢过氧化亚油酸,而亚麻酸的自氧化产生12-和16-氢过氧化亚麻酸,并进一步发生氧化与链断裂产生醛和烯醛。亚油酸的主要氧化产物是己醛和2,4-癸二烯醛,而亚麻酸的主要氧化产物是2,4-庚二烯醛等[26,30]。

2.1.4萜烯类化合物途径

萜烯是植物中丰富的次生代谢产物,由重复的异戊二烯单元构成,常见的有单萜(hemiterpene,C5)和倍半萜(hemiterpene,C15)、二萜(diterpene,C20)等,而单萜和倍半萜在水果的特征香气和风味方面起着重要作用[40]。萜烯主要来源于甲基戊酸(methylvalerate,MVA)途径(基于乙酰辅酶A)或甲基赤藓糖醇-4-磷酸(methylerythritol-4-phosphate,MEP)途径(基于丙酮酸和甘油醛-3-磷酸)[41],分别通过MVA和MEP途径产生关键中间产物异戊烯基二磷酸(isopentyldiphosphate,IPP)及其烯丙基异构体二甲基烯丙基二磷酸(dimethyl allyl diphosphate,DAMPP)。此后,中间产物在烯丙基转移酶的催化下转化为萜烯前体,主要包括:单萜前体香叶基二磷酸(geranyl diphosphate,GDP)、倍半萜和三萜前体法尼基二磷酸(farnesyl diphosphonate,FDP)和二萜和四萜前体香叶基香叶基二磷酸(geranyl geranyl diphosphate,GGDP)等[26],并进一步在萜烯合成酶的作用下合成特定的萜烯骨架[42-43]。萜烯经过酶催化和氧化反应,可以转化为相应的醇、酮、醛、酸等衍生物,如萜烯醇、萜烯酮、萜烯醛和萜烯酸,它们是很多植物特殊香气的主要成分。研究表明,单萜香叶醇和香茅醇分别是麝香和葡萄特征香气的关键成分[29]。

2.2 外源性生物成味机制

植物性食物中的外源性生物成味通常借助于微生物和酶实现。与内源性生物成味不同,外源性生物成味的过程涉及的酶是外源的,并非植物性食物自身固有的酶[44]。

随着科技的快速发展,外源酶催化技术在改善食物的风味方面具有广泛的适用性[44]。植物性食物中生物成味的外源酶主要源于天然动植物与微生物的分离酶,这些酶部分已经作为商品广泛应用于食物风味的改善。植物性食物中的碳水化合物、脂肪、蛋白质等在外源酶的作用下直接或者间接转化成特征风味物质,或抑制异味前体物质与异味物质的产生。脂肪酶催化可以在食物基质中通过催化脂质的醇解或脂肪酸与醇的酯化反应原位生成芳香酯[45]。这些酯类具有令人愉悦的感官属性,例如水果和花的气味和味道。在茶叶加工中添加来自真菌的外源性脂肪酶,可以分解含有高度不饱和脂肪酸的脂质,助力其进一步转化为挥发性风味物质,其中与茶叶风味相关的(Z)-3-己烯醇和芳樟醇含量显著增加,有助于增强茶的香气[46]。大多数植物成分缺乏肉香或肉味[47],并且存在涩味、苦味和金属味等异味,因此在一定程度上限制了其应用[48]。研究发现,挥发性异味物质主要由不饱和脂肪酸氧化形成,不饱和脂肪酸经过氢过氧化物与自由基反应产生各种异味次级代谢物,如正己醛、乙基乙烯基酮和1-辛烯-3-醇[49];而非挥发性的异味相关物质则源于酚类化合物、游离脂肪酸、苦味氨基酸、皂苷和生物碱等。利用马氏克鲁维菌、解淀粉芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌发酵大豆后,使脂肪加氧酶变性,抑制了多不饱和脂肪酸氧化形成异味的醛类物质,或者通过微生物产生理想的挥发性物质掩盖了豆类中自然存在的异味,因此大豆的异味(如豆腥味)显著减少或消失[50]。

