甜瓜呈香組分及其合成途徑研究進(jìn)展

劉 瀟，王瑞琪，劉 賀，溫雪珊，時(shí) 月，趙曉燕，張 超

（1.北京市農(nóng)林科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工與食品營(yíng)養(yǎng)研究所，北京 100097；2.渤海大學(xué)，遼寧 錦州 121013；3.果蔬農(nóng)產(chǎn)品保鮮與加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜產(chǎn)后處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

0 研究背景

香氣是評(píng)價(jià)甜瓜最重要的品質(zhì)特性之一[1]，極大地影響消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)意愿。甜瓜中揮發(fā)性組分主要由多種化學(xué)物質(zhì)組成，包括酯類(lèi)、醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)和萜類(lèi)[2]。此外，一些含硫化合物，如S-甲基硫代丁酸酯、3-（甲硫基）丙醛、2-（甲硫基）乙酸乙酯、3-（甲硫基）丙酸乙酯和3-（甲硫基）乙酸丙酯，會(huì)對(duì)果實(shí)風(fēng)味產(chǎn)生影響[3]。介紹甜瓜中揮發(fā)性組分及其香氣特征，并綜述揮發(fā)性組分生物合成途徑和主要影響因素，以期為甜瓜風(fēng)味研究提供參考。

1 甜瓜揮發(fā)性組分

甜瓜因其清香甜美風(fēng)味而深受人們喜愛(ài)，這種風(fēng)味是由多種揮發(fā)性組分共同組成的。甜瓜中揮發(fā)性組分多來(lái)源于氨基酸、脂肪酸或類(lèi)胡蘿卜素。依據(jù)化學(xué)基團(tuán)分類(lèi)，酯類(lèi)、醇類(lèi)和醛類(lèi)是甜瓜中最主要的揮發(fā)性組分[4]，其他類(lèi)型的揮發(fā)性組分有苯酮類(lèi)、酮類(lèi)、呋喃類(lèi)、內(nèi)酯類(lèi)、單萜類(lèi)和倍半萜類(lèi)等。

目前在甜瓜中共發(fā)現(xiàn)了290多種不同的揮發(fā)性組分[5]，有研究者采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）技術(shù)[6]對(duì)39種甜瓜揮發(fā)性組分的種類(lèi)和含量進(jìn)行了測(cè)定。最終檢測(cè)到146種揮發(fā)性組分，包括55種酯、23種醛、30種醇、15種酮、6種酸和17種其他化合物[7]。結(jié)果表明，不同品種甜瓜的揮發(fā)性組分和含量差異較大。在呼吸躍變型甜瓜品種中，揮發(fā)性組分大部分是酯化的，其含量通常高于非呼吸躍變型品種，如乙酸乙酯和2,3-丁二酰二乙酸酯。而在非呼吸躍變型品種中，揮發(fā)性組分多以醛和醇形式存在，如順-6-壬烯醛、反-2-庚烯醛、反,順-2,6-壬二烯醛及壬醛等和順-3-壬烯醇、2,7-辛二醇、壬醇等[8]。

甜瓜中揮發(fā)性組分（含量＞3 μg/kg鮮質(zhì)量）見(jiàn)表1。

表1 甜瓜中揮發(fā)性組分（含量＞3 μg/kg鮮質(zhì)量）

2 甜瓜呈香組分香氣特征

甜瓜揮發(fā)性組分眾多，但并非所有揮發(fā)性組分都能對(duì)甜瓜特征性風(fēng)味起決定性作用。只有較少的組分甚至是某一種化合物決定其風(fēng)味，這類(lèi)化合物是甜瓜的呈香組分，具有較高的香氣活力值（OAV），即呈香組分的含量與其香氣閾值的比值。當(dāng)香氣活力值大于或者等于1，則認(rèn)為該組分對(duì)其香氣有作用，且香氣活力值越大，對(duì)整體香氣的貢獻(xiàn)度就越高。

