中国林业科学研究院亚林所代谢组学揭示薄壳山核桃内果皮褐变机制
2024年，中国林业科学研究院亚热带林业研究所王开良团队在《Food Chemistry》期刊上发表了题为“Variation in pigments in pecan testa during kernel development and storage”的文章，第一作者为张成才副研究员。该研究利用多酚代谢组学技术，系统地分析了薄壳山核桃内果皮在不同发育阶段及贮藏过程中色素及其前体的变化情况。研究表明，酚类化合物在薄壳山核桃内果皮颜色变化中起着关键作用，并揭示了导致薄壳山核桃内果皮褐变的主要色素及其前体。这些发现为开发抗褐变品种提供了理论依据，有助于延长薄壳山核桃的货架期并减少因褐变引起的经济损失。️迈维代谢为该研究提供了多酚代谢组的检测和分析服务！
薄壳山核桃（Carya illinoinensis）是全球重要的坚果作物，富含酚类化合物、不饱和脂肪酸和其他对人体健康有益的功能成分。然而，薄壳山核桃内果皮在贮藏过程中容易发生褐变，严重影响其品质。研究表明，温度、光照、氧气含量、内源酶活性及基因型等因素都会影响薄壳山核桃内果皮的颜色变化。降低温度和维持低氧浓度可以有效防止褐变，但这种方法成本高且耗能大。因此，开发不易褐变的薄壳山核桃品种具有重要意义。尽管已有研究探讨了薄壳山核桃褐变的化学基础，但对其具体机制和相关色素仍缺乏深入了解。
通过多酚代谢组学分析，研究人员鉴定出591种酚类化合物，其中52种酚类化合物与内果皮褐变密切相关。研究还发现了59种可能的色素前体。这些发现不仅揭示了薄壳山核桃内果皮褐变的机制，还加深了对薄壳山核桃生物活性成分的理解，为开发抗褐变品种提供了新的思路，从而减少因环境控制带来的经济和能源成本。
️1. 颜色变化分析
研究团队借助色差计，对薄壳山核桃内核在五个不同发育阶段及贮藏三年后的色泽变化进行了精确测量。通过分析L*（亮度）、a*（红度）、b*（黄度）以及ΔE（总体色差）等参数，发现随着贮藏时间的延长，薄壳山核桃内核颜色呈现出从淡黄色向红棕色转变的趋势，表现为L值下降、a值上升、b*值下降（图1）。基于色差测量结果，研究团队精心挑选出色泽差异显著的样本，用于后续的代谢组学分析，确保研究结果能够准确反映薄壳山核桃内核色泽变化的代谢机制。
图1：薄壳山核桃内果皮在五个发育阶段的常温下贮藏三年后的颜色变化
️2.广泛️靶向多酚代谢组学分析
通过多酚代谢组学分析，研究人员鉴定了591种酚类化合物，显著高于之前研究中鉴定的酚类化合物数量。这些化合物被分为四类：256种黄酮类、242种酚酸、58种单宁和35种木脂素及香豆素。所有样品的主成分分析（PCA）和热图表明不同发育阶段和贮藏条件下的样品存在显著差异（图2）。
图2：所有样品的主成分分析（PCA）和热图
️3. 差异积累代谢物（DAMs）分析
通过正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA），研究人员筛选出了361种差异积累代谢物（DAMs），包括159种酚酸、49种黄酮、34种黄酮醇、31种单宁、6种原花青素和其他82种酚类化合物。DAMs的热图和分类，表明低温贮藏样品中酚酸、单宁和黄酮类化合物显著积累，而常温贮藏样品中酚酸、黄酮醇和黄酮类化合物含量较高（图3）。
图3：差异积累代谢物（DAMs）的热图和分类
️4. 潜在色素及其前体分析
研究人员通过趋势分析和相关性分析，确定了52种与内果皮褐变密切相关的代谢物，包括31种酚酸、11种黄酮醇、4种黄酮、2种单宁、1种木脂素、1种原花青素、1种异黄酮和1种黄烷醇。这些代谢物的趋势分析和相关性网络，表明这些代谢物可能是薄壳山核桃内果皮褐变的关键因素（图4）。
图4：与褐变密切相关的代谢物的趋势分析和相关性网络
️5. 代谢组学视角下的色泽变化机制解析
随着内核发育，一系列代谢物（如甲基没食子酸、3-O-甲基没食子酸、卡西因C1等）显著积累，为后续贮藏中的色素形成提供了前体物质。在贮藏过程中，棕色色素（如原儿茶chu酸、2,3,4-三羟基苯甲酸等）逐渐积累，而黄色色素（如槲皮素、莫林、柚皮素查尔酮等）含量逐渐下降（图5）。此外，常温贮藏样本中大量积累的代谢物（如香草酸、同香草酸等）是黑色素的前体，表明内核褐变可能与黑色素的形成密切相关。与此同时，原花青素类代谢物（如卡西因C1、原花青素B1等）含量下降，可能被氧化为红色素或醌类物质，从而影响内核色泽。这一模型为深入理解薄壳山核桃内核色泽变化的代谢机制提供了重要依据，也为未来研究色素合成途径和调控机制提供了方向。
图5：薄壳山核桃内核色泽变化的代谢模型解析
本研究利用多酚代谢组学技术，系统地分析了薄壳山核桃内果皮在不同发育阶段及贮藏过程中的颜色变化及其相关代谢物。研究发现，酚类化合物在薄壳山核桃内果皮颜色变化中起着重要作用，尤其是酚酸和黄酮类化合物。通过鉴定出52种与褐变密切相关的代谢物和59种潜在的色素前体，研究人员揭示了薄壳山核桃内果皮褐变的具体机制。这些发现不仅为开发抗褐变品种提供了理论依据，还为延长薄壳山核桃的货架期和减少经济损失提供了新的思路。
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