油脂組學(xué)的發(fā)展及其應(yīng)用

杜潤峰，徐勇將，劉元法

（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

2009年，食品組學(xué)被定義為一門新興的學(xué)科，將先進的組學(xué)技術(shù)用于食品安全與營養(yǎng)等研究領(lǐng)域，以提高消費者在日常飲食中的幸福感、健康和信心[1]。油脂、蛋白質(zhì)、碳水化合物是自然界存在的三大重要物質(zhì)，也是食品中的三大重要組成成分。油脂不僅可以為機體活動提供熱量和必要的脂肪酸，且油脂中功能性成分也具有多種生理功能，如多不飽和脂肪酸具有降血壓、血脂、膽固醇，預(yù)防心血管疾病，老年癡呆癥、癌癥等多種功能[2-4]。但是，隨著食用油消費的不斷增加和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，油脂加工過程中危害物檢測過程繁瑣、特色油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然處于弱勢、油脂與營養(yǎng)之間的內(nèi)在聯(lián)系不透徹等問題成為油脂科學(xué)發(fā)展的重要挑戰(zhàn)[5]。因此，油脂組學(xué)作為食品組學(xué)中重要的分支，應(yīng)用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和生物信息學(xué)等先進的研究方法，實現(xiàn)了對復(fù)雜的油脂結(jié)構(gòu)高通量、高靈敏度、高精密度的分析，突破油脂營養(yǎng)和安全問題的瓶頸，為油料種植、油脂加工、油脂質(zhì)量安全和營養(yǎng)吸收等問題提供了解決方案。

1 油脂組學(xué)的定義及研究方法

1.1 油脂組學(xué)的定義

油脂組學(xué)是基于多組學(xué)技術(shù)，研究油料生產(chǎn)、加工到消費使用全鏈條過程中物理和化學(xué)特性、營養(yǎng)和安全問題的綜合性學(xué)科，是食品組學(xué)的組成部分（圖1）。油脂組學(xué)不同于脂質(zhì)組學(xué)，脂質(zhì)組學(xué)作為代謝組學(xué)的一個分支，主要用于研究生物體內(nèi)脂質(zhì)分子的特性、鑒定脂質(zhì)代謝和脂質(zhì)介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)過程中的變化[6-7]。油脂組學(xué)是一個包含廣泛學(xué)科的新概念，從DNA、RNA、蛋白質(zhì)、代謝物等分子層面解釋油料作物代謝途徑和油分差異的調(diào)控機制，發(fā)現(xiàn)和篩選優(yōu)良品種；實現(xiàn)高通量、高靈敏度、全覆蓋地測定油脂組分及其揮發(fā)性化合物在加工過程中動態(tài)變化規(guī)律；從營養(yǎng)基因?qū)W、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)角度解釋油脂成分及其伴隨物的代謝途徑和對慢性疾病的調(diào)控；從基因組學(xué)和代謝組學(xué)快速、高效地評估油脂的安全性、真?zhèn)涡院退菰葱浴Ｒ虼?，油脂組學(xué)將油脂科學(xué)研究帶入了新時代。

圖1 油脂組學(xué)的研究內(nèi)容Fig. 1 Research aspects in oilomics

1.2 油脂組學(xué)的研究方法

油脂組學(xué)的主要研究方法包括基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等，以及生物信息學(xué)技術(shù)對組學(xué)大數(shù)據(jù)分析，展現(xiàn)油脂-生物系統(tǒng)相互作用的整體圖景。

基因組學(xué)旨在確定生物體中存在的遺傳信息，常用的技術(shù)手段有全基因組測序、基因分型、表觀基因組學(xué)等[8]?；蚪M學(xué)可以解釋油料作物的脂質(zhì)積累和降解途徑以及油分差異的調(diào)控機制，為實現(xiàn)優(yōu)良品種的培育提供依據(jù)，還有利于油脂的追溯性和摻假檢測。此外，基于高通量測序技術(shù)的腸道微生物宏基因組學(xué)為研究油脂攝入對慢性病的干預(yù)和治療提供了新思路[9-10]。

轉(zhuǎn)錄組學(xué)是主要研究細胞或組織所有基因轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律的學(xué)科，其中用于定性和定量轉(zhuǎn)錄組的方法主要可分為基于雜交技術(shù)的基因芯片技術(shù)，以及基于測序分析的全基因組表達譜研究，其中RNA-seq技術(shù)是基于測序分析方法的最新代表，成為目前轉(zhuǎn)錄組研究的主要手段[11-13]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)通過高通量測序?qū)τ土献魑锘蜻M行全局分析，探討物種間油分差異的調(diào)控因素，為遺傳改良提供基礎(chǔ)；還可以對生物體內(nèi)的基因表達進行分析，探究油脂及其伴隨物對體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)作用，明確油脂與營養(yǎng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