2.1 不同品種間呈香組分的香氣特征

甜瓜不同品種間的呈香組分同樣也存在一定差異。例如，呼吸躍變型厚皮甜瓜果實(shí)呈香組分主要為乙酸乙酯、2-甲基乙酸丙酯、丁酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸丁酯、2-甲基乙酸丁酯、乙酸苯甲酯等酯類(lèi)物質(zhì)。而非躍變型厚皮甜瓜主要為己醛、己烯醛等醛類(lèi)及少量醇類(lèi)物質(zhì)。厚皮甜瓜主要呈香組分還包括含硫化合物如硫代戊酸乙酯、2-(甲硫基)乙酸甲酯、硫代乙酸甲酯[9]等。薄皮甜瓜呈香組分主要為乙酸乙酯、2-甲基乙酸丁酯、乙酸己酯和乙酸苯甲酯等酯類(lèi)，其相對(duì)含量可占總芳香成分的49.71%～84.95%[10]。脂類(lèi)含量高的甜瓜品種，多為呼吸躍變型品種，果香氣濃郁；醛類(lèi)、醇類(lèi)含量高的甜瓜多為非呼吸躍變型品種，清香氣較為明顯[11-12]。

2.2 不同合成途徑呈香組分的香氣特征

根據(jù)甜瓜香氣合成途徑，可以將這些呈香組分的來(lái)源分為3種：脂肪酸途徑、氨基酸途徑和類(lèi)胡蘿卜素途徑。

甜瓜在脂肪酸的代謝途徑中會(huì)產(chǎn)生一些C4-C12醛及其相應(yīng)的醇或者直鏈脂，這些揮發(fā)性組分中的每一種都為瓜果提供特定的香氣和風(fēng)味[13]。甜瓜中大多數(shù)酯類(lèi)能發(fā)出果香和清香，例如乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸己酯、丁酸乙酯、戊酸甲酯、己酸乙酯、丙酸丁酯、甲酸戊酯等[14]。甜瓜中的一些醛類(lèi)和醇類(lèi)則能發(fā)出清香、新鮮、黃瓜般的氣味，如順-6-壬烯醛、反-2-庚烯醛、反,順-2,6-壬二烯醛及壬醛和順-3-壬烯醇及壬醇等[7]。而這其中含有的C6、C9直鏈化合物，對(duì)消費(fèi)者感知甜瓜風(fēng)味品質(zhì)起重要作用[15]。

甜瓜中通過(guò)脂肪酸代謝的呈香組分及其香氣特征見(jiàn)表2。

表2 甜瓜中通過(guò)脂肪酸代謝的呈香組分及其香氣特征

甜瓜在氨基酸的代謝途徑中主要產(chǎn)生一些支鏈酯[16]。而這其中的含硫酯、甲基支鏈酯與芳香酯相比雖然含量較低但卻是甜瓜風(fēng)味的主要貢獻(xiàn)者[17]，例如，2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸甲酯（表3）。

甜瓜在類(lèi)胡蘿卜素途徑中會(huì)產(chǎn)生羅布麻素類(lèi)（Apocarotenoids）的萜類(lèi)化合物[18]，包括β-紫羅酮、香葉酮（6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮）、假紫羅蘭酮（6,10-二甲基-3,5,9-十一三烯-2-酮）、β-環(huán)檸檬醛、香葉醛、茶螺酮、α-大馬士革酮和β-大馬士革酮[11]。其中，β-紫羅酮是甜瓜非常重要的呈香組分（表3）。項(xiàng)目組前期研究發(fā)現(xiàn)物理方法或是化學(xué)方法處理的甜瓜汁中，β-紫羅酮均是主要呈香組分。

甜瓜中通過(guò)氨基酸與類(lèi)胡蘿卜素代謝的呈香組分及其香氣特征見(jiàn)表3。

表3 甜瓜中通過(guò)氨基酸與類(lèi)胡蘿卜素代謝的呈香組分及其香氣特征

目前，通過(guò)不同技術(shù)對(duì)甜瓜風(fēng)味化合物進(jìn)行測(cè)定并計(jì)算其香氣活力值，結(jié)果顯示甜瓜中主要的呈香物質(zhì)是壬醛、辛醛、反-2-壬烯醛、順-6-壬烯醛、反,順-2,6-壬二烯醛、順-3-壬烯醇、乙酸乙酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸乙酯和β-紫羅酮[19]。

