植物性食物中風味物質的生物成味研究進展

王彥波, 張云真, 李文璐, 曾 黌

(北京工商大學 食品與健康學院/老年營養與健康教育部重點實驗室, 北京 100048)

植物性食物是指來源于植物可食用部分的食物,包括水果,蔬菜,糧谷,豆類,堅果,油料作物,以及植物相關制品。植物性食物是居民健康膳食結構中的重要支柱,是維持人體營養均衡不可或缺的一部分,除了可以提供碳水化合物、蛋白質、脂肪三大基礎營養素,還是多種膳食纖維、維生素和礦物質的主要來源。植物性食物有助于提高減重效果、改善腸道健康、降低一些慢病風險等,對維持人體健康具有重要作用。此外,從“低碳”角度,植物性食物具有資源利用率高和環境負擔低的優勢,對推動可持續發展具有積極意義。隨著生活水平的日益提高,人們對飲食的品質提出了更高的要求,風味也成為影響消費者喜好的關鍵因素之一。植物性食物種類與風味豐富多樣,可以為消費者提供多樣化的食物選擇,因此基于植物性食物的風味物質合成和調控引起了廣泛關注,加速相關食品的風味改良與創新意義重大[1-3]。在酶和微生物等生物媒介作用下生成的食物風味符合消費者對天然、安全、無添加劑或少添加劑食物的期待,因此系統深入研究植物性食物的生物成味機制,掌握復雜食物體系中生物成味的關鍵生物媒介、反應過程與互作關系,才能為植物性食物的風味調控與價值提升提供科學的指導。

植物性食物的生物成味涉及內源性與外源性兩方面的過程。內源性生物成味主要發生在植物生長成熟以及儲存的過程中,在自身內源酶的作用下發生相關的碳水化合物代謝、脂肪酸代謝、蛋白質代謝等生物轉化過程,由此生成的醇、醛、酮、酸、酯、酚、雜環以及萜烯等揮發性物質賦予食物獨特的氣味,生成的其他非揮發性物質則可賦予食物甜味、酸味、苦味、鮮味等獨特滋味。植物性食物外源性生物成味主要發生在食物的加工處理過程中,需要借助外來的酶和微生物,通過生物催化、發酵等手段,人為調控代謝途徑,定向生成目標風味物質或抑制不良風味物質的產生。本文基于風味物質的結構特點,介紹了植物性食品中關鍵風味物質的組成種類與呈味特性,總結了近年來國內外植物性食物的內源性與外源性生物成味機制與前沿進展。隨著多學科交叉、多組學技術等的聯用,將對植物性食物生物成味的關鍵途徑與互作機制有更充分和深入的認識,這將為植物性食品的風味優化與產品創新提供無限的可能。

1 植物性食物中主要風味物質的組成

對于大多數植物來說,風味物質是代謝途徑的直接產物或最終產物之間相互作用的結果,該過程與果實生長成熟以及加工處理過程密切相關。這些風味物質豐富多樣,為植物性食物提供了獨特而豐富的風味特征。從化學結構角度來看,植物性食物中的主要風味物質包括脂肪族、芳香族以及雜環化合物等,其中萜烯類化合物因其獨特的風味,在本文中單獨予以介紹[4-5]。

1.1 脂肪族化合物

脂肪族醛類、酮類、酯類、醇類、酸類以及含硫、含氮化合物是植物食物中常見的風味化合物[4-5]。酮存在于多種植物中,如2-十一酮有柑橘類香氣,2,3-丁二酮有奶油氣味[6-7]。番茄中的硝酸戊酯、和5-乙基環戊烯-1-甲醛能夠賦予其花果香和甜感,脂肪族氨基酸如谷氨酸、賴氨酸能夠賦予其鮮味,而酸味主要來自檸檬酸和蘋果酸[8-9]。成熟“富士”蘋果果實中濃郁的果香味主要來自揮發性化合物異戊酸己酯、2-己烯醛、己酸己酯和丁酸3-甲基戊酯等[10]。菠蘿中檢測到的主要風味物質包括:癸醛、辛酸乙酯、乙酸、1-己醇、γ-己內酯、γ-辛內酯、δ-十八內酯、γ-癸內酯和γ-十二內酯等[11]。二甲基硫醚、1-丙硫醇、3-巰基-3-甲基丁醇、3-甲基-2-丁烯-1-硫醇等含硫化合物對甜瓜的特殊風味起到了關鍵作用[12]。

