草莓果實香氣物質研究進展

程帥旗王麗娟高軼楠

(天津農學院園藝園林學院，天津 300392)

草莓(Fragaria ananassaDuch.)屬于薔薇科多年生草本植物[1]，在采摘行業中占有重要地位。隨著消費者對草莓品質要求的不斷提高，研究者和生產者不再滿足于對草莓果實產量、糖酸含量等基礎品質的要求，而開始重視草莓的香氣并成為研究的熱點[2]。香氣是草莓果實風味品質的重要組成部分。國外有研究認為，與味覺相比，嗅覺在人體對氣味的感知過程中起著主導作用[3]。由于香氣主要靠嗅覺感知，所以氣味的優劣對食用者的健康和營養吸收情況影響密切。近年來，隨著科技的發展，研究人員對草莓香氣物質組分的鑒定評價方式逐漸升級，對香氣物質影響因素的研究逐漸廣泛，對香氣物質形成機理的研究逐漸深入[4-8]。為此，本文對這些草莓香氣物質的相關研究進行綜述，為今后調控草莓果實香氣物質代謝的深入研究提供一定參考。

1 草莓果實香氣物質的組成及成分

草莓果實香氣是目前最復雜、最豐富的水果香氣之一，目前已鑒定出350多種相關揮發性化合物[9，10]。雖然它們僅占果實重量的0.001%～0.01%，但對草莓果實風味的形成起到重要作用[11]。

研究者已先后對草莓香氣物質的種類進行報道。朱翠英等[12]利用“Galuku Pro”配方的格陸谷椰糠栽培袋對‘達賽萊克特’和‘紅星’草莓進行管道式栽培，草莓果實檢測到4類香氣物質，分別為酯類、醛類、酮類和醇類。王娟等[13]在溫室內采用常規設施栽培管理方式，研究比較‘紅顏’‘甜查理’‘京桃香’‘香山公主’‘玉泉公主’‘玫瑰公主’‘白雪公主-15’‘白雪公主-6’共8個草莓品種的果實香氣成分后得出，所有草莓品種的果實香氣均由酯類、酮類、醇類、酸類、醛類共5類化合物組成。董靜等[14]采用秋季大拱棚栽培和日光溫室栽培方式，研究‘阿爾比’‘蒙特瑞’‘波特拉’和‘圣安德瑞斯’4個草莓品種的果實香氣，共鑒定出酯類、萜烯類、酮類、醇類、內酯類、呋喃類、醛類、酸類8種類型的香氣物質。呂浩等[15]利用大棚栽培對‘玉泉公主’‘香山公主’及其親本‘燕香’和‘紅顏’4個草莓品種的果實香氣進行測定，鑒定出酯類、醇類、酮類、呋喃類、酸類、烯烴類和醛類共7種類型的香氣物質。欒坤[16]對12個不同天然居群的綠色草莓果實香氣進行測定，鑒定出醛類、酯類、烯類、醇類、酸類、酚類、酮類共7種類型的香氣物質。王愛華等[17]對黃毛草莓和鳳梨草莓的兩個種間雜種果實香氣成分的代謝譜進行了分析，將香氣成分按類型劃分為15類，包括酯類、醇類、酮類、烷烴類、醛類、烯烴類、酸類、內酯類、環烷烴類、醚類、呋喃類、苯酚類、胺類、糖類和苯類。這些研究報道說明，草莓的品種、栽培方式以及化合物類型劃分標準不同，香氣的種類也會存在差異。

草莓果實香氣是由多種香氣物質共同提供而形成，其不同種類和比例的組合會產生不同的感官效果。根據人體在聞到不同香氣時產生的感官效果不同，可分為:果香型、青香型、辛香型、木香型、醛香型等[18]。研究指出，酯類和內酯類物質讓草莓散發出果香味和花香味，呋喃類和部分醇類物質則形成焦糖味，γ-癸內酯形成桃香味，丁酸和2-甲基丁酸形成不好聞的氣味，(E)-2-己烯醛形成青香味，沉香醇和DMMF形成草莓獨特的玫瑰香味，部分醇類物質形成蜂蜜香味等[2，15，19]。付磊等[20]認為，醇類和醛類為青香的主要貢獻物質，丁酸、己酸和辛酸會賦予草莓酸香味。