蛋白質(zhì)組學(xué)是利用蛋白質(zhì)組分分離技術(shù)、鑒定技術(shù)以及信息學(xué)對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能進行分析和預(yù)測[12]。常用的分析平臺包括雙向凝膠電泳質(zhì)譜（two-dimensional electrophoresis，2-DE-MS）、多維蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)（multidimensional protein identification technology，MudPIT）、基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜（matrix assisted laser analytical ionization time-of-flight mass spectrometry/mass spectrometry，MALDI-TOF-TOF MS/MS）[11]。利用蛋白質(zhì)組學(xué)方法可以更好地理解油料作物中油脂形成機理和油脂對于一些慢性代謝疾病的調(diào)控機制，以及鑒定疾病標志物等。

代謝組學(xué)可以分為非靶向代謝組學(xué)和靶向代謝組學(xué)。非靶向分析在檢測和發(fā)現(xiàn)新型油脂方面非常出色，因此非常適合于發(fā)現(xiàn)差異和生物標志物候選物的篩選，盡可能覆蓋所有的組分，但對所有的化合物測定不能達到最優(yōu)；而靶向分析是對某個特定組分進行分析，對所選擇的組分測定更靈敏和徹底，在研究分子機制方面具有強大的作用[14]。脂質(zhì)組學(xué)作為代謝組學(xué)的分支，在生物醫(yī)學(xué)研究中已被用于藥物活性和治療效果的評價以及某些疾病的早期診斷[15]。目前，廣泛應(yīng)用的分析手段有核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）和毛細管電泳質(zhì)譜（capillary electrophoresis-mass，CE-MS）等[14,16]。此外，快速蒸發(fā)離子化質(zhì)譜（rapid evaporative ionization mass spectrometry，REIMS）是一種無需樣品預(yù)處理的新型實時質(zhì)譜技術(shù)，通過手持智能手術(shù)刀切割樣品采集數(shù)據(jù)從而獲得組學(xué)輪廓，檢測離子的信噪比范圍為49.58～205.30，靈敏度和精密度均較高，是一種簡單、高效、準確的新型技術(shù)手段[17]。

2 油脂組學(xué)的應(yīng)用

2.1 油脂組學(xué)在物理和化學(xué)特性方面的應(yīng)用

油料作物中油脂含量及組分受到遺傳和環(huán)境等多種因素的影響。油脂組學(xué)中的基因組測序、RNA測序（轉(zhuǎn)錄組測序）有助于確定基因的特征，差異基因的表達，為研究油料作物的代謝途徑和油分差異的調(diào)控機制以及培育優(yōu)良的油料作物提供種植方面策略和技術(shù)手段。Thambugala等[18]通過對120個亞麻品種的基因進行測序，確定了6個去飽和酶基因的遺傳變異及其對脂肪酸組成的影響，為開發(fā)獨特的、有價值的亞麻油料提供了有用的遺傳和分子信息；沈玥[19]建立白菜、甘藍及甘藍型油菜脂類代謝基因庫，并對酰基酯類代謝相關(guān)基因及轉(zhuǎn)錄因子進行注釋和綜合分析，為油菜油脂含量與組分改良提供理論依據(jù)，同時也為其他油料作物脂肪酸的積累和改良提供寶貴信息；Vuorinen等[20]表征了不同生長條件對油菜種子中油脂成分與基因表達水平的影響，發(fā)現(xiàn)降低溫度和減少日照時間能夠提高油菜種子中十八碳三烯酸的水平，且促進參與甘油三酯（triglycerides，TG）生物合成的基因表達。陳書琪[21]比較了大豆、油菜、棉花、芝麻種子在不同發(fā)育時期的基因差異表達及油脂代謝、糖轉(zhuǎn)運、糖酵解等相關(guān)基因的表達，探討了物種間油分差異的調(diào)控因素，也為油脂含量差異的分子機制提供了科學(xué)依據(jù)。