1.2 芳香族化合物與雜環化合物

芳香族化合物在植物性食物的風味物質中具有重要地位,其中包括酚、芳香醚、芳香醛、芳香酸和酯等,如肉桂酸側鏈還原形成的水楊酸甲酯、松柏醇、甲基胡椒酚等,酚類被甲氧基、酚基、乙烯基或醛基的苯取代的衍生物苯乙醇、香蘭素、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復雜次生代謝產物,它們以自由和結合的形式存在于植物基質中,游離酚類化合物可以賦予并增強植物性食物特殊的芳香風味。薔薇屬果實中含有兒茶素、原花青素、香草酸等酚類物質[14],葡萄揮發性物質中含有苯甲醇、苯乙醇、香草醛、香草酮及其衍生物[15]。此外,當糖類與氨基酸相互作用時,會形成烷基吡嗪、烷基噻唑啉等揮發性化合物以及其他因Strecker降解而產生的雜環,這些化合物是使得多數水果中具有明顯果味的重要揮發性物質。例如在葡萄發酵過程中氨基酸代謝生成的含氮雜環物質——甲氧基吡嗪,能夠賦予葡萄酒濃郁的青椒、蘆筍甚至泥土味[16]。

1.3 萜烯類化合物

萜烯是一類由多個異戊二烯骨架單元構成的天然風味物質,存在于多種植物性食物中,常見的有單萜、倍半萜等,大多數萜烯是無色液體,密度低于水。這些揮發性香氣化合物使得水果帶有明顯的特征花香風味[17]。例如,葡萄雖然只含有適量的萜烯,但這些化合物使其具有明顯的令人愉悅的玫瑰風味[18]。葡萄中的香葉醇、橙花醇等是重要的單萜類香氣化合物,能夠賦予葡萄酒花香、果香和柑橘類香氣[16]。此外,橙子含有的α-蒎烯、γ-萜品烯等風味物質[19],以及芒果含有的蒎烯、β-月桂烯等萜烯類化合物都能夠賦予它們獨特的香氣[20]。

表1匯總了植物性食物中一些典型揮發性風味物質的風味特性與閾值。

表1 植物性食物中的典型揮發性風味物質

2 植物性食物中的生物成味機制

植物性食物的生物成味過程分為內源性與外源性成味兩個過程。內源性生物成味是在內源酶的作用下發生天然代謝的過程,而外源性生物成味往往需要借助外來生物媒介(如酶、微生物),通過人為干預調控物質代謝生成理想的風味物質。了解植物性食物中風味物質的代謝途徑及其背后的生物成味機制對調控與改善食物的風味具有重要意義。

2.1 內源性生物成味機制

研究表明,風味物質的天然代謝與合成是生物體中一個多步驟的涉及多個復雜酶系統參與的物質形成過程,同時也會產生次級代謝物。許多成分(如前體化合物、酶和輔酶)參與該過程并關鍵性調節次級代謝物的形成。植物中的基質成分如碳水化合物、蛋白質、脂肪等在內源酶的復雜作用下會進行代謝,涉及多個生物轉化途徑(見圖1),并最終形成多種多樣的風味物質,賦予植物性食物獨特的風味與口感[26]。

圖1 植物性食物內源性生物成味的主要途徑Fig.1 Main pathways of endogenous biological flavor formation in plant-based foods

2.1.1碳水化合物途徑

在植物生長過程中,通過光合作用將二氧化碳和水轉化為碳水化合物,從而為植物生長提供所需的能量。碳水化合物的積累不僅可以提升果實的品質,也為果實其他新陳代謝提供了代謝底物,具有非常重要的生態和生理學意義。在植物性食物中,碳水化合物的代謝對風味物質的生成以及生物成味有重要作用。碳水化合物對風味的最廣泛的貢獻是甜味,通常來自雙糖和單糖,例如蔗糖、葡萄糖和果糖,不同種類糖的甘味差異很大。因此,風味物質的濃度和糖分含量影響果實的風味品質[27]。此外,許多水果和蔬菜中存在的大多數揮發性香氣物質是碳水化合物次級代謝的重要產物。單糖經糖酵解途徑(embden-meyerhof-parnas pathway,EMP)生成丙酮酸后,再經脫氫酶作用生成乙酰輔酶A,然后分別在?；D移酶和還原酶作用下生成乙酸某酯和某酸乙酯[28],見圖2。通過六羰基糖和低聚糖生物合成的羥甲基糠醛的含量對水果和蔬菜的風味有很大影響[28]。此外,有限數量的天然揮發物直接來自碳水化合物,而無須事先降解碳骨架,這些化合物包括呋喃酮和吡喃酮,如取代的4-羥基-3(2H)-呋喃酮和吡喃麥芽酚構成了一組罕見的風味分子,具有極低的氣味閾值[29]。