2 草莓果實香氣物質的影響因素

2.1 品種

果實香氣因品種不同而表現出顯著差異。付磊等[20]用3個草莓品種分別鑒定出60、70、66種化合物，其中‘寶交’甜香氣較強，‘大將軍’青香和花香更強。趙倩等[21]將野生黃毛草莓與3個栽培品種進行對比得出，黃毛草莓的酯類物質相對含量最高(52.70%)、總香氣物質種類最多(83種)；主成分聚類分析結果表明，黃毛草莓和其它3個品種分為兩類且類間距遠，說明兩類的呈香物質有較大區別。呂浩等[15]檢測2個優系草莓品種(玉泉公主和香山公主)及其親本的香氣物質后得出，兩個親本的香氣物質含量差異較大；‘玉泉公主’呈現菠蘿香味，‘香山公主’呈現濃果香，優系的香氣物質雖然來源于雙親，但相對含量與雙親明顯不同。王娟等[13]比較8個草莓品種的香氣物質后指出，‘白雪公主-15’和‘玫瑰公主’的香氣物質種類最多，達到40種，‘京桃香’僅有36種。趙娜等[22]對6個草莓品種的香氣物質進行主成分分析，結果顯示，‘紅顏’與‘圣誕紅’較為相似，‘艷麗’與‘隋珠’較為相似，‘甜查理’與‘章姬’差異較大。由上可以得出，品種可對草莓果實香氣物質的種類和含量產生影響，進而對香氣的感官效果產生一定影響。選擇優良品種進行栽培，有助于提升草莓的經濟價值和商品屬性。

2.2 環境條件及栽培措施

光作為能量在植物光合作用中發揮著調節作用，也作為信號在植物生長發育中發揮作用[23]。在6種不同顏色(透明、紅色、黃色、綠色、藍色和紫色)塑料薄膜下，紅膜處理的草莓果實香氣中化合物種類最多，香氣形成受到明顯的促進作用[24]。國外有研究表明，紅色地膜通過反射遠紅光和紅光影響草莓生長過程中的基因表達，進而提升草莓果實香氣物質的含量[25，26]。彭鑫等[27]通過對草莓進行遮陰處理來改變光強大小，發現遮陰后果實香氣物質種類增加，酯類和萜烯類物質含量明顯增多，烴類、醇類、酸類和酮類物質含量無顯著變化。劉澤宇[28]研究發現，昆明溫室比北京溫室光照強度強、土壤溫度高，昆明草莓果實中沉香醇、苯乙烯的相對含量高，北京草莓果實中橙花叔醇、DMMF的相對含量高，且具備更明顯的青草氣。王玲[29]比較了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)兩種避雨棚對微環境和草莓果實香氣物質的影響，陰天情況下PE棚內的光照強度顯著高于PMMA棚，香氣物質測定結果顯示，PE棚果實整體上香氣物質種類更多。其原因可能在于兩種微環境的差異影響了相關酶的功能，也可能是因為PE棚內草莓果實受光更好。

劉松忠等[30，31]研究發現，氮素營養影響草莓果實香氣物質的形成，增加施氮量，特征香氣物質成分如丁酸甲酯、丁酸乙酯、己酸甲酯等的含量表現出先升后降的變化趨勢，合理施氮可實現保持草莓果實風味品質的效果。果樹進行合理的疏花疏果和控制葉果比，能夠有效減少養分消耗，達到提升果實品質的目的[32，33]。草莓植株進行摘葉和疏果，對果實香氣物質能產生一定影響。隨著摘去的葉子增多，酸類、醛類、酮類和醇類物質含量呈增加趨勢，而主要香氣物質(如酯類和DMMF等)的相對含量明顯降低，果實風味變淡[34]；隨著草莓留果量的減少，特征香氣物質成分相對含量及總量呈現增多趨勢，果實風味品質得到提升[35]。

通過采取積極的栽培措施如增加紅光、合理增施氮肥、選擇合適的栽培環境來改變草莓植株的生長條件，進而影響香氣物質的形成，可達到提升果實香氣的效果。目前，研究栽培條件如何影響草莓果實香氣的內容仍比較少，未來需要在這方面做出進一步的研究。

