脂質組學技術及其在食品科學領域應用研究進展

王欣卉，宋雪健，張東杰,3,*，李志江,3,*

（1.黑龍江八一農墾大學食品學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省雜糧加工及質量安全工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319；3.國家雜糧工程技術研究中心，黑龍江 大慶 163319）

脂質也稱脂類物質，廣泛存在于各種食品中，是人體所需的重要營養素之一，也是所有細胞不可或缺的組成成分[1]。脂質為一類復雜的生物分子，在不同的生物分子加工過程中起著許多關鍵作用[2]。除了為機體提供所需的營養及能量之外，脂質還參與機體炎癥反應[3]、細胞間信號轉導[4]、改變細胞功能、調節細胞代謝與增殖及凋亡等[5-6]，與疾病的發生與發展密切相關，在維持機體健康方面發揮著重要的作用。

隨著科學技術的不斷發展，各種揭示生命遺傳物質信息的組學技術不斷應運而生，脂質組學作為組學技術的一個分支，為探索龐大的脂質分子家族帶來了更完善的分析方法與途徑，也為探索生命科學領域和食品科學領域中脂質分子的作用與功能拓寬了思路。脂質組學和各組學分析技術的不斷發展，促進了多門學科間相互交流。脂質組學現已被廣泛應用在食品科學、營養學、植物學、分子生物學、疾病預防控制學及環境學等多個領域[7-10]。本文重點介紹脂質功能及脂質組學技術，分析脂質組學與食品科學、營養學及代謝組學間的相互作用關系，旨在為脂質組學在闡釋飲食、營養與代謝相關途徑，評價食品健康影響方面提供理論依據。

1 脂質的分類與功能

1.1 脂質的定義與分類

脂質是來自細胞代謝物中的一類異質化合物，其分子數量龐大、種類繁多、分子結構各異，難以對其進行精準定義。廣義上認為脂質是一類多數不溶于水而溶于非極性溶劑的有機化合物，通常能迅速溶于氯仿、醚、醇和苯等有機溶劑，但由于大多數脂質同時包含親水基團和疏水基團，這樣的定義通常又會對脂質的理解產生歧義。目前，脂質的最新定義由“脂質代謝研究計劃”項目——LIPID MAPS提出，其根據脂質的分子結構及其生物的合成途徑進行分類：一類是完全或部分由硫酯的碳負離子（carbon anion）縮合而成，另一類是由2-甲基-1,3-丁二烯的碳正離子（carbenium ion）縮合產生的具有疏水功能或者兩親功能的分子[11-13]。LIPID MAPS數據庫（LMSD）（http://www.lipidmaps.org/resources/databases）中注冊的脂質分子結構有46 686 種，并將這些脂質分為了八大類。表1中列舉了數據庫中所含有的8 類脂質分子，即脂肪酰類、甘油酯類、異戊烯醇類、聚酮化合物類、甘油磷脂類、鞘脂類、甾醇脂類和糖脂類[14]。這種綜合的分類方法，將每種脂質用12 位字符（4 個字母和8 個數字）進行標識，推動了脂質分子生物學系統化與標準化的研究，同時促進了脂質分子與其他化學分子間的交互研究[15]。

表1 LIPID MAPS數據庫中的8 類脂質分子Table 1 Eight categories of lipids in LIPID MAPS database

1.2 脂質的生物學功能特性

脂質是一類結構多樣化的復雜化合物，具有多種重要的生物功能。1）結構功能。真核生物膜中的主要結構脂質為甘油磷脂類、鞘脂類及甾醇脂類[16]，鞘脂類包括磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PtdCho）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PtdEtn）和磷脂酸（phosphatidic acid，PA）等亞類[17]，且膜結構上的脂質分子通常更傾向于形成雙分子層流體相[18]。真核細胞膜50%以上的磷脂是PtdCho，其含有順式不飽和脂肪酸?；?，使得該膜結構在水相界面具流動性且并不絕對對稱，同時磷脂中含有的PtdEtn由于其極性頭基為圓錐形分子形狀，可改變膜曲率，以形成不同形狀的膜結構[19]。2）維持細胞功能和一般生理活動的能量來源。如機體中的甘油三酯通過三步酶促水解反應生成甘油和游離脂肪酸，甘油可通過血液運輸到肝、腸、腎臟等組織中進一步磷酸化，產生能量，而游離脂肪酸經與血漿蛋白結合后由血液輸送至全身各處，在氧氣充足的情況下，經β氧化作用，徹底氧化分解成CO2和H2O，同時供給機體能量[20]。3）作為生命活動中的信號分子，為機體疾病代謝提供新的靶向調控信號。如溶血磷脂酸（lysophosphatidic acids，LPA）通過與過氧化物酶體增殖物激活受體相結合調控基因表達[21]；鞘脂類神經鞘氨醇在脂質激酶的作用下，磷酸化生成鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate，S1P），作為第一信使與G蛋白偶聯受體相互作用，促進細胞的生長和增殖[22]等。4）提供食品營養和保護機體健康。雖然許多脂質可以在體內內源性合成，但如亞油酸和亞麻酸類的必需脂肪酸，它們不能從飲食中的簡單前體合成，必須從飲食中獲得[23]。研究顯示，攝入更多的多不飽和脂肪酸可以降低患心血管疾病的風險，提高神經和視覺功能，改善老年患者的認知功能[24-25]。