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

2.1.2蛋白質途徑

在植物性食物中,蛋白質的降解可以產生氨基酸,大多數氨基酸是無味的,只有甘氨酸和L-丙氨酸是甜的,非極性氨基酸是苦的,其中谷氨酸和天冬氨酸可能與鮮味相關[30]。此外,植物中的一系列有機化合物和芳香族化合物,如低碳醇、醛類,酸類和酯類,主要來自氨基酸[31]。氨基酸通過轉氨化過程生成支鏈酮酸,再在脫羧酶、醇?；D移酶和醇脫氫酶的作用下生成一系列相應的醛、酯、醇,從而產生風味[32-33]。一些特征性香氣物質主要是以線性氨基酸L-亮氨酸為前體通過生物合成形成的。氨基酸是一些支鏈脂肪化合物的前體,如2-甲基-1-丁醇和3-甲基-1-丁醇在氨基酸分解代謝過程中形成,這些化合物可以進一步合成酯,酯是許多水果中重要的揮發性化合物。

2.1.3脂肪酸途徑

由脂質水解產生的脂肪酸氧化代謝是植物性食物生長成熟過程中多種揮發性風味物質產生的重要途徑,相關風味物質主要是短鏈的醇、醛、酮、酸、酯等[34],如在水果和蔬菜中C6與C9醛類和醇類是其獨特風味的主要貢獻者[26]。植物性食物中經脂肪酸氧化與代謝發生生物成味的途徑主要有3條:α-氧化和β-氧化途徑、脂氧合酶氧化途徑、自氧化途徑[30],其關鍵過程見圖3。

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

1)α-氧化和β-氧化途徑。α-氧化途徑主要作用于C14～C18的長鏈游離脂肪酸,其在α-氧化酶的作用下脫除羧基C,產生一分子的CO2和比原來脂肪酸少一個碳原子的醛,并進一步在醛脫氫酶的作用下,被氧化為相應的脂肪酸,進入新一輪的氧化循環[35]。當氧化降解的脂肪酸碳鏈被拆解到十二碳以下時,α-氧化酶體系的活性急劇減弱或消失,而十二碳鏈以下的脂肪酸即可循環其他氧化途徑(如β-氧化)進行代謝[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-碳原子之間斷裂,生成乙酸和比原來少兩個碳原子的醛,并在酯交換反應之前將其還原為相應醇,此后可以進一步發生酯化反應生成一些直鏈酯(如乙酸乙酯)。

2)脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)氧化途徑。LOX特異性作用于含有(Z,Z)-1,4-戊二烯結構的多不飽和脂肪酸(如亞麻酸和亞油酸),將其氧化生成相應共軛多不飽和酸的氫過氧化物。隨后,在氫過氧化物裂解酶、乙醇?；D移酶、乙醇脫氫酶等作用下,產生己醛和(Z)-烯醛[30],最后經過乙醇脫氫酶的作用還原成己醇和烯醇,而(Z)-烯醛也能通過酶促或非酶促反應形成(E)-烯醛,這些物質具有青草味和生草味[37]。如在桃子中,脂肪酸通過LOX途徑生成己醛(E)-2-乙烯基醛和一些芳香族化合物,形成特殊的水果風味[38-39]。

3)自氧化途徑。該途徑主要發生在亞油酸和亞麻酸的氧化降解過程,不飽和脂肪酸的酶促氧化產生的一些揮發性化合物也可以通過自氧化途徑產生。亞油酸的自氧化產生9-和13-氫過氧化亞油酸,而亞麻酸的自氧化產生12-和16-氫過氧化亞麻酸,并進一步發生氧化與鏈斷裂產生醛和烯醛。亞油酸的主要氧化產物是己醛和2,4-癸二烯醛,而亞麻酸的主要氧化產物是2,4-庚二烯醛等[26,30]。