油脂組學(xué)可以通過蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)方法研究油料作物種植過程中蛋白質(zhì)的動態(tài)變化規(guī)律、油脂積累和降解機制，為油料作物的育種和種植提供新思路。王允[22]分析了花生種子在不同發(fā)育時期及萌發(fā)后蛋白質(zhì)組學(xué)的變化規(guī)律，挖掘了不同發(fā)育時期的油脂積累和萌發(fā)后油脂降解分子機理，進一步通過CRISPR-Cas9定點突變技術(shù)敲除FAD2基因分析花生高油酸性狀的分子遺傳機制，為培育高油酸花生提供基礎(chǔ)。Zhang Yujuan等[23]對經(jīng)過鹽處理的耐鹽和敏感性芝麻幼苗的30個樣品進行了RNA測序和定量蛋白質(zhì)組學(xué)分析，不同品種之間基因和蛋白質(zhì)表達譜的差異可能有助于解釋芝麻的鹽分響應(yīng)和耐受機制，也有望為其他油料作物耐鹽性的分子機制提供有價值的信息。Bennouna等[24]通過代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方法，發(fā)現(xiàn)油菜種子的乙醇提取物能夠誘導(dǎo)血漿前列腺素物質(zhì)水平降低而緩解氧化應(yīng)激，指出種植條件或遺傳特性改變會引起植物種子次生代謝產(chǎn)物水平發(fā)生變化，進而影響其營養(yǎng)健康特性。Woodfield等[25]采用脂質(zhì)組學(xué)方法，分析不同品種油菜在脂肪積累點以及甘藍型油菜在油分積累的早、中、晚3個階段的三?；视?、二酰基甘油、磷脂酸、磷脂酸膽堿和磷脂酸乙醇胺的變化，發(fā)現(xiàn)分子種類的分布明顯不同，并且表明了油脂積累過程中代謝的復(fù)雜性質(zhì)，理論計算指出三酰基甘油生物合成過程中二?；视王；D(zhuǎn)移酶的貢獻高于磷脂二酰甘油酰基轉(zhuǎn)移酶，這對理解世界上第三重要油料作物中最終貯藏脂質(zhì)的形成有重要貢獻。

2.2 油脂組學(xué)在油脂加工方面的應(yīng)用

油脂組學(xué)可以從分子水平研究加工過程對油脂組分的影響，為探索更加安全、高效、綠色的加工方式提供依據(jù)。胡謙等[26]分析鑒定了壓榨和浸出油茶籽油的55 種甘油酯，發(fā)現(xiàn)這兩種方式得到的油茶籽油中甘油酯相對含量差異不顯著，而結(jié)合化學(xué)計量學(xué)，建立主成分分析（principal component analysis，PCA）和正交偏最小二乘-判別分析（orthogonal partial least square-discriminant analysis，OPLS-DA）模型可以有效區(qū)分不同加工方式的油茶籽油。雷有娟等[27]對5 種溶劑提取的磷脂中脂肪酸組成進行比較，發(fā)現(xiàn)正己烷提取的磷脂中不飽和脂肪酸含量最高，然后用超高效液相色譜-四極桿串聯(lián)飛行時間質(zhì)譜儀（ultra-high performance liquid chromatographyquadrupole time-of-flight mass spectrometry，UPLC-QTOFMS）在負離子模式下分析白酥油、黃酥油、白酥油磷脂和黃酥油磷脂的脂質(zhì)成分，發(fā)現(xiàn)白酥油、黃酥油和白酥油磷脂中磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）含量最高，而黃酥油磷脂中磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PS）含量最高，這一發(fā)現(xiàn)為牦牛酥油的進一步開發(fā)奠定基礎(chǔ)?；诖x組學(xué)方法，Jiang Fan等[28]指出熱榨和水酶法制備的花生油可以有效改善高脂飲食引起的機體損傷和肝代謝紊亂，攝入冷榨花生油可以降低大鼠肝臟和血清中的部分氨基酸、脂肪酸、磷脂和碳水化合物水平，而攝入水酶法制備的花生油可以增加大鼠肝臟和血清中棕櫚酸、尿酸和嘧啶含量。

