芒果果實(shí)采后香氣物質(zhì)合成代謝調(diào)控研究進(jìn)展

梁敏華，蘇新國，梁瑞進(jìn)，楊震峰

（1. 廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院食品學(xué)院，廣東廣州 510520；2. 浙江萬里學(xué)院生物與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波 315100）

果實(shí)中萜烯類、酯類、醇類、醛類及部分含硫化合物共同構(gòu)成了水果特有的香氣活性成分[1]。目前，果品的怡人香氣已逐漸成為吸引消費(fèi)者和增強(qiáng)市場競爭力的重要因素，加之現(xiàn)代食品加工制造工業(yè)對天然香氣的需求越來越大，有關(guān)果實(shí)香氣的研究逐漸成為改善果實(shí)品質(zhì)、提高果實(shí)商業(yè)價(jià)值的重要渠道之一。以往的流行病學(xué)資料表明，果實(shí)中如萜烯類、醛類等活性香氣物質(zhì)對于預(yù)防心血管、腫瘤等疾病具有積極效應(yīng)[2-3]。同時(shí)，從營養(yǎng)學(xué)角度來看，平時(shí)攝入含有較為豐富香氣成分的水果還可以提高食欲，刺激消化腺的分泌，有利于人體身體健康[4]。因此，深入揭示和評價(jià)果實(shí)中香氣物質(zhì)的合成代謝規(guī)律及其營養(yǎng)特性，進(jìn)而調(diào)控果實(shí)在特定發(fā)育階段大量合成積累這類活性組分，已成為園藝產(chǎn)品次生代謝研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

芒果（Mangifera indicaL.） 隸屬于漆樹科芒果屬，與蘋果、香蕉、柑橘、葡萄并稱世界五大水果，其色香味俱全且營養(yǎng)豐富，常被譽(yù)為“熱帶果王”[5]。我國種植芒果歷史悠久，尤其是近半個(gè)世紀(jì)以來，芒果種植已經(jīng)逐漸成為我國熱帶、亞熱帶地區(qū)重點(diǎn)推廣的特色產(chǎn)業(yè)之一[6]。芒果屬于淀粉轉(zhuǎn)化型果實(shí)，呼吸躍變是淀粉轉(zhuǎn)化型果實(shí)通常需要經(jīng)歷的生理發(fā)育階段[7]。呼吸躍變型果實(shí)采后的成熟衰老進(jìn)程伴隨一系列復(fù)雜的代謝響應(yīng)，如果實(shí)中營養(yǎng)活性物質(zhì)的合成代謝、色澤、質(zhì)地的變化等，深入探究涉及其中的生理生化及分子生物學(xué)規(guī)律對調(diào)控果實(shí)采后品質(zhì)形成具有重要的指導(dǎo)意義[8-10]。綜述了芒果果實(shí)香氣物質(zhì)成分及代謝調(diào)控方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以期為芒果果實(shí)活性成分的深度開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 芒果果實(shí)中的香氣物質(zhì)

成熟芒果中富含酯類、酮類、萜烯類等香氣物質(zhì)270 多種，主要有α -蒎烯、異松油烯、3 -蒈烯、順式- β 羅勒烯、檸檬烯、苯甲醛、二甲基苯乙烯利、乙酸乙酯、α-葎草烯、β -瑟林烯、苯乙酮等，屬典型的花香型果實(shí)[11-13]。上述香氣物質(zhì)在果實(shí)生長發(fā)育過程中以脂肪酸、氨基酸、碳水化合物為前體物質(zhì)，經(jīng)一系列酶修飾而形成，涉及多個(gè)生物代謝通路，如呼吸代謝途徑、脂肪酸代謝途徑、氨基酸代謝途徑、異戊二烯類化合物生物合成途徑等[14-15]。