2.1.4萜烯類化合物途徑

萜烯是植物中豐富的次生代謝產物,由重復的異戊二烯單元構成,常見的有單萜(hemiterpene,C5)和倍半萜(hemiterpene,C15)、二萜(diterpene,C20)等,而單萜和倍半萜在水果的特征香氣和風味方面起著重要作用[40]。萜烯主要來源于甲基戊酸(methylvalerate,MVA)途徑(基于乙酰輔酶A)或甲基赤蘚糖醇-4-磷酸(methylerythritol-4-phosphate,MEP)途徑(基于丙酮酸和甘油醛-3-磷酸)[41],分別通過MVA和MEP途徑產生關鍵中間產物異戊烯基二磷酸(isopentyldiphosphate,IPP)及其烯丙基異構體二甲基烯丙基二磷酸(dimethyl allyl diphosphate,DAMPP)。此后,中間產物在烯丙基轉移酶的催化下轉化為萜烯前體,主要包括:單萜前體香葉基二磷酸(geranyl diphosphate,GDP)、倍半萜和三萜前體法尼基二磷酸(farnesyl diphosphonate,FDP)和二萜和四萜前體香葉基香葉基二磷酸(geranyl geranyl diphosphate,GGDP)等[26],并進一步在萜烯合成酶的作用下合成特定的萜烯骨架[42-43]。萜烯經過酶催化和氧化反應,可以轉化為相應的醇、酮、醛、酸等衍生物,如萜烯醇、萜烯酮、萜烯醛和萜烯酸,它們是很多植物特殊香氣的主要成分。研究表明,單萜香葉醇和香茅醇分別是麝香和葡萄特征香氣的關鍵成分[29]。

2.2 外源性生物成味機制

植物性食物中的外源性生物成味通常借助于微生物和酶實現。與內源性生物成味不同,外源性生物成味的過程涉及的酶是外源的,并非植物性食物自身固有的酶[44]。

隨著科技的快速發展,外源酶催化技術在改善食物的風味方面具有廣泛的適用性[44]。植物性食物中生物成味的外源酶主要源于天然動植物與微生物的分離酶,這些酶部分已經作為商品廣泛應用于食物風味的改善。植物性食物中的碳水化合物、脂肪、蛋白質等在外源酶的作用下直接或者間接轉化成特征風味物質,或抑制異味前體物質與異味物質的產生。脂肪酶催化可以在食物基質中通過催化脂質的醇解或脂肪酸與醇的酯化反應原位生成芳香酯[45]。這些酯類具有令人愉悅的感官屬性,例如水果和花的氣味和味道。在茶葉加工中添加來自真菌的外源性脂肪酶,可以分解含有高度不飽和脂肪酸的脂質,助力其進一步轉化為揮發性風味物質,其中與茶葉風味相關的(Z)-3-己烯醇和芳樟醇含量顯著增加,有助于增強茶的香氣[46]。大多數植物成分缺乏肉香或肉味[47],并且存在澀味、苦味和金屬味等異味,因此在一定程度上限制了其應用[48]。研究發現,揮發性異味物質主要由不飽和脂肪酸氧化形成,不飽和脂肪酸經過氫過氧化物與自由基反應產生各種異味次級代謝物,如正己醛、乙基乙烯基酮和1-辛烯-3-醇[49];而非揮發性的異味相關物質則源于酚類化合物、游離脂肪酸、苦味氨基酸、皂苷和生物堿等。利用馬氏克魯維菌、解淀粉芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌發酵大豆后,使脂肪加氧酶變性,抑制了多不飽和脂肪酸氧化形成異味的醛類物質,或者通過微生物產生理想的揮發性物質掩蓋了豆類中自然存在的異味,因此大豆的異味(如豆腥味)顯著減少或消失[50]。