2.3 果實成熟度

草莓果實4個發育時期(綠果期、白果期、著色期和全紅期)香氣物質的數量和含量均存在一定的差異，果實成熟過程中酯類物質增加，而醛類物質的變化因品種而異[2，36]。隋靜等[37]研究發現，隨著果實發育，酯類和酮類物質的相對含量上升，而醇類和醛類物質則表現出下降趨勢。趙國富等[38]研究表明，隨著果實的成熟，醛類物質在轉色期達到最高94.20%后逐漸降低，醇類物質在未成熟時含量較低成熟時急劇增加，酮類物質先降低后升高，酸類和酯類物質均只在成熟期的果實中檢測到。王玲等[39]對‘達賽萊克特’草莓果實成熟過程進行研究后得出，伴隨著醛類物質的減少，酯類物質不斷增加，果實香氣類型開始逐漸由清香型轉變為果香型。趙靜等[40]對草莓大綠果、成熟果、過熟果的香氣物質進行研究后得出，隨著果實的發育，酮類、酸類物質相對含量不斷升高，酯類、醇類和醛類物質含量表現為先升后降。國外研究發現，采收前對草莓植株施加外源激素(乙醇和茉莉酸甲酯)后，通過影響與其香氣物質形成相關的生化途徑來減緩成熟過程，提高了草莓果實香氣物質的總含量[41]。

果實成熟度影響著草莓香氣物質的形成[42]。隨著果實的成熟，酯類、酮類物質含量增加，醇類、醛類物質變化與品種有關，基本上表現為降低趨勢，但在前人的研究中也出現升高的現象。草莓果實成熟后，過熟提升酮類、酸類物質的含量，降低酯類、醇類、醛類物質的含量，因此影響了草莓果實的香氣。

2.4 貯藏環境

光和溫度是貯藏過程中影響草莓品質的兩個重要因素。研究發現，草莓果實進行藍光或紫外線照射，可促進果實中酯類物質的合成[43，44]。Ayala-Zavala等[45]認為，0℃低溫可使貯藏過程中的草莓長期保持相對較好的品質，而在10℃或5℃較高溫度下果實香氣物質含量更高。Fu等[46]研究了光照和溫度雙重因素對貯藏過程中草莓果實香氣的影響，表明提高溫度可促進呋喃酮含量的升高，暗處理提升萜烯類物質的含量，兩因素交互作用(將溫度從25℃降至15℃，并進行暗處理)提升酯類物質的含量。

氣調貯藏是指通過調整貯藏環境中的氣體組成，來對果實的呼吸作用產生一定的抑制效果，從而達到保鮮的作用[47]。Lu等[48]研究表明，與低氧環境(3%O2＋5%CO2＋92%N2)和空氣環境相比，在90%氧氣的貯藏環境下，草莓果實香氣得到提升。研究發現，用褪黑素處理草莓可以延緩果實變質，但兩種重要的香氣物質2-甲基丁酸乙酯和己酸乙酯的豐度受到影響[49]。另外，草莓果實受到破壞后其香氣物質也會受到影響，如草莓受到機械損傷后，酯類物質濃度變化不顯著，但醛類物質濃度會增加[50]；冷凍和解凍可能會對果肉組織細胞造成破壞，從而產生的硫化氫異味對果實香氣造成不利影響[51]。

草莓果實在貯藏過程中香氣物質存在一定的變化[52]，采取一些措施如調整光照、溫度、氣體組成等方式來改善貯藏環境，能提升采后草莓果實的香氣。

3 草莓果實香氣物質的合成途徑及機理

3.1 草莓果實香氣物質的合成途徑

根據參與生物合成反應的前體類型不同進行劃分，果實香氣物質的合成途徑可分為:脂肪酸途徑、氨基酸途徑、萜烯類途徑和碳水化合物途徑[53]。其中關鍵酶包括甲基轉移酶、乙酰基轉移酶、萜類合成酶[54]。

3.1.1 脂肪酸途徑 脂肪酸是草莓果實中香氣物質合成的主要前體物質。該合成過程包括α-氧化、β-氧化和LOX氧化，其中以β-氧化和脂氧合酶(LOX)途經為主[55]。

