芒果果实采后香气物质合成代谢调控研究进展

梁敏华，苏新国，梁瑞进，杨震峰

（1. 广东食品药品职业学院食品学院，广东广州 510520；2. 浙江万里学院生物与环境学院，浙江宁波 315100）

果实中萜烯类、酯类、醇类、醛类及部分含硫化合物共同构成了水果特有的香气活性成分[1]。目前，果品的怡人香气已逐渐成为吸引消费者和增强市场竞争力的重要因素，加之现代食品加工制造工业对天然香气的需求越来越大，有关果实香气的研究逐渐成为改善果实品质、提高果实商业价值的重要渠道之一。以往的流行病学资料表明，果实中如萜烯类、醛类等活性香气物质对于预防心血管、肿瘤等疾病具有积极效应[2-3]。同时，从营养学角度来看，平时摄入含有较为丰富香气成分的水果还可以提高食欲，刺激消化腺的分泌，有利于人体身体健康[4]。因此，深入揭示和评价果实中香气物质的合成代谢规律及其营养特性，进而调控果实在特定发育阶段大量合成积累这类活性组分，已成为园艺产品次生代谢研究的一个热点。

芒果（Mangifera indicaL.） 隶属于漆树科芒果属，与苹果、香蕉、柑橘、葡萄并称世界五大水果，其色香味俱全且营养丰富，常被誉为“热带果王”[5]。我国种植芒果历史悠久，尤其是近半个世纪以来，芒果种植已经逐渐成为我国热带、亚热带地区重点推广的特色产业之一[6]。芒果属于淀粉转化型果实，呼吸跃变是淀粉转化型果实通常需要经历的生理发育阶段[7]。呼吸跃变型果实采后的成熟衰老进程伴随一系列复杂的代谢响应，如果实中营养活性物质的合成代谢、色泽、质地的变化等，深入探究涉及其中的生理生化及分子生物学规律对调控果实采后品质形成具有重要的指导意义[8-10]。综述了芒果果实香气物质成分及代谢调控方面的国内外研究现状，以期为芒果果实活性成分的深度开发利用提供理论依据。

1 芒果果实中的香气物质

成熟芒果中富含酯类、酮类、萜烯类等香气物质270 多种，主要有α -蒎烯、异松油烯、3 -蒈烯、顺式- β 罗勒烯、柠檬烯、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，属典型的花香型果实[11-13]。上述香气物质在果实生长发育过程中以脂肪酸、氨基酸、碳水化合物为前体物质，经一系列酶修饰而形成，涉及多个生物代谢通路，如呼吸代谢途径、脂肪酸代谢途径、氨基酸代谢途径、异戊二烯类化合物生物合成途径等[14-15]。

2 呼吸代谢与香气物质合成

呼吸作用既能提供能量支持生物体的正常生命活动，又能提供必要的原料或中间产物以促进生物体内重要活性物质的合成[16]。果实采后呼吸作用形式多样，可通过糖酵解途径、磷酸戊糖途径、三羧酸循环及其他途径，表现在中间产物形成与转化、电子传递系统与末端氧化酶的变化[17]。由于呼吸强度变化情况的不同，可将果实的成熟衰老进程分为呼吸跃变型和非呼吸跃变型两类[18]。其中，呼吸跃变型果实的呼吸作用强度在成熟之前变化缓慢，在将要成熟时急剧升高直至呼吸顶峰，随后下降。芒果果实内含大量的淀粉，属于典型的呼吸跃变型果实，其成熟衰老过程经历了明显的呼吸跃变生理效应。众多研究表明，呼吸跃变型果实营养活性物质的合成与代谢是由果实内在因素和外部环境共同诱导而引发的生理过程，其中内在因素包括呼吸底物的利用与转化、呼吸途径的转变、中间产物的形成与转化、次生物质合成与调控等方面[19-21]。其中，中间产物如乙酰辅酶A、α -酮戊二酸、丙酮酸、延胡索酸、草酰乙酸等，次生物质如磷酸果糖、己糖和戊糖等可能参与了果实香气物质的合成代谢[22-24]。研究发现，果实呼吸强度及中间产物的形成与转化与果实可溶性糖的含量密切相关[25]。低氧、低温可降低果实呼吸强度，进而诱导果实能保持较高的可溶性固形物和抗氧化物质含量[26]。此外，跃变型果实在采后成熟衰老过程中，磷酸戊糖途径莽草酸途径协同影响，增加了酮类、萜烯类等次生代谢物质的积累，为香气物质的合成提供了充足的原料[27-29]。由此可见，跃变型果实在采后成熟衰老过程中，呼吸代谢对果实香气活性物质的合成代谢起到了重要的调控作用。