微生物可通過從頭合成和生物轉化影響植物性食物風味的形成,在微生物和酶的協同作用下碳水化合物、脂質、蛋白質及其他大分子營養物質水解產生單糖(如葡萄糖和果糖)、游離脂肪酸和游離氨基酸等初級代謝產物,并進一步代謝產生多種次級代謝風味化合物,影響最終食物的風味和口感[48]。微生物通過糖酵解途徑將單糖轉化為丙酮酸,丙酮酸進一步轉化為短鏈有機酸、醇類和羰基化合物等揮發性風味物質,如雙乙酰、乙醛、乙酸和乙醇[51]。在葡萄酒發酵過程中,釀酒酵母產生的β-葡萄糖苷酶會催化糖苷前體和單萜類化合物的水解,產生強烈的花香,并增強葡萄酒的風味[52]。在茶葉發酵過程中添加外源的酪氨酸酶和β-葡萄糖苷酶,與花香甜味相關的芳樟醇、氧化芳樟醇和水楊酸甲酯含量增加,增強了紅茶的香氣[53]。此外,在食品加工中,合理添加微生物分離的生物酶可以促進特定風味物質的產生,加強食品的風味,例如使用來自酵母的β-葡萄糖苷酶和扁桃腈裂解酶可以將櫻桃仁和杏仁粉中存在的氰基葡糖苷和苦杏仁苷轉化為櫻桃和杏仁味的苯甲醛[54]。

此外,植物性食物也經常通過加酶處理對蛋白質進行分解,以減少食品加工過程中異味前體和化合物的含量。例如通過來自解淀粉芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌的Protamex酶處理大豆分離蛋白,可減少其中己醛、戊醇和己醇等物質的形成,抑制“豆腥味”的產生[55]。目前市場上乳酸菌發酵的植物蛋白產品主要有植物酸奶和發酵植物蛋白飲料等,常用于發酵的植物蛋白原料有大豆、豌豆、霹靂果、腰果、花生等[56]。在植物類酸奶和發酵乳發酵中,可以將酶催化和發酵相結合,先利用酶將谷物中的淀粉轉化為乳酸菌可利用的低聚糖,再添加適當的氮源物質,經乳酸菌發酵,獲得的產品不僅風味、口感更加豐富,還富含活性多肽、黃酮、多酚等多種功能活性物質,具有更好的營養健康功效[57]。如將克魯維畢赤酵母(Pichiakluyveri)和植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)依次接種到植物飲品中對其進行共發酵,飲料的酸味顯著增加,而澀味顯著降低,口感得到極大的改善[58]。

3 展 望

食品風味前處理方法的革新以及氣相色譜-質譜(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)聯用、氣相色譜-嗅覺測定法(gas chromatography-olfactometry,GC-O)、液相色譜-質譜(liquid chromatography-mass spectrometry,LC-MS)聯用技術等高靈敏度定性與定量儀器分析技術的發展,為植物性食物生物成味的研究提供了有力支撐。隨著分子生物學和生物信息學的快速發展,多組學聯用技術已被廣泛應用于植物性食物中微生物菌落和關鍵風味物質的綜合分析,并可準確構建香氣重組體以確定食品風味組成與代謝途徑。盡管多組學聯用技術為風味物質代謝調控提供了重要的研究方法,但是目前依舊有諸多生物成味過程尚待解析。

植物性食物中的風味物質分析和檢測相關研究發展迅速,已取得了顯著進展,而生物成味研究則整體起步較晚,展望未來的研究方向,可以包括幾個方面。

1)深入研究植物性食物中關鍵風味物質的組成和形成機理是去除異味產生理想風味物質的理論依據,而其背后的研究食物生物成味機理的整體系統性的網絡還未形成。未來可以通過生物信息學和系統生物學方法理清食品成味途徑和影響因素之間的復雜網絡關系,同時通過跨學科研究,如食品科學、微生物學和化學,解析食物生物成味的機制。

2)內源、外源合成途徑如何平衡與互作還不清楚,后續研究可以借助分子生物學和代謝工程等技術來探索植物性食物風味物質在形成過程中,內源和外源合成途徑的相互作用和平衡機制。

3)多種分析方法為明確風味物質組成和生物成味機制提供了技術支撐,但一些分析手段還存在弊端,例如風味物質的閾值問題還有待探索。后續可以結合新興的檢測技術以提高風味物質檢測的準確性和靈敏度。同時,研究風味物質的感官閾值,以便更好地理解和操縱風味特性。

4)通過生物成味的本質來指導工業生產的應用尚需加強?？梢越Y合傳統食品工藝和現代生物技術,如發酵工程和酶工程,以生物成味機制指導工業生產流程,優化產品的風味和質量,同時基于生物成味的分子機制,采用發酵工程、酶工程和其他生物技術,實現新產品的創制和產業化生產。