2 呼吸代謝與香氣物質(zhì)合成

呼吸作用既能提供能量支持生物體的正常生命活動(dòng)，又能提供必要的原料或中間產(chǎn)物以促進(jìn)生物體內(nèi)重要活性物質(zhì)的合成[16]。果實(shí)采后呼吸作用形式多樣，可通過糖酵解途徑、磷酸戊糖途徑、三羧酸循環(huán)及其他途徑，表現(xiàn)在中間產(chǎn)物形成與轉(zhuǎn)化、電子傳遞系統(tǒng)與末端氧化酶的變化[17]。由于呼吸強(qiáng)度變化情況的不同，可將果實(shí)的成熟衰老進(jìn)程分為呼吸躍變型和非呼吸躍變型兩類[18]。其中，呼吸躍變型果實(shí)的呼吸作用強(qiáng)度在成熟之前變化緩慢，在將要成熟時(shí)急劇升高直至呼吸頂峰，隨后下降。芒果果實(shí)內(nèi)含大量的淀粉，屬于典型的呼吸躍變型果實(shí)，其成熟衰老過程經(jīng)歷了明顯的呼吸躍變生理效應(yīng)。眾多研究表明，呼吸躍變型果實(shí)營養(yǎng)活性物質(zhì)的合成與代謝是由果實(shí)內(nèi)在因素和外部環(huán)境共同誘導(dǎo)而引發(fā)的生理過程，其中內(nèi)在因素包括呼吸底物的利用與轉(zhuǎn)化、呼吸途徑的轉(zhuǎn)變、中間產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)化、次生物質(zhì)合成與調(diào)控等方面[19-21]。其中，中間產(chǎn)物如乙酰輔酶A、α -酮戊二酸、丙酮酸、延胡索酸、草酰乙酸等，次生物質(zhì)如磷酸果糖、己糖和戊糖等可能參與了果實(shí)香氣物質(zhì)的合成代謝[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，果實(shí)呼吸強(qiáng)度及中間產(chǎn)物的形成與轉(zhuǎn)化與果實(shí)可溶性糖的含量密切相關(guān)[25]。低氧、低溫可降低果實(shí)呼吸強(qiáng)度，進(jìn)而誘導(dǎo)果實(shí)能保持較高的可溶性固形物和抗氧化物質(zhì)含量[26]。此外，躍變型果實(shí)在采后成熟衰老過程中，磷酸戊糖途徑莽草酸途徑協(xié)同影響，增加了酮類、萜烯類等次生代謝物質(zhì)的積累，為香氣物質(zhì)的合成提供了充足的原料[27-29]。由此可見，躍變型果實(shí)在采后成熟衰老過程中，呼吸代謝對果實(shí)香氣活性物質(zhì)的合成代謝起到了重要的調(diào)控作用。

