代谢组学在食醋研究中的应用进展

食醋是我国的传统调味品之一，我国的酿醋历史可以追溯至2200年前，食醋还具有抗菌、抗感染、抗氧化、控制血糖、调节脂质代谢、减肥、抗癌等保健功能。由于品系庞杂，酿制过程中的原料和工艺各不相同，暂时没有统一法定的分类方法。根据新国标规定，食醋可分为“酿造食醋”和“配制食醋”。食醋在酿造过程中多使用粮食作为原料，发酵过程中的微生物变化过程复杂，而代谢组学具有灵敏度高、检测范围广等特点，因此可以用于分析食醋发酵过程中特征物质的变化。

20世纪末，英国伦敦大学的Jeremy Nicholson创立了代谢组学（metabbonmics）概念。随着核磁共振谱（nuclear magnetic resonance，NMR）、液相色谱（liquid chromatography，LC）、气相色谱（gas chromatography，GC）、质谱（mass spectrograph，MS）、超高效液相色谱（Ultra Performance Liquid Chromatography，UPLC）及多种联用分析技术的出现，代谢产物、代谢途径等相关研究得到发展。基因组百科全书、Mass Bank数据库、METLIN数据库、人类代谢组学数据库等作为信息联动平台，促进了代谢组学数据的分析。本文基于代谢组学在食醋研究中的应用进展，对不同代谢组学分析方法及应用开展综述，并筛选分析方法，以期为顺利开展项目工作提供理论依据。

一、代谢组学分析技术

代谢组学以多种代谢路径的底物、产物的小分子质量代谢物（相对分子质量＜1000）为研究对象，分析技术包括气相色谱、高效液相色谱、超高效液相色谱、质谱、核磁共振及联用技术等。由于待测样品多种多样，检测需求各不相同，且代谢产物复杂，因此应尝试多种联用方式进行测定，以获得更灵敏、更高效、更准确的测定效果。在靶向代谢组学分析过程中，高分辨率仪器比三重四极杆具备更好的定量效果。而在非靶向代谢组学研究中，高分辨率质谱具备更高的灵敏度，能够在复杂混合物中对痕量级代谢物进行分析鉴定。

1.核磁共振分析技术。核磁共振作为最常见的光谱分析技术，具有高度可重复性，通过整合质子NMR信号识别代谢物，能够分析难以电离、需衍生化或浓度极高的化合物。对分子量较小的代谢物进行高通量测试，只需要对样品进行简单的预处理即可，具有对样品破坏性小、信息丰富等特点。核磁共振氢谱（1H-NMR）无技术偏向，使用范围最为广泛。李占明等在 H-NMR无损检测原理的基础上，结合化学计量方法，对其在食品溯源分析及掺假中的应用进展进行了论述。虽然核磁共振波谱在对化合物鉴定方面不具备优势，但是可以通过和MS联用，同位素标记追踪，结合化学信息技术，通过多元数理统计学技术进行数据挖掘等方式，进一步提高NMR检测的优势。在对葡萄酒、蜂蜜、水稻、核桃、榛子、辣椒的产地溯源研究以及油菜蜜和果葡糖浆掺假蜂蜜样品的检测等方面，具备高效、准确的技术优势。

核磁共振的缺点是检测灵敏度较低，目标分析物分析速度慢，无法对不存在于数据库中的未知物进行定性定量，对含量相差较大的物质难以同时检测。当然，随着磁体技术、应用稳定同位素标记等方式的发展，NMR的应用范围会进一步扩大。

磁共振光谱（MRS）可用于体内研究，高分辨率魔角旋转（HR MAS）可用于完整组织样本研究，二维核磁共振光谱（2D NMR）可以用于代谢物的鉴定等。Boguszewicz Ł等利用MRI/MRS系统采集光谱，利用PLS-DA进行分析，揭示了多发性硬化亚型质检的代谢产物特征。Tilgner M等重点介绍了HRMAS核磁共振波谱实验的方案，证明核磁共振波谱能够以高光谱分辨率评估完整组织的代谢产物谱。Lhoste C等总结了2D NMR的概念、特点和局限性，描述了其在混合物分析中的主要应用。

