甜瓜呈香組分及其合成途徑研究進展

劉 瀟，王瑞琪，劉 賀，溫雪珊，時 月，趙曉燕，張 超

（1.北京市農林科學院 農產品加工與食品營養研究所，北京 100097；2.渤海大學，遼寧 錦州 121013；3.果蔬農產品保鮮與加工北京市重點實驗室，北京 100097；4.農業農村部蔬菜產后處理重點實驗室，北京 100097）

0 研究背景

香氣是評價甜瓜最重要的品質特性之一[1]，極大地影響消費者購買意愿。甜瓜中揮發性組分主要由多種化學物質組成，包括酯類、醇類、醛類、酮類和萜類[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，會對果實風味產生影響[3]。介紹甜瓜中揮發性組分及其香氣特征，并綜述揮發性組分生物合成途徑和主要影響因素，以期為甜瓜風味研究提供參考。

1 甜瓜揮發性組分

甜瓜因其清香甜美風味而深受人們喜愛，這種風味是由多種揮發性組分共同組成的。甜瓜中揮發性組分多來源于氨基酸、脂肪酸或類胡蘿卜素。依據化學基團分類，酯類、醇類和醛類是甜瓜中最主要的揮發性組分[4]，其他類型的揮發性組分有苯酮類、酮類、呋喃類、內酯類、單萜類和倍半萜類等。

目前在甜瓜中共發現了290多種不同的揮發性組分[5]，有研究者采用頂空固相微萃?。℉S-SPME）結合氣相色譜-質譜（GC-MS）技術[6]對39種甜瓜揮發性組分的種類和含量進行了測定。最終檢測到146種揮發性組分，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]。結果表明，不同品種甜瓜的揮發性組分和含量差異較大。在呼吸躍變型甜瓜品種中，揮發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]。

甜瓜中揮發性組分（含量＞3 μg/kg鮮質量）見表1。

表1 甜瓜中揮發性組分（含量＞3 μg/kg鮮質量）

2 甜瓜呈香組分香氣特征

甜瓜揮發性組分眾多，但并非所有揮發性組分都能對甜瓜特征性風味起決定性作用。只有較少的組分甚至是某一種化合物決定其風味，這類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。當香氣活力值大于或者等于1，則認為該組分對其香氣有作用，且香氣活力值越大，對整體香氣的貢獻度就越高。

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、乙酸苯甲酯等酯類物質。而非躍變型厚皮甜瓜主要為己醛、己烯醛等醛類及少量醇類物質。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，其相對含量可占總芳香成分的49.71%～84.95%[10]。脂類含量高的甜瓜品種，多為呼吸躍變型品種，果香氣濃郁；醛類、醇類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

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

甜瓜在脂肪酸的代謝途徑中會產生一些C4-C12醛及其相應的醇或者直鏈脂，這些揮發性組分中的每一種都為瓜果提供特定的香氣和風味[13]。甜瓜中大多數酯類能發出果香和清香，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]。甜瓜中的一些醛類和醇類則能發出清香、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，對消費者感知甜瓜風味品質起重要作用[15]。

甜瓜中通過脂肪酸代謝的呈香組分及其香氣特征見表2。

表2 甜瓜中通過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味的主要貢獻者[17]，例如，2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸甲酯（表3）。

甜瓜在類胡蘿卜素途徑中會產生羅布麻素類（Apocarotenoids）的萜類化合物[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）。項目組前期研究發現物理方法或是化學方法處理的甜瓜汁中，β-紫羅酮均是主要呈香組分。

甜瓜中通過氨基酸與類胡蘿卜素代謝的呈香組分及其香氣特征見表3。

表3 甜瓜中通過氨基酸與類胡蘿卜素代謝的呈香組分及其香氣特征

目前，通過不同技術對甜瓜風味化合物進行測定并計算其香氣活力值，結果顯示甜瓜中主要的呈香物質是壬醛、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

甜瓜呈香組分的來源根據其合成途徑可分為3類：第一類來自脂肪酸，通過脂質氧化途徑產生C6和C9醛，醛氫化形成醇[8]，然后醇乙?；上鄳孽20]。第二類來自氨基酸，產生支鏈脂和酚類揮發物。第三類來源于類胡蘿卜素，通過類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD）產生一系列類胡蘿卜素類揮發性組分[21]。

3.1 脂肪酸途徑

脂肪酸是機體生命活動的主要能量來源之一[22]，同時也是水果風味組成的重要前體物質。研究顯示，采用外源亞麻酸和亞油酸處理番茄果實，果實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，通過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番茄風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，同時也是酯類物質的關鍵前體物質。脂肪酸的代謝過程中主要產生一些直鏈脂肪族醇、醛、酮和酯類物質。甜瓜中的青香型氣味主要來自C6和C9的醛類及醇類物質[24]，它們是由脂肪酸經脂肪氧合酶（LOX）途徑轉化成氫過氧化物，再發生氧化、裂解及脫氫作用轉化成相應的醛和醇類[25]，進一步形成酯類等。

