油脂组学的发展及其应用

杜润峰，徐勇将，刘元法

（江南大学食品学院，江苏 无锡 214122）

2009年，食品组学被定义为一门新兴的学科，将先进的组学技术用于食品安全与营养等研究领域，以提高消费者在日常饮食中的幸福感、健康和信心[1]。油脂、蛋白质、碳水化合物是自然界存在的三大重要物质，也是食品中的三大重要组成成分。油脂不仅可以为机体活动提供热量和必要的脂肪酸，且油脂中功能性成分也具有多种生理功能，如多不饱和脂肪酸具有降血压、血脂、胆固醇，预防心血管疾病，老年痴呆症、癌症等多种功能[2-4]。但是，随着食用油消费的不断增加和产业的迅速发展，油脂加工过程中危害物检测过程繁琐、特色油料产业发展依然处于弱势、油脂与营养之间的内在联系不透彻等问题成为油脂科学发展的重要挑战[5]。因此，油脂组学作为食品组学中重要的分支，应用基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和生物信息学等先进的研究方法，实现了对复杂的油脂结构高通量、高灵敏度、高精密度的分析，突破油脂营养和安全问题的瓶颈，为油料种植、油脂加工、油脂质量安全和营养吸收等问题提供了解决方案。

1 油脂组学的定义及研究方法

1.1 油脂组学的定义

油脂组学是基于多组学技术，研究油料生产、加工到消费使用全链条过程中物理和化学特性、营养和安全问题的综合性学科，是食品组学的组成部分（图1）。油脂组学不同于脂质组学，脂质组学作为代谢组学的一个分支，主要用于研究生物体内脂质分子的特性、鉴定脂质代谢和脂质介导的信号传导过程中的变化[6-7]。油脂组学是一个包含广泛学科的新概念，从DNA、RNA、蛋白质、代谢物等分子层面解释油料作物代谢途径和油分差异的调控机制，发现和筛选优良品种；实现高通量、高灵敏度、全覆盖地测定油脂组分及其挥发性化合物在加工过程中动态变化规律；从营养基因学、蛋白质组学和代谢组学角度解释油脂成分及其伴随物的代谢途径和对慢性疾病的调控；从基因组学和代谢组学快速、高效地评估油脂的安全性、真伪性和溯源性。因此，油脂组学将油脂科学研究带入了新时代。

图1 油脂组学的研究内容Fig. 1 Research aspects in oilomics

1.2 油脂组学的研究方法

油脂组学的主要研究方法包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等，以及生物信息学技术对组学大数据分析，展现油脂-生物系统相互作用的整体图景。

基因组学旨在确定生物体中存在的遗传信息，常用的技术手段有全基因组测序、基因分型、表观基因组学等[8]。基因组学可以解释油料作物的脂质积累和降解途径以及油分差异的调控机制，为实现优良品种的培育提供依据，还有利于油脂的追溯性和掺假检测。此外，基于高通量测序技术的肠道微生物宏基因组学为研究油脂摄入对慢性病的干预和治疗提供了新思路[9-10]。

转录组学是主要研究细胞或组织所有基因转录及转录调控规律的学科，其中用于定性和定量转录组的方法主要可分为基于杂交技术的基因芯片技术，以及基于测序分析的全基因组表达谱研究，其中RNA-seq技术是基于测序分析方法的最新代表，成为目前转录组研究的主要手段[11-13]。转录组学通过高通量测序对油料作物基因进行全局分析，探讨物种间油分差异的调控因素，为遗传改良提供基础；还可以对生物体内的基因表达进行分析，探究油脂及其伴随物对体内稳态的调节作用，明确油脂与营养之间的内在联系。

蛋白质组学是利用蛋白质组分分离技术、鉴定技术以及信息学对蛋白质结构、功能进行分析和预测[12]。常用的分析平台包括双向凝胶电泳质谱（two-dimensional electrophoresis，2-DE-MS）、多维蛋白质鉴定技术（multidimensional protein identification technology，MudPIT）、基质辅助激光解吸电离飞行时间串联质谱（matrix assisted laser analytical ionization time-of-flight mass spectrometry/mass spectrometry，MALDI-TOF-TOF MS/MS）[11]。利用蛋白质组学方法可以更好地理解油料作物中油脂形成机理和油脂对于一些慢性代谢疾病的调控机制，以及鉴定疾病标志物等。