3 脂肪酸代謝與香氣物質(zhì)合成

不飽和脂肪酸如亞油酸、亞麻酸等是果實(shí)香氣物質(zhì)合成代謝的主要前體物質(zhì)。脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX） 是脂肪酸代謝途徑中的起始關(guān)鍵酶，不飽和脂肪酸在LOX 的催化作用下生成多烯脂肪酸氫過氧基衍生物[30]。多烯脂肪酸氫過氧基衍生物經(jīng)氧化烯合酶（Allene oxide synthase，AOS）、環(huán)氧丙烷環(huán)化酶（Allene oxide cyclase，AOC）、12 -氧-植物二烯酸還原酶（12-oxo-phytodienoic acid reductase，OPR） 的催化作用下生成茉莉酮酸，茉莉酮酸在茉莉酸甲基轉(zhuǎn)移酶（Jasmonate methyltransferase，JMT）作用下可生成茉莉酮和茉莉酮酸甲酯[31]。同時(shí)，多烯脂肪酸氫過氧基衍生物也可經(jīng)氫過氧化物裂解酶（Hydroperoxide lyase，HPL） 作用生成3,6 - 壬二烯醛和3 -己烯醛，后兩者可在醇脫氫酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）、醇酰輔酶A 轉(zhuǎn)移酶（Alcohol acyl CoA transferase，AAT）、3Z,2E - 烯 醇 異 構(gòu) 酶（3Z,2E-enal isomerase，3Z,2E-EI）、HPL 作用下生成2,6 -壬二烯醇、順- 3 -乙酸乙酯、2 -己烯醇、己醛等活性物質(zhì)[32]。已有研究表明，經(jīng)外源亞麻酸和亞油酸處理后的番茄果實(shí)己烯醛含量分別增加12 倍和14 倍[14]；LOX 酶活性受到抑制狀態(tài)下的蘋果由于缺乏合成酯類的底物而使得果實(shí)產(chǎn)生非正常的氣味[33-34]，而過量表達(dá)芒果LOX 基因，果實(shí)中的δ -戊內(nèi)酯和δ -十聚內(nèi)酯含量顯著增加[35]；但到目前為止，有關(guān)芒果果實(shí)成熟和采后呼吸躍變前后經(jīng)脂肪酸代謝途徑產(chǎn)生的香氣物質(zhì)的合成和調(diào)控卻鮮有報(bào)道。因此，系統(tǒng)探究芒果采后脂肪酸代謝途徑及相關(guān)機(jī)制，必然有助于探明芒果果實(shí)成熟期間香氣物質(zhì)的合成與調(diào)控機(jī)理。

4 氨基酸代謝與香氣物質(zhì)合成

果實(shí)中的丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和天冬氨酸等氨基酸可通過氨基酸代謝途徑經(jīng)脫羧、還原、氧化或酯化反應(yīng)，生成帶有明顯風(fēng)味特征的醇類、碳基化合物類、酸類和酯類等活性物質(zhì)[36]。其中，酮酸和?；o酶A 是代謝途徑重要中間產(chǎn)物，酮酸可在脫氫酶或脫羧酶的繼續(xù)作用下分別轉(zhuǎn)化為酰基輔酶A 和醛，后者在乙醇脫氫酶（Alcohol dehydrogenase，ADH） 的作用下轉(zhuǎn)化成醇；酰基輔酶A 和醇在醇?；D(zhuǎn)移酶（Alcohol acetyltransferase，AAT） 的催化作用下形成酯類物質(zhì)，對果實(shí)的怡人香氣具有重要貢獻(xiàn)。研究表明，芒果果實(shí)MiADH1 和MiADH2 基因在果實(shí)成熟初期表達(dá)明顯，MiADH3 在果實(shí)整個(gè)發(fā)育成熟期間表達(dá)明顯，ABA 處理可以上調(diào)MiADH1 表達(dá)，下調(diào)MiADH2 表達(dá)，而對MiADH3 表達(dá)無顯著影響[37]。截至目前，有關(guān)芒果采后經(jīng)氨基酸代謝途徑產(chǎn)生的香氣物質(zhì)的合成和調(diào)控還鮮有報(bào)道，氨基酸代謝途徑相關(guān)酶活性變化情況、中間或末端產(chǎn)物合成代謝情況尚未明晰，系統(tǒng)研究此間的內(nèi)在聯(lián)系及其相關(guān)機(jī)制，對于探明芒果果實(shí)成熟期間香氣物質(zhì)的合成與調(diào)控機(jī)理顯得尤為重要。