3 脂肪酸代谢与香气物质合成

不饱和脂肪酸如亚油酸、亚麻酸等是果实香气物质合成代谢的主要前体物质。脂氧合酶（Lipoxygenase，LOX） 是脂肪酸代谢途径中的起始关键酶，不饱和脂肪酸在LOX 的催化作用下生成多烯脂肪酸氢过氧基衍生物[30]。多烯脂肪酸氢过氧基衍生物经氧化烯合酶（Allene oxide synthase，AOS）、环氧丙烷环化酶（Allene oxide cyclase，AOC）、12 -氧-植物二烯酸还原酶（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转移酶（Jasmonate methyltransferase，JMT）作用下可生成茉莉酮和茉莉酮酸甲酯[31]。同时，多烯脂肪酸氢过氧基衍生物也可经氢过氧化物裂解酶（Hydroperoxide lyase，HPL） 作用生成3,6 - 壬二烯醛和3 -己烯醛，后两者可在醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase，ADH）、醇酰辅酶A 转移酶（Alcohol acyl CoA transferase，AAT）、3Z,2E - 烯 醇 异 构 酶（3Z,2E-enal isomerase，3Z,2E-EI）、HPL 作用下生成2,6 -壬二烯醇、顺- 3 -乙酸乙酯、2 -己烯醇、己醛等活性物质[32]。已有研究表明，经外源亚麻酸和亚油酸处理后的番茄果实己烯醛含量分别增加12 倍和14 倍[14]；LOX 酶活性受到抑制状态下的苹果由于缺乏合成酯类的底物而使得果实产生非正常的气味[33-34]，而过量表达芒果LOX 基因，果实中的δ -戊内酯和δ -十聚内酯含量显著增加[35]；但到目前为止，有关芒果果实成熟和采后呼吸跃变前后经脂肪酸代谢途径产生的香气物质的合成和调控却鲜有报道。因此，系统探究芒果采后脂肪酸代谢途径及相关机制，必然有助于探明芒果果实成熟期间香气物质的合成与调控机理。

4 氨基酸代谢与香气物质合成

果实中的丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸和天冬氨酸等氨基酸可通过氨基酸代谢途径经脱羧、还原、氧化或酯化反应，生成带有明显风味特征的醇类、碳基化合物类、酸类和酯类等活性物质[36]。其中，酮酸和酰基辅酶A 是代谢途径重要中间产物，酮酸可在脱氢酶或脱羧酶的继续作用下分别转化为酰基辅酶A 和醛，后者在乙醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase，ADH） 的作用下转化成醇；酰基辅酶A 和醇在醇酰基转移酶（Alcohol acetyltransferase，AAT） 的催化作用下形成酯类物质，对果实的怡人香气具有重要贡献。研究表明，芒果果实MiADH1 和MiADH2 基因在果实成熟初期表达明显，MiADH3 在果实整个发育成熟期间表达明显，ABA 处理可以上调MiADH1 表达，下调MiADH2 表达，而对MiADH3 表达无显著影响[37]。截至目前，有关芒果采后经氨基酸代谢途径产生的香气物质的合成和调控还鲜有报道，氨基酸代谢途径相关酶活性变化情况、中间或末端产物合成代谢情况尚未明晰，系统研究此间的内在联系及其相关机制，对于探明芒果果实成熟期间香气物质的合成与调控机理显得尤为重要。