2 脂質組學與脂質代謝組學

2.1 脂質組學

組學的概念興起于20世紀，指從宏觀角度出發對機體中的基因、細胞結構、蛋白質及體內小分子代謝物間的相互作用進行研究，通過測定數據進行整體分析，從而反映出生物體組織器官功能和代謝狀態的一門學科。隨著科學技術的發展，已發展出基因組學（genomics）、轉錄組學（transcriptomics）、蛋白質組學（proteomics）、代謝組學（metabonomics）等分支[26]，脂質組學（lipidomics）也在各種組學技術的興起中不斷發展。在生命系統中，若將所有脂質分子的整體集合稱為脂質組，那么脂質組學就是基于分析化學、營養學、醫學等領域而建立起來的一門學科[27]。其致力于結合生物分子系統，在完整分子水平上構建生命體脂質組圖譜，對脂質分子進行定性、定量的分析，探究脂質結構和功能，繼而闡明脂質的組成及在細胞、器官及生命體生理病理復雜代謝過程中的作用與機制[28-29]。脂質組學的研究領域涵蓋以下范疇：鑒定出新型的脂質分子種類；分析樣本中脂質種類及其豐度，并研究其生物活性、亞細胞定位和組織分布[30]；開發定性定量方法，分析樣本中痕量水平脂質分子，并對脂質組的重要部分進行主成分分析[31]；定量生命活動中產生變化的脂質分子，分析比較發現脂質生物標志物，用于闡明疾病和健康狀態機體中的網絡分析譜圖[32]；利用脂質組學大數據建立自動化處理分析及生物建模的信息學方法等[33]。

2.2 脂質代謝組學

脂質作為一種代謝產物，在生命體代謝調控機制中發揮著不可替代的作用。利用脂質代謝組學技術不但可深入探究脂質分子的種類和功能，也可通過系統的生物學方法從細胞器、細胞、組織器官乃至機體等物種水平上探究脂質組的代謝調控作用，因此脂質代謝組學技術也在多組學技術交融中不斷加速發展[34-35]。脂質代謝組學主要對機體、組織或細胞內脂質分子種類與含量及與其存在相互作用的分子和基因的表達進行系統性分析，比較普通生理狀態或病理狀態下的脂質代謝及其代謝的調控差異，利用脂質分子種類及變化量來計算代謝過程中特定脂質分子產生的可能貢獻，通過與脂質組質譜數據確定的質量進行比較，識別代謝過程中關鍵的脂質代謝標志物，從而揭示脂質在代謝網絡中的作用機制，以用于生理狀態及疾病的診斷、分期、分型及預后的判斷等[36]。

2.3 脂質組學的分析技術

由于脂質分子結構的多樣性和復雜性，針對生命體整體脂質極其復雜的代謝網絡和功能調控的研究進步緩慢。近年來，質譜技術的發展，特別是軟電離離子化技術和高分辨質譜技術在脂質分析中的應用，為脂質組學及其代謝組學研究提供了強有力的技術支持。由于脂質組學技術的不斷普及，其分析方法和檢測手段也呈現出多元化的發展趨勢。目前質譜技術以其高靈敏度、高分辨率及檢測分子特異性的特點成為脂質組學的主流技術[14]?；谫|譜技術的脂質組學分析可根據檢測的范疇和檢測目的，大致將檢測手段分成兩大類：非靶向脂質組學技術和靶向脂質組學技術[37]。對于非靶向的分析，主要基于對樣本中所包含的脂質組數量和亞類做定性或半定量的全面無偏分析[38]，可以通過單一的分析平臺或互補平臺的組合來實現，包括核磁共振或質譜，質譜結合氣相色譜、液相色譜或毛細管電泳等[39]。廣泛非靶向分析研究可揭示樣本的脂質相對量以及樣本中兩種或兩種以上系統情況之間的變化。在非靶向性的分析方法中，樣品制備應保持盡可能的簡單，以實現最廣泛的脂質覆蓋。靶向脂質組學則更加側重于樣本中脂質分子的準確定量，通?？蓽y定參與一種或幾種脂質途徑的特異性脂質分子，在靶向脂質組學中需要測定的脂質通常是通過非靶向脂質組學分析，預先篩選或預定義為關鍵靶向分子和/或潛在的生物標志物，達到脂質分子結構鑒定目的[40]。