3 甜瓜呈香組分合成途徑

甜瓜呈香組分的來(lái)源根據(jù)其合成途徑可分為3類(lèi)：第一類(lèi)來(lái)自脂肪酸，通過(guò)脂質(zhì)氧化途徑產(chǎn)生C6和C9醛，醛氫化形成醇[8]，然后醇乙酰化生成相應(yīng)的酯[20]。第二類(lèi)來(lái)自氨基酸，產(chǎn)生支鏈脂和酚類(lèi)揮發(fā)物。第三類(lèi)來(lái)源于類(lèi)胡蘿卜素，通過(guò)類(lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD）產(chǎn)生一系列類(lèi)胡蘿卜素類(lèi)揮發(fā)性組分[21]。

3.1 脂肪酸途徑

脂肪酸是機(jī)體生命活動(dòng)的主要能量來(lái)源之一[22]，同時(shí)也是水果風(fēng)味組成的重要前體物質(zhì)。研究顯示，采用外源亞麻酸和亞油酸處理番茄果實(shí)，果實(shí)中的己醛含量增加了12倍，己烯醛的含量增加14倍[23]。也就是說(shuō)，通過(guò)外源添加脂肪酸可以顯著提升番茄中呈香組分的含量，因此脂肪酸代謝途徑在對(duì)番茄風(fēng)味形成具有重要意義。

棕櫚酸、棕櫚油酸、亞油酸、α-亞麻酸和油酸是甜瓜中的主要脂肪酸，同時(shí)也是酯類(lèi)物質(zhì)的關(guān)鍵前體物質(zhì)。脂肪酸的代謝過(guò)程中主要產(chǎn)生一些直鏈脂肪族醇、醛、酮和酯類(lèi)物質(zhì)。甜瓜中的青香型氣味主要來(lái)自C6和C9的醛類(lèi)及醇類(lèi)物質(zhì)[24]，它們是由脂肪酸經(jīng)脂肪氧合酶（LOX）途徑轉(zhuǎn)化成氫過(guò)氧化物，再發(fā)生氧化、裂解及脫氫作用轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的醛和醇類(lèi)[25]，進(jìn)一步形成酯類(lèi)等。

甜瓜呈香組分脂肪酸代謝途徑見(jiàn)圖1。

甜瓜中含量豐富的呈香組分：C6揮發(fā)物[26]，包括己醛、反-2-己烯醛、順-3-己烯醛和相應(yīng)的醇，能給果實(shí)帶來(lái)綠色、草綠色的氣息，生物合成始于C18脂肪酸、亞油酸或亞麻酸[27]。在脂肪酸代謝途徑中（圖1），具有順,順-1,4-戊二烯結(jié)構(gòu)的不飽和脂肪酸在脂肪氧合酶（LOX）催化下，生成氫過(guò)氧化物，氫過(guò)氧化物在氫過(guò)氧化物裂解酶（HPL）催化下裂解為9氫過(guò)氧化物或13氫過(guò)氧化物。生成醛類(lèi)及羰基酸化合物，醛類(lèi)物質(zhì)會(huì)在乙醇脫氫酶（ADH）的作用下，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的醇類(lèi)物質(zhì)，醇類(lèi)物質(zhì)在醇?；D(zhuǎn)移酶（AAT）與乙酰基輔酶A（acyl-CoA）作用下生成相應(yīng)的酯類(lèi)[28]。

圖1 甜瓜呈香組分脂肪酸代謝途徑

研究表明，甜瓜汁中的壬醛、壬醇、順-6-壬烯醛、反-2-壬烯醛、反,順-2,6-壬二烯醛、順,順-3,6-壬二烯醛，順-2-壬烯醛、反,順-3,6-壬烯-1-醇主要來(lái)源于脂肪酸代謝途徑[29]。

