番茄果實風味的組成及其影響因素研究綜述

張 莉 ，胡志峰 ，邵景成 ，耿新軍

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，甘肅 蘭州 730070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北地區(qū)蔬菜科學觀測實驗站，甘肅 蘭州 730070）

番茄（Lycopersicon esculentum Mill）為茄科番茄屬的一年生草本植物，是一種世界范圍內(nèi)廣泛種植的果蔬類植物，其在世界范圍內(nèi)的總產(chǎn)量在果蔬類名列前茅。番茄深受東方飲食習慣的喜好，在我國具有世界最多的種植面積，總產(chǎn)量更是遙遙領(lǐng)先［1-4］。番茄適應(yīng)性較強，可在無霜期內(nèi)栽培，也可反季節(jié)在溫棚內(nèi)栽培［5］。甘肅省地處我國西部內(nèi)陸，擁有高海拔、晝夜溫差大、長時間光照和低降水量等自然氣候條件，極其適宜番茄生長，因而成為我國主要的保護地番茄產(chǎn)區(qū)之一［6］，并已逐漸成為優(yōu)質(zhì)番茄種植區(qū)和加工區(qū)。

番茄作為一種水果蔬菜［7］，其果實中含有豐富的糖類、有機酸、多種維生素、類胡蘿卜素、番茄紅素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、類黃酮等多種營養(yǎng)素［8］，獨特的風味和豐富的食用方式使得番茄在消費者的餐桌上占據(jù)了重要的地位。

21世紀后，生活水平的逐漸提高使人們對番茄的需求發(fā)生了根本性的改變，人們對番茄從吃得上轉(zhuǎn)變?yōu)榱顺缘煤茫嗟淖非蠓蚜己玫母泄倨焚|(zhì)。這其中除安全衛(wèi)生的基本要求外，包含了從外觀、營養(yǎng)素含量和風味品質(zhì)等一系列的要求［9］，因此番茄育種工作的重點也相應(yīng)的需要改變，完成從量到質(zhì)的轉(zhuǎn)型［10］。

在過去的近半個世紀，番茄的育種研究強調(diào)豐產(chǎn)性、抗病性、耐貯性品種，培育出了一系列高產(chǎn)抗病耐貯的品種，導致了對番茄風味的忽略，包括揮發(fā)性香氣物質(zhì)［11］。香氣物質(zhì)是番茄風味的基礎(chǔ)，也是番茄品質(zhì)的重要組成部分，它由多種揮發(fā)性芳香物質(zhì)組成，這些揮發(fā)性物質(zhì)決定了番茄的獨特風味［12］，且它們與糖和酸共同作用，影響消費者對番茄產(chǎn)品的感官選擇以及接受度，甚至對消費者選擇番茄的偏愛程度和購買欲起了決定性作用［13］。因此，番茄果實品質(zhì)改良，尤其是風味改良是現(xiàn)階段番茄育種的熱點與首要目標。

番茄的風味由番茄在成熟過程中形成的揮發(fā)性化合物決定，而風味在一定程度上決定了消費者對番茄購買的選擇。決定番茄風味的物質(zhì)在番茄的成熟過程中會經(jīng)歷動態(tài)的變化過程，從最初釋放到香氣富集直至消耗殆盡，受到諸多的因素影響。

1 番茄果實中的芳香物質(zhì)組成

番茄果實的感官品質(zhì)由其成熟番茄果實的酸甜度、果肉的硬度、果汁含量構(gòu)成，基本包括糖類、酸類、Vc、番茄紅素、可溶性固形物、氨基酸組分等［14］。番茄的風味主要由一些醇類、醛類、酮類、萜類和酯類以及含硫化合物等揮發(fā)性成分構(gòu)成［15］。番茄果實的整體香味是由多種物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的，不僅取決于揮發(fā)物質(zhì)的種類和含量，還與構(gòu)成比例相關(guān)，使得特征香氣成分種類多的品種整體香味呈現(xiàn)得更為濃郁［12］。揮發(fā)性芳香物質(zhì)在番茄果實中的全部含量雖然僅約為2 mg/kg，但卻是影響番茄風味的最重要因素。番茄果實芳香物質(zhì)的研究最早可追溯至20世紀中葉，限于當時的知識結(jié)構(gòu)和檢測手段，僅確定乙醛、3-甲基正丁醇等芳香物質(zhì)是構(gòu)成番茄香氣主成分，隨著研究的深入，研究學者們在成熟的番茄果實中發(fā)現(xiàn)了越來越多的芳香物質(zhì)。