油脂制備、烹調(diào)、煎炸等會影響油脂風(fēng)味，運用油脂組學(xué)的方法高通量測定揮發(fā)性化合物的變化規(guī)律，對油脂的加工利用具有積極作用。測定油茶籽油在不同加工工藝（液壓法、螺旋壓榨法和浸出法）和壓榨條件（不同含殼率、含水率、烘烤溫度和時間）下?lián)]發(fā)性成分的形成規(guī)律，并分析成因與機制，為探究高質(zhì)量茶油的生產(chǎn)條件提供依據(jù)[29-31]。Giuffrè等[32]研究特級初榨橄欖油、橄欖果渣油、大豆油和棕櫚油在不同加熱條件下（180 ℃和220 ℃下分別加熱30、60、120 min）的揮發(fā)性特征化合物，指出特定的醛類化合物可以用來評估植物油的感官特性和健康特性，也可以通過選擇合適的溫度和加熱時間保持風(fēng)味并減少食用油在加熱過程中產(chǎn)生的異味。Tian Peng等[33]鑒定并對比了在不同的溫度（90、110、130、150 ℃和170 ℃）下通過油炸青蔥制備的青蔥油中的揮發(fā)性化合物，多元數(shù)據(jù)分析指出己醛、(E)-2-庚烯、(E)-2-辛烯、二丙基二硫化物、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪和1-辛烯-3-醇對整體香氣非常重要。

2.3 油脂組學(xué)在營養(yǎng)與健康中的應(yīng)用

油脂作為人體能量的重要來源，其營養(yǎng)健康對人類的身體健康具有重要作用。因此，將基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和生物信息學(xué)應(yīng)用于油脂研究中形成油脂組學(xué)，有利于人們?nèi)?、系統(tǒng)地掌握油脂與營養(yǎng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，對于促進國民形成科學(xué)合理的飲食習(xí)慣、推動國民身體健康具有重要意義。油脂組學(xué)在營養(yǎng)與健康中的應(yīng)用集中于不同油脂中必需脂肪酸、脂溶性維生素、磷脂、甾醇、脂質(zhì)伴隨物等營養(yǎng)價值及其對慢性病的影響（表1）。Lu Yuanyuan等[34]基于宏基因組學(xué)研究短鏈脂肪酸降低體質(zhì)量機制，發(fā)現(xiàn)補充短鏈脂肪酸會影響G蛋白偶聯(lián)受體的表達和腸道微生物的區(qū)系組成，促進脂肪組織中TG水解和游離脂肪酸（free fatty acid，F(xiàn)FA）氧化，以及棕色脂肪生成和線粒體生物合成，抑制慢性炎癥，從而進一步減輕體質(zhì)量。Warner等[35]基于基因組學(xué)和代謝組學(xué)，發(fā)現(xiàn)降低ω-6/ω-3多不飽和脂肪酸比例能夠減輕乙醇引起的腸道穩(wěn)態(tài)、腸道微生物區(qū)系、膽汁酸代謝和血漿代謝組的特異性變化，減少腸道炎癥和相關(guān)的肝損傷。此外，代謝組學(xué)是監(jiān)測摻入油脂及其脂肪酸在營養(yǎng)研究中的合適方法，有利于油脂營養(yǎng)成分的作用通路和機制的研究，推動油脂營養(yǎng)研究的發(fā)展。例如，Pastor等[36]采用脂質(zhì)組學(xué)評估補充ω-3脂肪酸對人體的益處，發(fā)現(xiàn)囊性纖維化患者補充ω-3脂肪酸12個月后，二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）主要轉(zhuǎn)化為高不飽和膽固醇酯和磷脂酰膽堿，而轉(zhuǎn)化為磷脂酰乙醇胺和甘油三酯程度較低。

表1 油脂組學(xué)在營養(yǎng)與健康中的應(yīng)用Table 1 Applications of oilomics in research in nutrition and health

2.4 油脂組學(xué)在食品質(zhì)量安全中的應(yīng)用

油脂在加工和貯藏過程中會發(fā)生各種反應(yīng)，其中氧化產(chǎn)生的羰基化合物極有可能參與到美拉德反應(yīng)中，從而促進丙烯酰胺、雜環(huán)胺、5-羥甲基糠醛和晚期糖基化末端產(chǎn)物等多種危害物的形成，對人體健康構(gòu)成威脅[46]。高通量的油脂組學(xué)方法以及氧化脂肪酸數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，能夠更高效便捷地對脂肪酸氧化產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)進行分析，并對未知的氧化脂肪酸進行預(yù)測，同時可以定性定量分析氧化脂肪酸，為油脂安全提供新的解決方法。覃佐劍等[47]對室溫和180 ℃下處理30 min后的菜籽油、紫蘇油、葵花油、亞麻籽油中的氧化脂肪酸進行定性定量分析，篩選出了食用油氧化初級階段潛在的脂肪酸氧化標志物，對探究植物油氧化機制、營養(yǎng)品質(zhì)控制具有指導(dǎo)意義。Capriotti等[48]表征特級初榨橄欖油在儲藏過程中的極性脂質(zhì)和FFA，研究其降解規(guī)律，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率最快的是磷脂極性頭的磷酸酯水解反應(yīng)，其次是甘油酯水解和氧化過程。丁磊等[49]測定油脂中9 種膽固醇氧化物，有利于研究油脂中膽固醇氧化產(chǎn)物，保障油脂產(chǎn)品質(zhì)量。多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、多氯聯(lián)苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）和塑化劑是植物油中常見的污染物，孟維一等[50]建立一種高通量同時快速分析測定市售食用油中的16 種PAHs、18 種鄰苯二甲酸酯和7 種PCBs，大大節(jié)省了檢測成本和檢測時間，可為食用油的質(zhì)量安全監(jiān)管提供便利。