2.4 脂質組學的生物學信息數據庫

隨著脂質組學的不斷發展，其數據庫和相關生物信息文庫的建立已然成為豐富脂質組研究的一個重要方向。近年來，在多組學高通量測序技術的不斷推動下，用于脂質組研究的數據庫被逐步開發和完善，為探究脂質組分子提供了豐富的參考信息。脂質組生物學信息不僅可以表征食品中所含脂質分子數量和類別，還可以根據其相關代謝數據，探究膳食脂質營養與人類健康與疾病之間的作用與聯系，為膳食脂質營養強化及提高其生物利用度更好地提供數據支持。目前，應用最為廣泛的脂質數據庫主要是LIPID MAPS，該數據庫涵蓋目前較權威的脂質分類、命名法和脂質結構信息，并對脂類物質進行標準化注釋[41]，其包含質譜分析工具及統計分析工具等，不僅可以進行脂質化合物信息的檢索和下載，還可以根據檢測出的數據進行生物信息學分析，可通過給定特定的m/z或二級譜圖信息來預測未知的脂質分子等[42-43]，對于脂質組學初學者，LIPID MAPS是一個非常好的學習平臺。表2列舉出幾種較常用的脂質數據分析數據庫及其相關簡介，可為脂質組的分析提供參考。

表2 脂質組學常用數據庫及簡介Table 2 Commonly used databases in lipidomics and their profiles

3 脂質組學在食品科學領域的應用

在多組學技術的不斷發展過程中，脂質組及代謝組學已滲透到食品科學、營養學、植物學、分子生物學、疾病預防控制學及環境學等學科中[15]。食品學科與脂質組學的不斷交融，使食品科學的研究思路不斷擴展，且融合其他代謝組學技術，不僅可以豐富食品營養方面的測定范疇，同時又能夠促進食品營養與疾病健康調控的多元檢測發展[48]。

3.1 食品質量與安全控制

食品的質量與安全控制一直備受人們的關注，脂質組學技術可成為食品質量控制的有力工具。外界環境的變化通常會影響生物體內脂質分子的代謝變化，通過對比分析脂質代謝物的種類與量的變化，可檢測出機體變化應答靶點，篩選異源性敏感標志物，從而表征食品及食品原料質量與安全性。類固醇激素是一類甾醇生物活性化合物[49]，在畜牧業被用作生長促進劑或用于增加牛奶產量[50]，若人類長期大量攝入該類物質會造成中樞神經損傷、骨質疏松等狀況，因此，許多國家禁止在食用動物中使用這類物質或嚴格管制用量[51]。Capriotti等[52]利用脂質組學技術中的液相色譜-質譜聯用方法靶向分析并建立了一種簡單、快速、可重復的方法，可同時測定不同商業牛奶樣品中的類固醇激素和真菌雌激素。該方法也可應用于魚、肉等肉類組織中激素的檢測[53-54]。長鏈多不飽和脂肪酸極易受脂質氧化影響，導致產生食物中的不良氣味和味道，Rohfritsch等[55]應用半定量篩選方法監測了隨奶粉保存時間延長而含量增加的化合物，判定二十二碳六烯酸為特異性氧化標記物，其含量可用于判定奶粉的品質。類似方案也可用于油料[56]及肉品[57]品質的判定。