5 萜类化合物代谢与香气物质合成

萜类化合物是果实香气活性物质中的代表性组分，主要由以异戊二烯结构（C5H8）n为基本单元的烃类及其含氧衍生物组成。根据含有异戊二烯结构单元的数目进行分类，萜类化合物可分为单萜（Monoterpenes，C10）、倍半萜（Sesquiterpenes，C15）、二萜（Diterpene，C20）、三萜（Triterpene，C30）、四萜（Tetraterpene，C40）、多萜（Polyterpene，n 个C5，n＞10） 等。上述所有萜类化合物均由C5 结构单元异戊烯焦磷酸（Isopenetenyl diphosphate，IPP） 及其烯丙基异构体二甲稀丙基二磷酸（Dimethylallyl diphosphate，DMAPP） 缩合而成。IPP 和DMAPP 在植物体中可通过细胞质中的甲羟戊酸（Mevalonic acid，MVA） 途径或质体中的2 - C -甲基- D -赤藓糖醇- 4 -磷酸（Methylerythritol phosphate，MEP）途径合成。在MVA 途径中，2 个分子IPP 和1 个分子DMAPP 在法尼基焦磷酸合成酶（Farnesyl pyrophosphate synthase，FPPS） 催化作用下合成倍半萜烯前体物质法尼基焦磷酸（Farnesyl pyrophosphate，FPP），FPP 进一步反应转化为倍半萜烯、三萜烯、鲨烯及甾醇等[38]。在MEP 途径中，1 个分子IPP 和1 个分子DMAPP 在牻牛儿基焦磷酸合成酶（Geranyl pyrophosphate synthase，GPPS） 催化作用下合成单萜烯前体物质牻牛儿基焦磷酸（Geranyl pyrophosphate，GPP），GPP 再进一步反应转化为单萜烯[39]；或者3 个分子IPP 和1 个分子DMAPP 在牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合成酶（Geranylgeranyl pyrophosphate synthase，GGPPS）催化作用下合成二萜烯前体物质牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（Geranylgeranyl pyrophosphate，GGPP），GGPP再进一步反应转化为二萜烯、四萜烯或类胡萝卜素等[39-40]。初步研究结果表明，MVA 途径和MEP途径并不是独立存在的，萜烯类化合物的生物合成过程中中间产物IPP 的相互交换、补充现象使得上述2 种代谢途径有着密切的联系[41-42]。Kulkarni R 等人[43]研究发现25 ℃或0.3 mmol/L 浓度MgCl2外源处理能使芒果FPPS 催化活性达到最佳，而40 ℃或6 mmol/L浓度MgCl2外源处理则能使芒果GPPS1 和GPPS2 活性达到最大值，这表明恰当的外源处理能切实有效提高萜类化合物生物合成途径中关键酶的活性。然而，现有的研究大多只是针对果实中萜类化合物的组成及含量分析展开了较为深入的探讨，有关芒果果实采后成熟衰老和呼吸跃变前后萜类化合物的合成代谢规律鲜有报道，尤其是果实成熟衰老过程中，果实自发进行的呼吸跃变代谢对其体内萜类化合物的合成代谢影响及相关机制还不明朗。

6 结语

综上所述，以往的研究大多集中在单独研究芒果果实中某特定类型香气物质的特性及合成代谢等方面，尚未涉及果实采后成熟衰老期间香气物质代谢途径的综合研究及协同影响机制，限制了芒果果实自身所具有的独特营养价值的充分发挥。以芒果果实采后香气物质合成代谢生理为切入点，系统研究芒果果实采后香气物质合成代谢途径及协同影响，揭示芒果果实采后香气物质合成代谢的调控机制，对芒果果实采后营养活性物质的合成代谢调控机理将会有一个较全面和清晰的认识。