2.质谱分析技术。核磁共振通常应用于代谢组学指纹图谱研究，而基于质谱的代谢组学方法通常是靶向分析的最佳方案。核磁共振波谱的最大优势是非破坏性和非入侵性，而质谱则在分析次级代谢物方面具有强大优势，并随着不同的电离技术发展，可以增加代谢物检测的数量。近年来，质谱技术高速发展成为最核心前沿的技术手段，飞行时间（TOF）、轨道阱质谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱等仪器则为代谢分析提供了不同灵敏度、准确度、分辨率的MS技术选择。

二、代谢组学数据分析方法

主成分分析（ principal components analysis，PCA）是分析统计方法之一，但是没有相关的概率模型，难以评估PCA与数据的拟合度，而且不能正确提供基础数据结构视图，也不能合理处理缺失的数据，存在限制性。

偏最小二乘判别分析（ partial least squares discriminant nalysis，PLS-DA）是常见的降维分析方法，而正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）则用于两组代谢组学数据的判别，已有研究指出这些方法存在局限性。例如，PLS-DA易过度拟合，可能产生错误结果，因此需要提出一些新的统计分析方法来克服这些限制。

Kim等开发了MetaPCA和稀疏MetaPCA框架，该框架可以结合多个组学数据集来识别一个共同的特征空间进行降维。Nyamundanda等引入了概率主成分和协变量分析，有助于代谢组学数据和协变量的联合建模，提供对基础数据结构的见解。

三、代谢组学在食醋研究中的应用进展

食醋中含有多种营养成分，选择不同的生产原料，运用不同的发酵酿造方法，可以生产出不同类型、风味、口味的醋类产品。应用代谢组学分析研究食醋产品，能够对其营养及安全性进行有效评价，也可利用代谢组学技术进一步研究食醋发挥的生物学功能和保健作用。

在食醋的代谢组学分析方法的建立方面，Camin F等在多方实验室合作研究下，对葡萄酒醋样品、苹果醋样品、香醋样品进行了测试，计算样品的重复性和再现性，验证官方认定的检测方法。李爱平等采用核磁共振（1H-NMR）代谢组学方法对比氨基酸分析仪测定结果，分析不同种类食醋的差异性代谢物，结果一致。于博学等利用气相色谱质谱联用方法测定食醋中的对羟基苯甲酸乙酯和对羟基苯甲酸丙脂，结果准确可靠，稳定性好。李爱平等建立了基于核磁共振（1H-NMR）和模式识别食醋的分析方法，为不同食醋的功效成分研究提供了参考。F. PinuF等建立了气相色谱-质谱联用技术（GC-MS），对意大利香醋进行代谢组学研究。