5 萜類化合物代謝與香氣物質(zhì)合成

萜類化合物是果實(shí)香氣活性物質(zhì)中的代表性組分，主要由以異戊二烯結(jié)構(gòu)（C5H8）n為基本單元的烴類及其含氧衍生物組成。根據(jù)含有異戊二烯結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目進(jìn)行分類，萜類化合物可分為單萜（Monoterpenes，C10）、倍半萜（Sesquiterpenes，C15）、二萜（Diterpene，C20）、三萜（Triterpene，C30）、四萜（Tetraterpene，C40）、多萜（Polyterpene，n 個(gè)C5，n＞10） 等。上述所有萜類化合物均由C5 結(jié)構(gòu)單元異戊烯焦磷酸（Isopenetenyl diphosphate，IPP） 及其烯丙基異構(gòu)體二甲稀丙基二磷酸（Dimethylallyl diphosphate，DMAPP） 縮合而成。IPP 和DMAPP 在植物體中可通過細(xì)胞質(zhì)中的甲羥戊酸（Mevalonic acid，MVA） 途徑或質(zhì)體中的2 - C -甲基- D -赤蘚糖醇- 4 -磷酸（Methylerythritol phosphate，MEP）途徑合成。在MVA 途徑中，2 個(gè)分子IPP 和1 個(gè)分子DMAPP 在法尼基焦磷酸合成酶（Farnesyl pyrophosphate synthase，F(xiàn)PPS） 催化作用下合成倍半萜烯前體物質(zhì)法尼基焦磷酸（Farnesyl pyrophosphate，F(xiàn)PP），F(xiàn)PP 進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為倍半萜烯、三萜烯、鯊烯及甾醇等[38]。在MEP 途徑中，1 個(gè)分子IPP 和1 個(gè)分子DMAPP 在牻牛兒基焦磷酸合成酶（Geranyl pyrophosphate synthase，GPPS） 催化作用下合成單萜烯前體物質(zhì)牻牛兒基焦磷酸（Geranyl pyrophosphate，GPP），GPP 再進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單萜烯[39]；或者3 個(gè)分子IPP 和1 個(gè)分子DMAPP 在牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸合成酶（Geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPPS）催化作用下合成二萜烯前體物質(zhì)牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸（Geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP），GGPP再進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二萜烯、四萜烯或類胡蘿卜素等[39-40]。初步研究結(jié)果表明，MVA 途徑和MEP途徑并不是獨(dú)立存在的，萜烯類化合物的生物合成過程中中間產(chǎn)物IPP 的相互交換、補(bǔ)充現(xiàn)象使得上述2 種代謝途徑有著密切的聯(lián)系[41-42]。Kulkarni R 等人[43]研究發(fā)現(xiàn)25 ℃或0.3 mmol/L 濃度MgCl2外源處理能使芒果FPPS 催化活性達(dá)到最佳，而40 ℃或6 mmol/L濃度MgCl2外源處理則能使芒果GPPS1 和GPPS2 活性達(dá)到最大值，這表明恰當(dāng)?shù)耐庠刺幚砟芮袑?shí)有效提高萜類化合物生物合成途徑中關(guān)鍵酶的活性。然而，現(xiàn)有的研究大多只是針對果實(shí)中萜類化合物的組成及含量分析展開了較為深入的探討，有關(guān)芒果果實(shí)采后成熟衰老和呼吸躍變前后萜類化合物的合成代謝規(guī)律鮮有報(bào)道，尤其是果實(shí)成熟衰老過程中，果實(shí)自發(fā)進(jìn)行的呼吸躍變代謝對其體內(nèi)萜類化合物的合成代謝影響及相關(guān)機(jī)制還不明朗。

6 結(jié)語

綜上所述，以往的研究大多集中在單獨(dú)研究芒果果實(shí)中某特定類型香氣物質(zhì)的特性及合成代謝等方面，尚未涉及果實(shí)采后成熟衰老期間香氣物質(zhì)代謝途徑的綜合研究及協(xié)同影響機(jī)制，限制了芒果果實(shí)自身所具有的獨(dú)特營養(yǎng)價(jià)值的充分發(fā)揮。以芒果果實(shí)采后香氣物質(zhì)合成代謝生理為切入點(diǎn)，系統(tǒng)研究芒果果實(shí)采后香氣物質(zhì)合成代謝途徑及協(xié)同影響，揭示芒果果實(shí)采后香氣物質(zhì)合成代謝的調(diào)控機(jī)制，對芒果果實(shí)采后營養(yǎng)活性物質(zhì)的合成代謝調(diào)控機(jī)理將會(huì)有一個(gè)較全面和清晰的認(rèn)識(shí)。