截止目前的研究表明，在成熟的番茄果實中發(fā)現(xiàn)了高達400多種揮發(fā)性化合物，種類涵蓋了醇、醛、酮、酯、萜及含硫化合物等，有20～30種物質(zhì)的濃度超過1.000 nL/L［14-15］。其中，大約有16種物質(zhì)具有積極氣味單位值（番茄濃度除以氣味閾值），是構(gòu)成番茄風味的主要物質(zhì)基礎(chǔ)并對番茄香氣有顯著貢獻（表1）。此外，有研究表明，一部分芳香物質(zhì)的對數(shù)閾值單位即使為負時依然可以作為背景香氣物質(zhì)影響番茄香氣，這其中包含如香葉醛、橙花醛、香葉基丙酮和愈創(chuàng)木酚等常見的呈味物質(zhì)。這說明番茄果實的香氣感知不僅取決于各揮發(fā)性化合物的組成、濃度和閾值，還取決于它們之間的相互作用［9］。

芳香物質(zhì)的合成途徑根據(jù)其前體物質(zhì)不同主要分為3條。第1條來自以脂肪酸為前體的生物合成途徑，通過氧脂素途徑產(chǎn)生C6和C5醛和相應(yīng)的醇；第2條來自以類胡蘿卜素為前體的生物合成途徑，通過類胡蘿卜素卵裂雙氧酶（CCD）產(chǎn)生裂解化合物；第3條來自以氨基酸為前體的生物合成，產(chǎn)生支鏈氨基酸和酚類揮發(fā)物。番茄果實的芳香物質(zhì)是以細胞合成的脂肪酸、氨基酸、類胡蘿卜素和酚類等四類為物質(zhì)基礎(chǔ)的（圖1）。這些前體物質(zhì)通過呼吸和光和作用由CO2經(jīng)過卡爾文循環(huán)形成蔗糖，再通過糖酵解、莽草酸和甲羥戊酸途徑形成［16］（圖2）。

表1 番茄果實中重要芳香物質(zhì)含量閾值濃度和對數(shù)閾值單位

1.1 以脂肪酸為前體的生物合成途徑

亞油酸和亞麻酸等脂肪酸是番茄果實風味形成中的主要前體物。其合成途徑主要是脂肪酸向揮發(fā)性芳香物質(zhì)的代謝，這個代謝途徑通常由脂氧合酶系統(tǒng)（LOX）、脂氫過氧化物裂解酶系統(tǒng)（HPL）和氧化還原酶系統(tǒng)（ADH）共同參與催化相關(guān)反應(yīng)。亞油酸（C18-2）或亞麻酸（C18-3）分別經(jīng)脂氧合酶C（TomloxC）形成亞油酸氫過氧化物（13-HPO C18-2）和亞麻酸氫過氧化物（13-HPO C18-3），而后13-氫過氧化物裂解酶（13-HPL）起主要作用催化前體分別形成了己醛和順-3-己烯醛，最后經(jīng)過乙醇脫氫酶2（ADH2）的作用還原成己醇和順-3-己烯醇，而順-3-己烯醛也能通過酶促或非酶促反應(yīng)形成反-2-己烯醛，這些物質(zhì)具有青草味和生青味（圖3）。以上物質(zhì)皆在番茄香氣形成中起到一定作用。

與眾所周知的C6揮發(fā)物合成途徑相比，C5揮發(fā)物的生物合成途徑尚不清楚，但C5芳香物質(zhì)如戊醇、1-戊烯-3-醇、戊醛、反-2-戊烯醛和1-戊烯-3-酮作為呈現(xiàn)果香味的主要成分，其含量決定了消費者對番茄的喜好程度［17］。

1.2 以類胡蘿卜素為前體的生物合成途徑

在過去的10多年里，對芳香化合物化學合成調(diào)控的認識主要集中在單一基因和途徑上（圖3），一些基因已經(jīng)在生物化學代謝途徑上被鑒定，通過馴化番茄與相關(guān)野生品種雜交得來的引種系（ILs）實驗表明，番茄紅素與β-胡蘿卜素是番茄果實中的主要類胡蘿卜素，多具有果香味和芳香味，對番茄的香氣有重要的貢獻作用。而通過代謝組學和蛋白組學實驗發(fā)現(xiàn)香葉醛、橙花醛和假紫羅酮的合成來自于番茄紅素及其前體。類胡蘿卜素含量較高的番茄，其相應(yīng)的芳香物質(zhì)種類及含量也較高。