应用代谢组学对食醋进行质量评估和风味分析，可以检测筛选不同品种、不同产地和不同酿造方式食醋的特征成分和生物标志物。首先，风味是评价食醋的重要指标，尤其是食醋中的挥发性成分，杨晰等利用气相色谱与质谱联用（GC-MS）的方法对挥发性成分进行分析研究，发现食醋香味主要由3-羟基-2-丁酮、四甲基吡嗪、糠醛和乳酸乙酯所带来。FR Pinu等通过三种GC-MS方法准确识别123种代谢物，包括25种氨基酸、26种羧酸、13种糖和糖醇及47种以上的芳香化合物，并且鉴定出5种未知挥发性代谢物。Zhang G等与四川太源井醋业有限公司合作，通过非靶向代谢组学技术比较镇江香醋、山西陈醋、太源井晒醋、思坡晒醋、保宁醋，采用LC-MS/MS和GC-MS质谱联用方法研究醋的挥发性和非挥发性成分，共发现89种挥发性成分和488种非挥发性成分，经过OPLS-DA分析后，发现太源井晒醋的8种挥发性特征物质和18种非挥发性特征成分，并检测出多种具有生物活性的代谢产物。Kim E J等通过代谢组学研究酒精发酵和乙醇发酵两个阶段所产生的生物活性化合物，进而评估两个阶段的发酵对最终代谢产物含量的影响。其次，产地、品种和酿造方式都对食醋的品质具有重要影响，Minhye Shin等利用代谢组学技术研究了韩国传统食醋和商品食醋代谢产物的不同。李阳利用非靶向代谢组学技术筛选了江苏食醋、山东食醋和山西食醋中的差异代谢物和生物标志物，筛选了浅色食醋和浓色食醋之间的差异代谢物和标志代谢物。杨晓璇利用代谢组学研究了食醋的挥发性组分和非挥发性组分，筛选寻找了不同食醋之间的差异性代谢物，并对不同食醋的成分差异做出综合分析和评价。李艺利用代谢组学技术研究了山西老陈醋指纹图谱和功能成分。这些实验一方面对食醋的特征性成分和生物标志物进行了分析，另一方面可利用代谢物信息对传统食醋和酿造食醋进行区分，同时可判断食醋中是否存在外源添加物，以便进行食醋的溯源、质量鉴定和品质评价。

在利用代谢组学研究食醋成分与生物学功能方面，代谢组学技术常被研究者用来分析给予食醋后动物血清和尿液等代谢物的变化，并通过生物信息学分析动物体内差异代谢物所影响的代谢通路等信息，进而判断食醋发挥的生物学功能。李爱平等采用基于核磁共振氢谱的代谢组学技术，对山西陈醋灌胃后大鼠的血清和尿液代谢物进行了研究，通过KEGG通路富集分析提出山西陈醋具有抗疲劳、降糖、降脂等保健功能。李艺利用代谢组学技术研究了给予不同陈酿期山西醋后大鼠血清代谢物的变化，验证了食醋促进能量代谢、抗疲劳、调节肠道菌群等功能。Ning Z等采用GC-MS结合多变量统计方法，分析两种醋的化学成分，确定33种潜在生物标志物，最终证明米醋和白醋都有促进血液循环的生物活性。

四、结语及展望

本文综述了代谢组学主要分析方法在食醋行业中的应用发展，利用非靶向和靶向代谢组学相结合的方式，分析了挥发性和非挥发性成分。通过对不同生产企业的食醋进行横向比较，筛选差异性代谢物，富集分析代谢途径等，研究发酵工艺及原料选择，并对不同省份的食醋产品进行分析研究。通过对比筛选特征代谢产物，研究微生物代谢产物的变化情况，为选择优势菌株、改善工艺、提升食醋品质、开展食醋产地溯源工作、服务地方监管需求等提供了技术支撑。

2018年6月2日，国家卫生健康委员会、国家市场监管总局发布了GB 2719-2018《食品安全国家标准 食醋》标准，并于2019年12月21日正式实施。市场监管总局采取了一系列专项活动贯彻落实，例如深入开展食醋生产领域专项整治活动、食醋生产加工小作坊专项整治活动等，使食醋产业责任主体意识明显加强，质量明显提升，生产能力显著提高。

为进一步促进食醋企业研发实力提升以及经济效益得到一定增长，引起社会对食品安全的进一步关注，提高企业研发者、经营者的诚信经营意识，提升百姓对于食品的认知，提升食品安全社会形象，促进食品产业竞争力，提升健康绿色研发意识，节约食品监管资源，减少研发过程污染，进一步减少生产污染，应当紧密关注相关国家知识产权政策、地方地理标志保护和运用规划，深入挖掘具有地域特色的地标产品，开展地理标志申请和保护，有效评估其安全性和品质，大力发展地理标志区域性食醋品牌。

基金项目：甘肃省市场监督管理局科技计划项目（SSCJG-SP-B202202）。

*通信作者：朱宇（1983-），男，汉族，甘肃兰州人，工程师，大学本科，研究方向为地理标志运用促进。