3.2 食品摻假

食品摻假也是食品質量控制方面的一個嚴重問題。一般來說，食品摻假可分為兩個方面：1）在糧油產品中摻入同種類或不同種類劣質產品；2）添加外源性物質，摻入物理性狀或形態與該食品相似的物質。同樣，脂質組學技術也可用于檢測食品摻假問題。摻假食品中不同成分的修飾將引入脂質譜的變化，可以通過脂質組學方法篩選出差異代謝物，從而判定食品樣品是否存在摻假問題。Cao Guodong等[58]研究表明，單?；视涂勺鳛槭秤糜蛢仍葱詷擞浳?，通過測定常用食用油，包括油炸油和排水溝油中單甘油酯的含量，發現單?；视偷乃诫S著加熱時間的延長而不斷增加，該方法可對摻入微量常用食用油的純食用油進行摻假認證。Gómez-Caravaca[59]及Jabeur[60]等對特級初榨橄欖油樣品中的游離脂肪酸、脂肪酸烷基酯、三?；视偷戎饕獡]發性化合物進行分析，得到識別油料摻假的標志性檢測物參數，如亞麻酸含量可作為檢測5%大豆油添加的特級初榨橄欖油的欺詐參數。其他化合物，如動物油脂中的膽固醇和植物油脂中的植物甾醇類，也可充當食用油料摻假檢測的可靠標記物[61]。通過脂質代謝組學篩選差異代謝產物的方法，也可用于檢測傳統活豬屠宰肉與死后屠宰肉互摻[62]、牛肉與豬肉互摻[63]以及乳類[64]和糧種作物[65-66]互摻的問題。

3.3 食品溯源

隨著食品品牌及地理標志性產品理念的興起，食品溯源現已成為世界各地消費者較為關心的問題之一。通過對樣品進行脂質及代謝組學分析，確定差異性代謝產物，也可為食品樣本的溯源提供有力依據。利用非靶向脂質組學方法鑒定不同產地黑豬肉的脂質譜，在不同樣本中一共檢測出1 190 個脂質特征峰，偏最小二乘法判別分析篩選出100 個差異脂質分子，可以用于不同地理位置黑豬肉的區分[67]。有學者通過實時高分辨率質譜和多變量分析的方法以區分野生和養殖的鮭魚，結果表明二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸在野生鮭魚中含量更豐富，而C18:1、C18:2和C18:3在養殖鮭魚中含量更高[68]。研究人員通過對不同海域海參中脂肪酸代謝譜的主成分進行分析，測定單不飽和脂肪酸與飽和脂肪酸種類間代謝的差異，可針對性地識別出中國與日本海域以及中國地區臨近海域中海參的不同地理來源[69]。經分析山羊乳的脂質代謝譜發現，不同區域樣本之間神經酰胺和甘油磷脂含量存在顯著差異，不同區域的樣本之間磷脂酰肌醇、鞘磷脂和脂肪酸含量存在極顯著差異，并且在不同泌乳期的山羊乳樣品中，發現有26 種脂質化合物含量存在顯著差異，其中三酰甘油含量呈現極顯著差異，結果表明，脂質組學分析對于鑒別我國不同地理區域及分泌時期山羊乳是可行、有效的[70]。

3.4 食品加工及貯藏

脂質組學在食品加工貯藏方面主要用于研究不同食品加工過程中的脂質組分與食品品質的變化[51]，通過脂質分子水平上的研究，探究食品的加工及貯藏過程中脂質組分變化，以及對食品品質和功能特性的影響與表征，可為食品加工工藝及貯藏條件的優化提供可視化的數據支撐。Vigor等[71]研究加工過程對Styrian南瓜籽及其油中亞麻酸及其產物氧化脂質含量的變化，結果顯示，加工過程無論采用干燥、浸泡鹽水、烘烤，還是壓榨等方式，對南瓜籽中的亞麻酸含量無顯著影響，此結果可為南瓜籽油料的加工拓寬條件。Xie Ya等[72]收集了全國15 種微波冷榨工藝菜籽油，并對其進行甘油三酯、磷脂和游離脂肪酸等脂質分子分析。結果表明，微波預處理后總脂肪酸和甘油三酯含量無明顯變化，而游離脂肪酸含量增加，磷脂含量顯著增加至40 倍，該研究為微波冷榨菜籽油品質控制及技術參數提供了數據支撐。高文浩等[73]利用超高效液相色譜-質譜法研究了酸奶生產過程中脂質組變化，從1 607 種脂質分子中篩選出27 種作為鑒定巴氏殺菌奶和發酵奶的生物標志物，為酸奶熱加工處理和發酵乳脂品質的影響提供了數據基礎。Mastronicolis等[74]檢測了食源微生物單核細胞增生李斯特菌中4 種磷脂的脂肪酸組成，及其在冷誘導下的脂肪酸變化，該研究結果可用于食品貯藏期間細菌生長標志物的監測，從而改進食品貯存方法。Wang Youyi等[75]利用電噴霧電離質譜技術分析魚類肌肉的磷脂譜，結果表明磷脂氧化和水解是魚肌肉儲存過程中變質的兩個主要原因，因此魚肉磷脂分子含量可以作為魚肌肉新鮮度的判定指標。