1.3 以氨基酸為前體的生物合成途徑

番茄果實中大量揮發(fā)性化合物來自氨基酸。它們可以分為兩類:酚類和支鏈類化合物。隨著分子標記技術(shù)的發(fā)展，水果蔬菜中的關(guān)鍵性功能物質(zhì)合成途徑被一一揭示。在番茄果實中，花香味主要由苯丙氨酸相關(guān)代謝化合物貢獻，而土腥味主要存于在1-硝基-2-乙基苯，此外具有薄荷味的水楊酸甲酯、具有丁香味的兒茶酚和丁香油酚共同構(gòu)成了番茄的獨特風味［18］。電子鼻（GC-O）技術(shù)的應(yīng)用大大加深了風味與物質(zhì)間聯(lián)系的量化可能性，消除了由于個人喜好所造成的在感官評價時的誤差值。近年來利用GC-O技術(shù)，確定了支鏈酯類物質(zhì)，包括了2-甲基丁醇、3-甲基丁醇、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、乙酸異丁酯、異戊腈和2-異丁基噻唑。其中2-甲基丁醇、3-甲基丁醇、2-甲基丁醛和3-甲基丁醛等賦予果實獨有的焦糖味，而乙酸異丁酯的辛辣味、異戊腈的果香味和2-異丁基噻唑的番茄果香味與生青味也都通過新的測定技術(shù)得到了印證。

2 影響番茄果實風味物質(zhì)的因素

番茄果實的風味物質(zhì)受很多因素的影響，首先是在近年來，番茄育種工作重點主要放在豐產(chǎn)性、耐貯性以及抗病性上，忽略了番茄的風味品質(zhì)；其次不同品種番茄基因不同，其所富有的風味物質(zhì)不同。此外，構(gòu)成番茄香氣的芳香物質(zhì)在番茄果實成熟過程中不斷合成和累積，芳香物質(zhì)的種類和含量不斷發(fā)生變化。栽培條件、貯運環(huán)境等不同的采前采后因素對番茄果實的風味物質(zhì)也有所影響。

2.1 基因?qū)Ψ扬L味品質(zhì)的影響

基因決定了生物的一切表型，對番茄果實中芳香物質(zhì)組成更是起著決定性作用。不同基因種類的果實，其主要風味物質(zhì)是不同的，不同基因型的番茄品種造成其在風味物質(zhì)合成中各關(guān)鍵蛋白的表達量不同，因而形成風味的差異。

密森等［19］對不同基因型的番茄芳香物質(zhì)進行分析研究。分別選取不同果型番茄果實進行芳香物質(zhì)測定，在基因更為豐富的櫻桃番茄中檢測到的脂肪酸含量是普通番茄的兩倍，再次證明基因同風味的緊密關(guān)聯(lián)。在加工番茄和鮮食番茄的芳香物質(zhì)對比中，具有較少芳香物質(zhì)的鮮食番茄其特征效應(yīng)化合物卻多于加工番茄。對5種不同果色的新鮮櫻桃番茄品種果實的揮發(fā)性物質(zhì)成分和含量測定實驗中發(fā)現(xiàn)［20］，擁有不同基因型的番茄中揮發(fā)性物質(zhì)的差異也極為顯著，不同基因類型決定了番茄的果色和香氣，其中紅果品種的揮發(fā)性芳香物質(zhì)為46種、粉果品種為45種、紫色品種為44種、黃色品種為38種、綠色品種為34種。揮發(fā)芳香物質(zhì)總含量粉色品種最多，其次為紅色品種，綠色品種揮發(fā)性芳香物質(zhì)含量最少。5個品種共有的揮發(fā)性成分有14種，但不同品種的揮發(fā)性成分種類和含量都存在很大的差異，尤其以類胡蘿卜素為前體合成的揮發(fā)性物質(zhì)差異最為明顯。在關(guān)于佛羅里達州的38個不同基因型的番茄果實中芳香物質(zhì)組成的研究中發(fā)現(xiàn)了與之前研究同樣的結(jié)果:不同果型、不同果色得番茄果實的芳香物質(zhì)都不盡相同［21］。