在油脂消費領(lǐng)域，部分不法商販貪圖高額利潤，將低價值植物油添加到高價值油脂中，或?qū)⒉蛷N回收油脂經(jīng)過簡單精煉后加入正常油脂中，這極大地損害了消費者的權(quán)益。相比于傳統(tǒng)檢測方法，油脂組學(xué)具有高通量、高靈敏度、簡便等特點，在油脂成分分析、品質(zhì)判別、真?zhèn)舞b定方面有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。唐芳[51]建立七大植物油（菜籽油、大豆油、花生油、棉籽油、茶籽油、棕櫚油和葵花籽油）脂肪酸的標準指紋圖譜，較好地反映了每種油脂間的差異，相似度分析法可定性鑒別油脂摻假。張東等[52]分析棕櫚油和動物脂肪（豬脂、牛脂和羊脂）的TG種類和含量，利用主成分分析進行區(qū)分，也為摻假鑒別提供了理論基礎(chǔ)。徐冰冰等[53]基于代謝組學(xué)并結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法成功區(qū)分了沙棘油和對照食用油（菜籽油、葵花籽油和大豆油），并根據(jù)OPLS-DA模型等進行數(shù)據(jù)分析，得到了14 種特征標識化合物。da Silveira等[54]基于電噴霧電離質(zhì)譜（electrosprayionizationmass spectrometry，ESI-MS）技術(shù)，在正離子模式下對添加1%大豆油的初級橄欖油進行了快速鑒定。

基于代謝組學(xué)方法分析油脂中的揮發(fā)性有機物也是一種高效的品質(zhì)判別和摻假鑒定的方式。蔣萬楓等[55]采用靜態(tài)頂空-氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析菜籽油、大豆油、棉籽油、花生油、芝麻油、玉米油和棕櫚油中揮發(fā)性化合物，應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)分析方法對不同種類的油進行判別和分類。Sales等[56]采用吸附捕集的動態(tài)頂空固相萃取方法，測定橄欖油中的揮發(fā)性有機化合物，然后使用新型數(shù)據(jù)處理軟件PARADISe、EZ-Info進行多變量分析以及創(chuàng)建統(tǒng)計模型，對橄欖油質(zhì)量進行分類，準確度達到了85%，其中特級初榨樣品100%均被正確分類。Cecchi等[57]定量分析了1 223 種初榨橄欖油的73 種風(fēng)味化合物，隨后結(jié)合感官評價提出，僅使用10 種揮發(fā)性有機化合物（辛烷、庚醛、戊-1-烯-3-醇、Z-3-己醛、壬醛和4-乙基苯酚等）分類橄欖油的正確率為80.1%。此外，基于基因組學(xué)的方法，Agrimonti等[58]從橄欖油中提取DNA，為可追溯性和檢測摻假提供了便利。

3 結(jié) 語

油脂組學(xué)作為食品領(lǐng)域的新興學(xué)科，對油脂科學(xué)的研究具有極大的推動作用。高通量、高分辨率、高精確性的分析方法將突破油料和油脂成分復(fù)雜性和多樣性的限制。計算機技術(shù)特別是人工智能的發(fā)展，使得大數(shù)據(jù)的處理速度不斷加快，為油脂組學(xué)發(fā)展提供有力保障。油脂組學(xué)實現(xiàn)了在DNA、RNA、蛋白質(zhì)和代謝物等分子水平研究油料從生產(chǎn)加工到儲運消費全鏈條過程中物理和化學(xué)特性、營養(yǎng)和安全問題，將油脂科學(xué)研究帶入了新時代。