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代谢组学在食品工程领域的研究

  代谢组学分析可分为靶向代谢组学或非靶向代谢组学。靶向分析代谢组学的重点是鉴定和定量特定的预期代谢产物。靶向代谢组学通常需要更高水平的纯化和对代谢物的选择性提取。非靶向代谢组学则侧重于检测尽可能多的代谢物组而不必鉴定或定量特定化合物。在食品科学中,代谢组学被用于植物、健康等食品研究计划中。代谢组学已被认为是解决农业和人类营养的未来需求的有效工具。食品代谢组主要包含来自 动物、植物和微生物的代谢产物、 食物种类、产地、温度、乃至耕作方式等多种因素都会对食品代谢产物产生影响。同时,这些代谢产物也会因微生物、加工、储存以及污染而不断改变。这些变化会一直持续到消费者食用为止。食物代谢物的这些变化直接影响食物质量,会在多方面对人体产生影响。目前,对食品中的代谢组学分析已得到广泛的应用。

代谢组学在食品工程领域的研究

  代谢组中化合物种类繁多,目前并没有可以有效地分析所有这些化合物的方法。代谢组学研究的技术包括传统的NMR、液相色谱-质谱法(LC-MS) 和气相色谱-质谱法(GC-MS)与近年来新兴的毛细管电泳-质谱法(CE-MS)与离子迁移谱-质谱法(IM-MS)等。为了更好的确定代谢物,通常将这些方法联用。这使数据在灵敏度、分辨率和质量测量精度方面得到了大幅提高。但这种改进产生了极其复杂的数据集,使代谢组学的数据处理越来越具有挑战性。代谢组学分析包括样品制备、代谢物提取、衍生化、代谢物分离、检测和数据处理等一系列步骤,这些步骤会对食品代谢组学的结果产生很大影响。

  食品代谢组学的样品可能来自固体食品、液体食品、血液、尿液等多种来源,各自适用于不同的样品制备方法。固体食物样品通常在液氮下或冷冻干燥后进行研磨。适当的研磨可增强提取过程中代谢物的释放。冷冻干燥是浓缩步骤,可最大程度地减少由于样品组之间水分含量不同而引起的代谢物差异。液体食物样品可以通过冻干和固相微萃取(SPME)进行浓缩。 Harbourne等人对比了几种干燥方法,认为在较低温度下用托盘干燥可以在快速干燥样品的同时不对样品中的代谢物产生影响。样品的制备在大多数实验中都是必要的,但也有一些方法可以使用原材料直接进行提取。

  提取步骤旨在最大程度地提高目标化合物的数量和浓度,目前已有加压提取、超声提取、超临界提取等多种提取方法应用于食品。在非靶向代谢组学中,目标化合物的性质大多未知, 应测试几种溶剂和萃取方法,并在样品组之间进行比较。研究人员对比了微波辅助提取、固相萃取、超临界流体萃取三种提取技术,发现提取技术对可用于分析的代谢物具有很大影响。Martineau等人使用多种极性不同的溶剂提取细胞代谢物,发现甲醇或甲醇/氯仿/水提取出的代谢物更。Ser等人对代谢物分析的提取条件进行了系统的评估,发现清洗样品也会对细胞内和细胞外代谢物的测量强度产生显著影响。提取代谢物的方法很多,但目前并没有能完整的提取出所有代谢物的方法。许多提取方法还会对代谢物产生影响,因此应根据目的合理进行选择。

  在食品代谢组学中,通常在GC分析之前使用衍生化以增加分析物的挥发性。衍生化通常是一个两步过程,首先是样品的肟化,以减少互变异构现象,然后进行甲硅烷基化降低官能团的亲水性,以增加挥发性。衍生化的时间和温度会在反应开始时独立影响每种代谢物。因此应进行初步实验以确定最佳的衍生化时间和温度,以最大程度地检测目标化合物。Gao等人开发了一种基于三甲基硅衍生化和 GC/MS 分析的人体粪水的定量代谢组学方法。Lu等人探索并优化了衍生化试剂2- 肼基喹啉,可用于在LC-MS中同时分析羧酸、醛和酮。 Mochizuki 等人新合成了L- 焦谷氨酸琥珀酰亚胺酯及其同位素变体,并将其作为衍生化试剂用于氨基酸对映体的分离,并分别进行了血清和酸奶差异分析,验证了该方法的有效性。衍生化是一种行之有效的提升代谢物检测能力的方法,已在多项实验中得到应用。

  检测方法中MS和NMR在食品代谢组学中的使用最为广泛。通常使用MS结合高通量分离技术(例如HPLC或UPLC)以获得大量数据。尽管不像其他检测技术那么灵敏,但NIR在一些代谢组学分析中提供了快速的非破坏性分析。快速的代谢物检测方法已成为食品检测领域的一种趋势。代谢组学已成为食品研究中的有力工具,在食品质量、溯源、污染、加工、以及食品与健康的关系等多方面起到重要的作用。随着DIMS,IMS和EESI等快速检测技术的发展,食品代谢组学已显示出其在越来越多环境中的使用潜力。然而,食品中代谢物的种类数量极为庞大,尽管代谢组学已经可以在单个实验中分析数百到数千个分子,但预计食物代谢组中有成千上万种可能的化学成分,其中大多数尚待确定。

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