微生物可通过从头合成和生物转化影响植物性食物风味的形成,在微生物和酶的协同作用下碳水化合物、脂质、蛋白质及其他大分子营养物质水解产生单糖(如葡萄糖和果糖)、游离脂肪酸和游离氨基酸等初级代谢产物,并进一步代谢产生多种次级代谢风味化合物,影响最终食物的风味和口感[48]。微生物通过糖酵解途径将单糖转化为丙酮酸,丙酮酸进一步转化为短链有机酸、醇类和羰基化合物等挥发性风味物质,如双乙酰、乙醛、乙酸和乙醇[51]。在葡萄酒发酵过程中,酿酒酵母产生的β-葡萄糖苷酶会催化糖苷前体和单萜类化合物的水解,产生强烈的花香,并增强葡萄酒的风味[52]。在茶叶发酵过程中添加外源的酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶,与花香甜味相关的芳樟醇、氧化芳樟醇和水杨酸甲酯含量增加,增强了红茶的香气[53]。此外,在食品加工中,合理添加微生物分离的生物酶可以促进特定风味物质的产生,加强食品的风味,例如使用来自酵母的β-葡萄糖苷酶和扁桃腈裂解酶可以将樱桃仁和杏仁粉中存在的氰基葡糖苷和苦杏仁苷转化为樱桃和杏仁味的苯甲醛[54]。

此外,植物性食物也经常通过加酶处理对蛋白质进行分解,以减少食品加工过程中异味前体和化合物的含量。例如通过来自解淀粉芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌的Protamex酶处理大豆分离蛋白,可减少其中己醛、戊醇和己醇等物质的形成,抑制“豆腥味”的产生[55]。目前市场上乳酸菌发酵的植物蛋白产品主要有植物酸奶和发酵植物蛋白饮料等,常用于发酵的植物蛋白原料有大豆、豌豆、霹雳果、腰果、花生等[56]。在植物类酸奶和发酵乳发酵中,可以将酶催化和发酵相结合,先利用酶将谷物中的淀粉转化为乳酸菌可利用的低聚糖,再添加适当的氮源物质,经乳酸菌发酵,获得的产品不仅风味、口感更加丰富,还富含活性多肽、黄酮、多酚等多种功能活性物质,具有更好的营养健康功效[57]。如将克鲁维毕赤酵母(Pichiakluyveri)和植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)依次接种到植物饮品中对其进行共发酵,饮料的酸味显著增加,而涩味显著降低,口感得到极大的改善[58]。

3 展 望

食品风味前处理方法的革新以及气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)联用、气相色谱-嗅觉测定法(gas chromatography-olfactometry,GC-O)、液相色谱-质谱(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)联用技术等高灵敏度定性与定量仪器分析技术的发展,为植物性食物生物成味的研究提供了有力支撑。随着分子生物学和生物信息学的快速发展,多组学联用技术已被广泛应用于植物性食物中微生物菌落和关键风味物质的综合分析,并可准确构建香气重组体以确定食品风味组成与代谢途径。尽管多组学联用技术为风味物质代谢调控提供了重要的研究方法,但是目前依旧有诸多生物成味过程尚待解析。

植物性食物中的风味物质分析和检测相关研究发展迅速,已取得了显著进展,而生物成味研究则整体起步较晚,展望未来的研究方向,可以包括几个方面。

1)深入研究植物性食物中关键风味物质的组成和形成机理是去除异味产生理想风味物质的理论依据,而其背后的研究食物生物成味机理的整体系统性的网络还未形成。未来可以通过生物信息学和系统生物学方法理清食品成味途径和影响因素之间的复杂网络关系,同时通过跨学科研究,如食品科学、微生物学和化学,解析食物生物成味的机制。

2)内源、外源合成途径如何平衡与互作还不清楚,后续研究可以借助分子生物学和代谢工程等技术来探索植物性食物风味物质在形成过程中,内源和外源合成途径的相互作用和平衡机制。

3)多种分析方法为明确风味物质组成和生物成味机制提供了技术支撑,但一些分析手段还存在弊端,例如风味物质的阈值问题还有待探索。后续可以结合新兴的检测技术以提高风味物质检测的准确性和灵敏度。同时,研究风味物质的感官阈值,以便更好地理解和操纵风味特性。

4)通过生物成味的本质来指导工业生产的应用尚需加强。可以结合传统食品工艺和现代生物技术,如发酵工程和酶工程,以生物成味机制指导工业生产流程,优化产品的风味和质量,同时基于生物成味的分子机制,采用发酵工程、酶工程和其他生物技术,实现新产品的创制和产业化生产。