3.5 食品營養表征

對于脂類物質含量較為豐富的食品而言，其脂質含量與組成成分同食品風味和營養密切相關。因此，脂質組學技術不僅可以進行食品中全脂質組分分析，還可以用于食品營養品質的鑒定。雞蛋是人類的良好營養來源，其營養價值部分歸因于高含量的生物活性脂質，它們具有獨特的生物活性，幾乎只存在于蛋黃中[76]。Xie Ya等[77]利用超聲輔助單相溶劑萃取法耦合液相色譜-電噴霧電離四極桿飛行時間質譜，非靶向分析了4 種不同雞蛋蛋黃脂質組，共鑒定出618 種脂質分子，利用其主成分分析可以有效區分雞蛋的4 個不同品種，且4 種雞蛋中，藏雞蛋蛋黃和DHA-蛋黃中富含磷脂，可作為嬰兒配方奶粉[78]、食品藥品添加劑[79]、天然抗氧化劑以及治療性藥物和化妝品成分中磷脂及必需脂肪酸的優良天然來源。張義茹[80]采用氣相色譜-質譜聯用法對不同品種小米進行脂肪酸分析，發現小米中所含有的脂肪酸主要有7 種，其中亞油酸含量最高，‘晉谷21’和‘牛毛白’品種中不飽和脂肪酸含量較高。

3.6 脂質代謝與疾病調控

在食品營養學的研究中，除食品營養本身外，飲食營養與健康調控的重要性日益凸顯。眾多研究表明，脂質組對機體飲食攝入應答、代謝調控、腸道微生物菌群調節，與許多相關疾病的發生都有很強的分子生物學敏感性?？梢酝ㄟ^機體攝入特定營養物質而表達出的特定代謝途徑相關分子通量的變化進行判別，進而檢測和調控相關疾病[7,81]。因此，精確定量分析生物組織、細胞、血液、體液中的脂質分子，有望拓展飲食營養與疾病調控研究方法。Lai Mi等[82]通過對1 035 例妊娠期糖尿病患者進行隨訪，脂質代謝組學檢測分析顯示，311 種脂質分子會增加產后罹患2型糖尿病的風險，70 種脂質能夠降低2型糖尿病風險，血清甘油三酯濃度升高提示機體脂肪細胞增多，提示為2型糖尿病前期。該項研究揭示了產婦產后患2型糖尿病的潛在代謝變化，其結果有助于臨床醫生早期識別產后罹患2型糖尿病的高風險人群，盡早對其進行干預，以防止發展成為2型糖尿病。Lankinen等[83]研究表明，利用不同脂肪含量的魚肉進行膳食干預8 周后，高脂魚肉膳食組的血漿脂質組中神經酰胺、溶血磷脂酰膽堿等脂質分子水平顯著降低，從而影響由神經酰胺誘導的胰島素抵抗的發生。脂質不僅是構成生物膜的基礎結構，而且還是信號分子和能量來源，脂質代謝的改變也是癌癥中最突出的代謝變化之一。Lien等[84]研究發現在缺乏脂質的環境中，合成單不飽和脂肪酸的硬脂酰輔酶A去飽和酶（stearoyl-CoA desaturase，SCD）的活性對癌細胞增殖至關重要。當SCD活性受抑制時，會擾亂不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸之間的平衡，進一步研究發現，通過熱量限制會降低腫瘤SCD活性，導致不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸之間的不平衡，從而減緩腫瘤的發展生長。Wang Wenliang等[85]研究發現通過膳食補充金針菇菌根膳食纖維可激活單磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）信號通路，使體內脂肪酸合成酶表達水平降低，肉毒堿棕櫚酰轉移酶-1表達水平升高，導致脂質合成減少、脂質降解增加，從而緩解肥胖小鼠的脂質代謝紊亂。這些研究發現都可為飲食營養與疾病間的脂質代謝調控與治療提供新的思路和診療方向。

4 結 語

近年來，隨著化合物的分離技術及質譜等技術的飛速發展，極大地擴展了脂質組學方法在食品科學領域中的應用。然而，由于脂質化合物的復雜性，食品中的脂質分子與其含有的其他營養素也存在潛在的互作機制，并且對食品貯存和加工過程中部分脂質化合物中間體產物的鑒定仍然是一個棘手的問題，因此準確地定量和純化分析食品中脂質化合物仍具有挑戰。雖然脂質組學較其他組學起步較晚，但是脂質組學正成為評估營養和健康相關研究結果的有力手段，并能夠提供有關脂質生物學過程及其生物學作用的全面信息。所以，通過未來更加完善的脂質組學數據庫以及與其他新興技術的融合，相信脂質組學在食品科學及其他領域的應用將取得更大的發展。