在β-氧化下，飽和脂肪酸被氧化為酰基CoA，酰基CoA被酰基CoA還原酶還原為醛類化合物；經過ADH的催化，醛類化合物轉化為醇類化合物；醇類化合物在AAT的催化下，生成酯類化合物。β-氧化還參與果實中內酯的生成，在β氧化下飽和脂肪酸經過乙酰輔酶A氧化酶(ACX)、反-2-酮酰輔酶A的作用，生成相應的內酯[56]。

在LOX途徑下，不飽和脂肪酸如亞油酸、亞麻酸在 LOX催化下生成氫過氧化物(HPOs)[57，58]；HPOs在HPL作用下，生成C6、C9等揮發性酯、己醛或己烯醛等化合物[59]；其后經過ADH的催化，轉化為相應的醇；醇類物質在AAT催化下，生成相應的酯類化合物[60]。

3.1.2 氨基酸途徑 氨基酸也可以作為草莓香氣物質合成的前體，用于合成脂肪族、芳香族或支鏈酸、醇和酯以及醛、酮等羰基化合物[42]。氨基酸在轉氨酶、丙酮酸脫氫酶的作用下，轉化生成支鏈酮酸。支鏈酮酸可選擇兩條途徑進行代謝:(1)經過脫羧酶的催化，支鏈酮酸轉化為支鏈醛，醛再在ADH的催化下生成醇類物質，醇再在CoA、AAT的作用下生成酯類和酮類物質；(2)支鏈酮酸可與輔酶A共同生成酰基CoA，酰基CoA再在AAT的催化下生成酯類化合物，或在磷酸轉移酶的作用下生成酸[61]。

3.1.3 萜烯類途徑 萜烯類物質在草莓果實香氣物質成分中占比較大，其主要由異戊二烯結構為基本單元的烴類及其含氧衍生物組成，所以也稱為類異戊二烯。其主要可分為半萜、單萜、倍半萜、高萜等，其合成包括3個階段:中間體的形成、前體物的合成、萜烯類物質的生成[62，63]。

第1階段中間體的形成，通過兩條途徑來實現，分別為MVA途徑和MEP途徑。通過這兩種途徑形成的中間體，即IPP與其雙鍵異構體DMAPP[64]。MVA途徑發生在細胞質中，乙酰輔酶A作為底物，在AACT催化下生成乙酰乙酰輔酶A；乙酰乙酰輔酶A再在HMGR的作用下生成MVA；MVA再在脫羧作用下反應生成IPP。MEP途徑發生在質體中，3-磷酸甘油醛和丙酮酸作為底物，在DXS催化下反應生成MEP；MEP再在脫羧作用下生成IPP、DMAPP[65]。在異戊烯基焦磷酸異構酶(IPI)催化下，IPP可與DMAPP形成同分異構轉化[66，67]。

第2階段前體物的生成，前體物即GPP、FPP、GGPP和GFPP。在通過MVA/MEP途徑生成IPP和DMAPP后，最小的萜烯是五碳物質異戊二烯，它可以直接由DMAPP生成，而高于五個碳原子的萜烯類物質則需要更為復雜的方式進行合成。DMAPP在相應酶的催化下，與不同數量的IPP依次縮合生成GPP、FPP、GGPP和GFPP，它們分別是單萜、倍半萜/三萜、二萜/四萜、二倍半萜物質生物合成的直接前體[68，69]。此階段完成了萜烯類核心碳骨架的構建。

第3階段萜烯類物質的生成，是萜烯類合成途徑的最后一個階段。碳骨架構建完成后，在一系列萜烯合成酶(TPS)/萜類環化酶(TCS)和修飾酶的作用下，進一步修飾碳骨架，最終形成大量結構復雜的萜烯類化合物[69，70]。

3.1.4 碳水化合物途徑 碳水化合物作為原始底物，既可以作為前體物質用來合成揮發性化合物，還可以在經過一系列反應后生成丙酮酸，然后在各種酶的催化下生成各類化合物，為脂肪酸途徑、氨基酸途徑以及萜烯類途徑的香氣物質合成提供原料[64]。