以順,順-3,6-壬二烯醛為例，甜瓜中亞油酸/亞麻酸在9-脂肪氧合酶的催化下生成9-氫過(guò)氧化物，9-氫過(guò)氧化物可以作為氫過(guò)氧化物裂解酶（HPL）的反應(yīng)底物，生成順,順-3,6-壬二烯醛，隨后會(huì)在異構(gòu)酶（ISO）的作用下生成反,順-3,6-壬二烯醛，進(jìn)一步在乙醇脫氫酶（ADH）的作用下，脫氫轉(zhuǎn)化成反,順-2,6-壬二烯醇，最后在醇?；D(zhuǎn)移酶（AAT）與?；o酶A（acyl-CoA）作用下生成反,順-2,6-壬二烯酯。另外，順,順-3,6-壬二烯醛也可以直接在乙醇脫氫酶（ADH）的作用下，脫氫轉(zhuǎn)化成順,順-3,6-壬二烯醇，隨后在醇酰基轉(zhuǎn)移酶（AAT）與?；o酶A（acyl-CoA）作用下生成順,順-3,6-壬二烯酯。

3.2 氨基酸途徑

酯類(lèi)是水果中主要的呈香組分，也被認(rèn)為是甜瓜獨(dú)特香氣的貢獻(xiàn)者[30]，可以通過(guò)2種不同的代謝途徑從初級(jí)代謝物中產(chǎn)生[31]。直鏈酯是通過(guò)脂肪酸途徑合成[32]，而支鏈酯大多是通過(guò)氨基酸途徑產(chǎn)生。氨基酸代謝途徑中主要參與揮發(fā)性組分合成的有纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、丙氨酸、半胱氨酸和苯丙氨酸等[33-34]。研究者發(fā)現(xiàn)甲基支鏈酯中占主導(dǎo)地位的2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸甲酯是甜瓜風(fēng)味的主要貢獻(xiàn)者[35]。除此之外，一些脂肪族或芳香族的醇類(lèi)、酸類(lèi)、醛類(lèi)等化合物也是氨基酸代謝過(guò)程中的產(chǎn)物或中間物質(zhì)[36]。總體來(lái)說(shuō)，氨基酸分解代謝被認(rèn)為是甜瓜中呈香組分的關(guān)鍵途徑[33]，氨基酸通過(guò)一系列酶促反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為甜瓜揮發(fā)性組分（圖2）。

具體來(lái)說(shuō)，氨基酸最先經(jīng)過(guò)2步共同的酶反應(yīng)，其一是在丙酮酸脫氫酶的脫羧基作用下生成醛，再通過(guò)乙醇脫氫酶轉(zhuǎn)化成醇。另一個(gè)是氨基酸在轉(zhuǎn)氨酶（AT）的轉(zhuǎn)氨基作用下形成支鏈酮酸，然后在乙醇脫氫酶的作用下生成醇或者是在丙酮酸脫氫酶（PDH）與輔酶A（CoA）作用下生成?；o酶A，在磷酸轉(zhuǎn)移酶（AHP）作用下生成酸[37]。酯類(lèi)的合成主要是上述代謝中轉(zhuǎn)氨酶途徑中，將氨基酸轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的α-酮酸。然后，α-酮酸通過(guò)丙酮酸脫羧酶（PDC）催化的脫羧和丙酮酸脫氫酶（PDH）的脫氫作用進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為醛。這種醛通過(guò)乙醇脫氫酶（ADH）迅速還原成相應(yīng)的醇。隨后，醇和酰基輔酶A被醇?；D(zhuǎn)移酶（AAT）催化形成酯類(lèi)（圖2）。

以2-甲基丁酸乙酯為例，其代謝前體為L(zhǎng)-異亮氨酸，隨后脫羧脫氫生成為2-甲基丁醛，2-甲基丁醛再進(jìn)一步通過(guò)乙醇脫氫酶（ADH）還原形成2-甲基丁醇，2-甲基丁醇最后在醇?；D(zhuǎn)移酶（AAT）作用下，生成2-甲基丁酰輔酶A與乙酸酯化為2-甲基丁酸乙酯，而這種支鏈酯類(lèi)揮發(fā)性組分是甜瓜中重要呈香組分。