2.2 采摘期對番茄風味品質(zhì)的影響

果實的風味形成需要經(jīng)過一系列生物化學反應(yīng)的進行，其中包括了香氣代謝關(guān)鍵蛋白的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，它是隨著果實的成熟度不同而動態(tài)變化的，隨著果實成熟，相關(guān)基因表達量增加，香氣快速累積。

美國農(nóng)業(yè)部根據(jù)番茄果實表面的顏色變化將成熟過程分為6個時期，包括綠熟期、破色期、轉(zhuǎn)色期、粉紅期、微紅期和紅熟期［22］。果實的不同成熟時期會對果實的香氣成分及組成有影響，伴隨著葉綠體向有色體的轉(zhuǎn)化，發(fā)生了一系列定性和定量的生化變化，改變了番茄果實的揮發(fā)性物質(zhì)［23］。不僅風味如此，其果色、品質(zhì)和營養(yǎng)成分都隨果實成熟度的變化而不同，影響果實營養(yǎng)品質(zhì)和風味品質(zhì)的各類物質(zhì)在此階段大量形成［24］。番茄果實在成熟過程中的芳香物質(zhì)前體以及酶也會發(fā)生一系列變化，在成熟期時產(chǎn)生特有的熟化番茄芳香及氣味［25］。番茄的風味物質(zhì)累積在紅熟期達到最佳，但紅熟期果實較軟，不利于運輸貯存，供應(yīng)商為了延長物流時間以及減少運送過程中的損耗，通常會在成熟早期進行采摘以延長貨架期，由于綠熟期調(diào)控香氣物質(zhì)合成的相關(guān)基因表達量較低，因此果實風味品質(zhì)不佳。研究表明，紅熟期采收的果實確實比早熟期采收的揮發(fā)性芳香物質(zhì)更豐富，番茄香氣也更濃郁［26］。番茄在早熟期合成順-3-己烯醛、1-戊烯-3-酮等關(guān)鍵物質(zhì)的基因表達水平較低，因此產(chǎn)物水平較低，影響了番茄風味的呈現(xiàn)，風味較差［27］。盡管成熟早期采收的果實也可通過后熟達到風味累積的效果，但與相關(guān)基因高表達量的紅熟期采收樣品相比，其芳香物質(zhì)還是存在較大差異。有學者對番茄果實成熟過程中芳香物質(zhì)的動態(tài)變化做了較為詳細的研究，表明綠熟期酯類物質(zhì)合成相關(guān)蛋白的基因表達量最高，而隨著果實成熟度的增加酸類呈現(xiàn)先升后降的趨勢［28］。密森等［19］對不同成熟度番茄果實的芳香物質(zhì)進行動態(tài)跟蹤測定后發(fā)現(xiàn)，在番茄成熟過程中，芳香物質(zhì)種類和特征效應(yīng)化合物數(shù)量具有顯著同步增加的趨勢，并在紅熟期達到穩(wěn)定狀態(tài)，與之前的研究一致。

2.3 栽培條件對番茄風味品質(zhì)的影響

栽培條件主要包括栽培季節(jié)、栽培方式、溫度、日照強度和時長、灌溉水量和肥料使用等因素。有研究分析了番茄在秋冬和春季種植時番茄果實的芳香物質(zhì)組成具有顯著性差異，結(jié)果表明溫度可能在關(guān)鍵呈香物質(zhì)合成的過程中起到了作用，其中春茬番茄果實特征芳香物質(zhì)含量明顯高于秋冬茬，這可能是由于春季溫度較為溫和、相關(guān)反應(yīng)酶活力較高［29］。近年來，基質(zhì)栽培、水培等栽培模式也在大力發(fā)展，研究表明水培番茄的果實風味要優(yōu)于傳統(tǒng)的土壤栽培方式。此外，適當?shù)难a光有利于提高番茄果實中番茄紅素的質(zhì)量分數(shù)及番茄芳香物質(zhì)的積累［30］。由于酶促反應(yīng)中的酶活力除了受到溫度等因素影響外，金屬離子的催化作用也必不可少，因此肥料的使用會促進相關(guān)酶促反應(yīng)速度，加快相關(guān)風味物質(zhì)的合成［31］。土壤中的微量元素同樣會對果實芳香物質(zhì)的累積有影響，與在正常土壤中種植的番茄相比，在缺硼和多硼的土壤中、或者缺鋅和多鋅的土壤中番茄果實的芳香物質(zhì)組分數(shù)和含量都會發(fā)生變化［32］。