DMHF和DMMF是草莓果實中的特征香氣成分。單糖分子可通過代謝生成DMHF和DMMF兩種呋喃酮。其主要合成過程為:D-葡萄糖和D-果糖作為直接前體先轉化為6-磷酸-D-果糖，然后6-磷酸-D-果糖轉化為DMHF；DMHF再在甲基轉移酶(OMT)催化下生成DMMF[71]。

丙酮酸可作為MEP途徑的直接前體物質參與香氣合成途徑。在脫氫酶催化下，丙酮酸經過氧化脫羧生成的乙酰輔酶A，可在AAT的作用下生成乙酸某酯，或在還原酶的催化下生成乙醇。丙酮酸進行無氧代謝時，產生乙醛和乙醇，這些產物對乙酸某酯和某酸乙酯等酯類化合物的生成有促進作用。乙酰輔酶A還可作為底物參與β-氧化和MVA途徑，最后生成香氣物質。在氨基轉移酶的催化下，丙酮酸轉化生成丙氨酸，之后通過氨基酸途徑生成相應的香氣化合物[72]。

3.2 草莓果實香氣物質合成的分子機理

在草莓果實香氣物質的合成過程中，各種關鍵酶及相關基因起到重要作用。在草莓眾多的香氣物質中，γ-十內酯對草莓果實特有的果香貢獻最大，脂肪酸去飽和酶基因FaFAD1控制著γ-十內酯的生成[9，73，74]。酯類物質合成的最后一步需要醇酰基轉移酶的催化，因此醇酰基轉移酶基因的表達影響著酯類物質含量的多少，FaAAT2表達下調時，草莓果實酯類物質顯著減少[75]；FvAATW2過量表達時，酯類物質含量升高[76]。Pillet等[77]鑒定了一個編碼甲基轉移酶的基因FanAAMT，該基因與其它基因共同介導草莓果實中鄰氨基苯甲酸甲酯(MA)產生的最終步驟。

在草莓果實成熟過程中，醇酰基轉移酶(AAT)、醌氧化還原酶(QR)、乙酰輔酶A羧化酶(ACCase)、丙酮酸脫羧酶(PDC)對香氣物質的合成起著關鍵作用[78]。HDMF是草莓果實香氣的主要貢獻者，其生物合成的最后一步是由醌氧化還原酶(FaQR)催化。乙烯響應因子(FaERF＃9)與MYB轉錄因子(FaMYB98)在蛋白質之間發生相互作用而形成的ERF-MYB復合物激活醌氧化還原酶(FaQR)啟動子，繼而促進草莓中HDMF的生物合成[79]。FaQR因為它的三維結構，又被命名為烯酮氧化還原酶(FaEO)[80，81]。Zorrilla-Fontanesi等[82]利用遺傳學、代謝組學和分子生物學方法，鑒定了鄰甲基轉移酶基因的一個同源基因FaOMT，該基因是導致草莓果實中甲基呋喃含量自然變化的原因。Aharoni等[83]研究發現，橙花叔醇合成酶1(FaNES1)能夠催化香葉基二磷酸(GPP)或法呢基二磷酸鹽(FPP)產生芳樟醇和橙花醇。

4 展望

香氣是反映果實品質的重要指標之一，具有一定的商品屬性。如上所述，前人已對草莓果實香氣物質進行大量研究，表明草莓果實含有多種類型的揮發性化合物。這些物質在不同種類和比例的組合下賦予其獨特的感官效果。在草莓果實香氣物質影響因素方面，前人通過選擇優良品種、采取積極的栽培措施、改善環境條件、控制果實成熟度、調整貯藏環境等手段，實現了提升草莓果實香氣的效果；在草莓果實香氣物質形成機理方面，前人深入研究了草莓果實香氣物質合成過程中各種關鍵酶及相關基因的作用。

隨著消費者對草莓品質要求的不斷提高，今后還需深入研究草莓果實香氣物質和提升香氣質量，可從以下幾個方面進行探索:(1)香氣物質合成途徑關鍵基因的鑒定及其調控機理解析；(2)摸清香氣物質的遺傳規律，并利用雜交育種方法選育新品種；(3)利用分子標記技術，追蹤與香氣物質合成相關的關鍵酶基因，以實現對酶活性和基因表達量的調控，進而改善草莓果實香氣。