甜瓜呈香組分支鏈氨基酸代謝途徑見(jiàn)圖2。

圖2 甜瓜呈香組分支鏈氨基酸代謝途徑

3.3 類(lèi)胡蘿卜素途徑

類(lèi)胡蘿卜素是羅布麻素類(lèi)（Apocarotenoids）的前體物質(zhì)，羅布麻素類(lèi)物質(zhì)是一類(lèi)由類(lèi)胡蘿卜素氧化裂解生成的萜類(lèi)化合物的總稱(chēng)[18]，其中包括β-紫羅酮、香葉酮（6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮）、假紫羅蘭酮（6,10-二甲基-3,5,9-十一三烯-2-酮）、β-環(huán)檸檬醛、香葉醛、茶螺酮、α-大馬士革酮和β-大馬士革酮[11]等。

以甜瓜呈香組分β-紫羅酮合成過(guò)程為例（圖3），類(lèi)胡蘿卜素的前體物質(zhì)異戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基丙烯基二磷酸（DMAPP）通過(guò)縮合反應(yīng)生成香葉基焦磷酸酯（GGPP）[38-39]。隨后香葉基焦磷酸酯（GGPP）在八氫番茄紅素合成酶（PSY）的作用下，生成八氫番茄紅素（Phytoene），該過(guò)程也是一個(gè)重要的限速步驟[40]。之后再通過(guò)八氫番茄紅素脫氫酶（PDS）和ζ-胡蘿卜素脫氫酶（ZDS）的去飽和作用生成了番茄紅素（Lycopene）[41]。再經(jīng)過(guò)環(huán)化作用，由番茄紅素環(huán)化酶（LCYB）負(fù)責(zé)環(huán)化番茄紅素最終生成了β-胡蘿卜素[42]。β-胡蘿卜素繼續(xù)作用會(huì)生成一系列黃質(zhì)素類(lèi)物質(zhì)[43]。與此同時(shí)，在類(lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）的作用下，β-胡蘿卜素在C9與C10或/和C9'與C10'鍵位發(fā)生裂解，生成β-紫羅酮[44]。

甜瓜呈香組分類(lèi)胡蘿卜素代謝途徑見(jiàn)圖3。

圖3 甜瓜呈香組分類(lèi)胡蘿卜素代謝途徑

β-紫羅酮是甜瓜中非常重要的呈香組分，是一種常見(jiàn)的芳香揮發(fā)物，存在于多種植物的組織中，如桂花、矮牽牛花和薔薇的精油，以及多種水果和蔬菜中，包括胡蘿卜、番茄、樹(shù)莓、杏、李子、蘋(píng)果和無(wú)花果[45-47]。β-紫羅酮是由類(lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）氧化裂解β-胡蘿卜素生成的。類(lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）主要參與類(lèi)胡蘿卜素的生物合成[48]，并有助于水果和花卉的風(fēng)味和香氣的生成。另有研究發(fā)現(xiàn)，具有表達(dá)肽-PhCCD1結(jié)構(gòu)酵母菌株的β-紫羅酮產(chǎn)量比攜帶天然酶的菌株高4倍。表明CCD1的蛋白質(zhì)工程顯著提高了代謝工程酵母合成β-紫羅酮的產(chǎn)量[49]。也就是說(shuō)該酶在β-紫羅酮的合成中發(fā)揮了重要作用，也是影響β-紫羅酮合成的關(guān)鍵因素，所以在調(diào)控甜瓜香氣的影響因素中，類(lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）也是非常重要的一環(huán)[50]。

4 結(jié)語(yǔ)

甜瓜中主要的呈香物質(zhì)包括壬醛、辛醛、反-2-壬烯醛、順-6-壬烯醛、反,順-2,6-壬二烯醛、順-3-壬烯醇、乙酸乙酯、乙酸己酯、2-甲基丁酸乙酯和β-紫羅酮，其主要來(lái)自脂肪酸、氨基酸和類(lèi)胡蘿卜素。但是，這些呈香組分除了產(chǎn)生途徑有所不同，而且還強(qiáng)烈依賴(lài)于其品種、基因、栽培技術(shù)、貯藏環(huán)境等條件[51-52]。在生理代謝過(guò)程中，脂氧合酶、乙醇脫氫酶、醇?；D(zhuǎn)移酶、氫過(guò)氧化物裂解酶和類(lèi)胡蘿卜素裂解雙加氧酶等是影響呈香組分形成和積累的關(guān)鍵酶。