2.4 采后處理對番茄風味品質(zhì)的影響

番茄屬于呼吸躍變型果蔬，完熟期的果實采后不易貯藏與運輸，其商品性由于腐爛和擠壓變質(zhì)大大降低，通過采摘后的保鮮處理可降低損失。采后貯藏條件同樣會影響果實芳香物質(zhì)的合成累積和分解。一般為了延長果實的貨架貯藏期會采用多種保鮮手段，如對果實的貯藏溫度、濕度、氣調(diào)條件等進行調(diào)控，貯藏時間和采后化學試劑的使用也會影響果蔬的風味，不恰當?shù)牟珊筇幚韯t會影響番茄果實的風味品質(zhì)。適當?shù)睦鋬霏h(huán)境應(yīng)用會減緩成熟，延長貯藏期，而不會引起凍害，如點蝕和腐爛。然而，有研究表明，香氣品質(zhì)往往受低溫影響，低溫處理番茄果實通常能夠抑制醛、醇、酮、酯、酸和萜類化合物的合成與揮發(fā)，如己醛、2-苯基乙醇、反-2-己烯醛、6-甲基-5庚烯-2-酮、2-甲基丁醇-β-紫羅蘭酮等［33］。

3 結(jié)束語

水果和蔬菜的味道由不同的化學物質(zhì)呈現(xiàn)，這些化學物質(zhì)包括可以與味覺感受器相互作用的非揮發(fā)性物質(zhì)以及可以與嗅覺感受器相互作用的揮發(fā)性化學物質(zhì)。就風味而言，最重要的是糖、酸和一些水果中的苦味化學物質(zhì)。最常見的水果糖是蔗糖、葡萄糖和果糖。但一些其他的糖，如山梨醇，在某些物種中很重要，如蘋果和甜櫻桃。最常見的酸包括檸檬酸、蘋果酸和抗壞血酸。果實風味物質(zhì)的動態(tài)變化具有實時性和復雜性。在大多數(shù)水果中可以檢測到數(shù)百種揮發(fā)物，其中番茄中有400多種可檢測的揮發(fā)物。更復雜的是，許多揮發(fā)性也可以轉(zhuǎn)換為非揮發(fā)性，而這些番茄風味的揮發(fā)性物質(zhì)都由組成番茄的基因所決定。

育種人員直接的服務(wù)者是種植者，種植者報酬多少取決于種植產(chǎn)量，因此育種者育種的重點多著眼于如何降低勞動力、提高產(chǎn)量、增強抗病蟲害和減少采后處理成本方面。由于商業(yè)生產(chǎn)的驅(qū)動，種植者因風味品質(zhì)提高而獲得的報酬提升并不大，繼而導致育種者對風味改良的忽略。此外，風味的精準測定較為困難，風味的累計及變化多數(shù)受外界環(huán)境影響，而消費者對風味品質(zhì)的要求也不盡相同。多種原因?qū)е率袌錾系姆殉蔀榱讼M口中的“沒有番茄味的番茄”。消費者在農(nóng)產(chǎn)品消費上永遠傾向味道好，營養(yǎng)豐富等指標，育種工作者面臨的挑戰(zhàn)就是如何在不影響種植者要求，及不降低種植品質(zhì)的情況下，為消費者提供更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

番茄因其生活周期短、二倍體基因組簡單、基因組序列可用性強和植物轉(zhuǎn)化工具性強而被普遍使用為茄科模式植物［34-35］。番茄的遺傳多樣性較窄，培育高產(chǎn)品種、提高番茄品質(zhì)和抗非生物脅迫能力是一項艱巨的任務(wù)，解決這一難題的最佳方法是分子育種，即把復雜的性狀簡化為一組分子標記。分子生物學技術(shù)的發(fā)展和成本的降低使得大規(guī)模基因組測序得以廣泛開展，促進了全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）。如今可以通過各種檢測技術(shù)將消費者的偏好與各種風味化學物質(zhì)連接起來，通過識別并調(diào)控合成各分子的基因及相關(guān)等位基因。這一過程整合了人類感官科學、生物化學、遺傳學和基因組學來定義水果風味的化學物質(zhì)，并為如何提高風味質(zhì)量提供新的思路。