甜瓜呈香組分脂肪酸代謝途徑見圖1。

甜瓜中含量豐富的呈香組分：C6揮發物[26]，包括己醛、反-2-己烯醛、順-3-己烯醛和相應的醇，能給果實帶來綠色、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-戊二烯結構的不飽和脂肪酸在脂肪氧合酶（LOX）催化下，生成氫過氧化物，氫過氧化物在氫過氧化物裂解酶（HPL）催化下裂解為9氫過氧化物或13氫過氧化物。生成醛類及羰基酸化合物，醛類物質會在乙醇脫氫酶（ADH）的作用下，進一步轉化成相對應的醇類物質，醇類物質在醇?；D移酶（AAT）與乙?；o酶A（acyl-CoA）作用下生成相應的酯類[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-氫過氧化物，9-氫過氧化物可以作為氫過氧化物裂解酶（HPL）的反應底物，生成順,順-3,6-壬二烯醛，隨后會在異構酶（ISO）的作用下生成反,順-3,6-壬二烯醛，進一步在乙醇脫氫酶（ADH）的作用下，脫氫轉化成反,順-2,6-壬二烯醇，最后在醇?；D移酶（AAT）與酰基輔酶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，脫氫轉化成順,順-3,6-壬二烯醇，隨后在醇?；D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

酯類是水果中主要的呈香組分，也被認為是甜瓜獨特香氣的貢獻者[30]，可以通過2種不同的代謝途徑從初級代謝物中產生[31]。直鏈酯是通過脂肪酸途徑合成[32]，而支鏈酯大多是通過氨基酸途徑產生。氨基酸代謝途徑中主要參與揮發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]。研究者發現甲基支鏈酯中占主導地位的2-甲基丁酸乙酯和2-甲基丁酸甲酯是甜瓜風味的主要貢獻者[35]。除此之外，一些脂肪族或芳香族的醇類、酸類、醛類等化合物也是氨基酸代謝過程中的產物或中間物質[36]。總體來說，氨基酸分解代謝被認為是甜瓜中呈香組分的關鍵途徑[33]，氨基酸通過一系列酶促反應最終轉化為甜瓜揮發性組分（圖2）。

具體來說，氨基酸最先經過2步共同的酶反應，其一是在丙酮酸脫氫酶的脫羧基作用下生成醛，再通過乙醇脫氫酶轉化成醇。另一個是氨基酸在轉氨酶（AT）的轉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，在磷酸轉移酶（AHP）作用下生成酸[37]。酯類的合成主要是上述代謝中轉氨酶途徑中，將氨基酸轉化為相應的α-酮酸。然后，α-酮酸通過丙酮酸脫羧酶（PDC）催化的脫羧和丙酮酸脫氫酶（PDH）的脫氫作用進一步轉化為醛。這種醛通過乙醇脫氫酶（ADH）迅速還原成相應的醇。隨后，醇和?；o酶A被醇?；D移酶（AAT）催化形成酯類（圖2）。

以2-甲基丁酸乙酯為例，其代謝前體為L-異亮氨酸，隨后脫羧脫氫生成為2-甲基丁醛，2-甲基丁醛再進一步通過乙醇脫氫酶（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，而這種支鏈酯類揮發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圖2。

圖2 甜瓜呈香組分支鏈氨基酸代謝途徑

3.3 類胡蘿卜素途徑

類胡蘿卜素是羅布麻素類（Apocarotenoids）的前體物質，羅布麻素類物質是一類由類胡蘿卜素氧化裂解生成的萜類化合物的總稱[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-紫羅酮合成過程為例（圖3），類胡蘿卜素的前體物質異戊烯焦磷酸（IPP）和二甲基丙烯基二磷酸（DMAPP）通過縮合反應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），該過程也是一個重要的限速步驟[40]。之后再通過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]。再經過環化作用，由番茄紅素環化酶（LCYB）負責環化番茄紅素最終生成了β-胡蘿卜素[42]。β-胡蘿卜素繼續作用會生成一系列黃質素類物質[43]。與此同時，在類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'鍵位發生裂解，生成β-紫羅酮[44]。

甜瓜呈香組分類胡蘿卜素代謝途徑見圖3。

圖3 甜瓜呈香組分類胡蘿卜素代謝途徑

β-紫羅酮是甜瓜中非常重要的呈香組分，是一種常見的芳香揮發物，存在于多種植物的組織中，如桂花、矮牽?；ê退N薇的精油，以及多種水果和蔬菜中，包括胡蘿卜、番茄、樹莓、杏、李子、蘋果和無花果[45-47]。β-紫羅酮是由類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）氧化裂解β-胡蘿卜素生成的。類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）主要參與類胡蘿卜素的生物合成[48]，并有助于水果和花卉的風味和香氣的生成。另有研究發現，具有表達肽-PhCCD1結構酵母菌株的β-紫羅酮產量比攜帶天然酶的菌株高4倍。表明CCD1的蛋白質工程顯著提高了代謝工程酵母合成β-紫羅酮的產量[49]。也就是說該酶在β-紫羅酮的合成中發揮了重要作用，也是影響β-紫羅酮合成的關鍵因素，所以在調控甜瓜香氣的影響因素中，類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD1）也是非常重要的一環[50]。

4 結語

甜瓜中主要的呈香物質包括壬醛、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，其主要來自脂肪酸、氨基酸和類胡蘿卜素。但是，這些呈香組分除了產生途徑有所不同，而且還強烈依賴于其品種、基因、栽培技術、貯藏環境等條件[51-52]。在生理代謝過程中，脂氧合酶、乙醇脫氫酶、醇酰基轉移酶、氫過氧化物裂解酶和類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鍵酶。