代谢组学可以分为非靶向代谢组学和靶向代谢组学。非靶向分析在检测和发现新型油脂方面非常出色，因此非常适合于发现差异和生物标志物候选物的筛选，尽可能覆盖所有的组分，但对所有的化合物测定不能达到最优；而靶向分析是对某个特定组分进行分析，对所选择的组分测定更灵敏和彻底，在研究分子机制方面具有强大的作用[14]。脂质组学作为代谢组学的分支，在生物医学研究中已被用于药物活性和治疗效果的评价以及某些疾病的早期诊断[15]。目前，广泛应用的分析手段有核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）、气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、液相色谱-质谱联用（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）和毛细管电泳质谱（capillary electrophoresis-mass，CE-MS）等[14,16]。此外，快速蒸发离子化质谱（rapid evaporative ionization mass spectrometry，REIMS）是一种无需样品预处理的新型实时质谱技术，通过手持智能手术刀切割样品采集数据从而获得组学轮廓，检测离子的信噪比范围为49.58～205.30，灵敏度和精密度均较高，是一种简单、高效、准确的新型技术手段[17]。

2 油脂组学的应用

2.1 油脂组学在物理和化学特性方面的应用

油料作物中油脂含量及组分受到遗传和环境等多种因素的影响。油脂组学中的基因组测序、RNA测序（转录组测序）有助于确定基因的特征，差异基因的表达，为研究油料作物的代谢途径和油分差异的调控机制以及培育优良的油料作物提供种植方面策略和技术手段。Thambugala等[18]通过对120个亚麻品种的基因进行测序，确定了6个去饱和酶基因的遗传变异及其对脂肪酸组成的影响，为开发独特的、有价值的亚麻油料提供了有用的遗传和分子信息；沈玥[19]建立白菜、甘蓝及甘蓝型油菜脂类代谢基因库，并对酰基酯类代谢相关基因及转录因子进行注释和综合分析，为油菜油脂含量与组分改良提供理论依据，同时也为其他油料作物脂肪酸的积累和改良提供宝贵信息；Vuorinen等[20]表征了不同生长条件对油菜种子中油脂成分与基因表达水平的影响，发现降低温度和减少日照时间能够提高油菜种子中十八碳三烯酸的水平，且促进参与甘油三酯（triglycerides，TG）生物合成的基因表达。陈书琪[21]比较了大豆、油菜、棉花、芝麻种子在不同发育时期的基因差异表达及油脂代谢、糖转运、糖酵解等相关基因的表达，探讨了物种间油分差异的调控因素，也为油脂含量差异的分子机制提供了科学依据。

油脂组学可以通过蛋白质组学和代谢组学方法研究油料作物种植过程中蛋白质的动态变化规律、油脂积累和降解机制，为油料作物的育种和种植提供新思路。王允[22]分析了花生种子在不同发育时期及萌发后蛋白质组学的变化规律，挖掘了不同发育时期的油脂积累和萌发后油脂降解分子机理，进一步通过CRISPR-Cas9定点突变技术敲除FAD2基因分析花生高油酸性状的分子遗传机制，为培育高油酸花生提供基础。Zhang Yujuan等[23]对经过盐处理的耐盐和敏感性芝麻幼苗的30个样品进行了RNA测序和定量蛋白质组学分析，不同品种之间基因和蛋白质表达谱的差异可能有助于解释芝麻的盐分响应和耐受机制，也有望为其他油料作物耐盐性的分子机制提供有价值的信息。Bennouna等[24]通过代谢组学和转录组学等方法，发现油菜种子的乙醇提取物能够诱导血浆前列腺素物质水平降低而缓解氧化应激，指出种植条件或遗传特性改变会引起植物种子次生代谢产物水平发生变化，进而影响其营养健康特性。Woodfield等[25]采用脂质组学方法，分析不同品种油菜在脂肪积累点以及甘蓝型油菜在油分积累的早、中、晚3个阶段的三酰基甘油、二酰基甘油、磷脂酸、磷脂酸胆碱和磷脂酸乙醇胺的变化，发现分子种类的分布明显不同，并且表明了油脂积累过程中代谢的复杂性质，理论计算指出三酰基甘油生物合成过程中二酰基甘油酰基转移酶的贡献高于磷脂二酰甘油酰基转移酶，这对理解世界上第三重要油料作物中最终贮藏脂质的形成有重要贡献。

2.2 油脂组学在油脂加工方面的应用

油脂组学可以从分子水平研究加工过程对油脂组分的影响，为探索更加安全、高效、绿色的加工方式提供依据。胡谦等[26]分析鉴定了压榨和浸出油茶籽油的55 种甘油酯，发现这两种方式得到的油茶籽油中甘油酯相对含量差异不显著，而结合化学计量学，建立主成分分析（principal component analysis，PCA）和正交偏最小二乘-判别分析（orthogonal partial least square-discriminant analysis，OPLS-DA）模型可以有效区分不同加工方式的油茶籽油。雷有娟等[27]对5 种溶剂提取的磷脂中脂肪酸组成进行比较，发现正己烷提取的磷脂中不饱和脂肪酸含量最高，然后用超高效液相色谱-四极杆串联飞行时间质谱仪（ultra-high performance liquid chromatographyquadrupole time-of-flight mass spectrometry，UPLC-QTOFMS）在负离子模式下分析白酥油、黄酥油、白酥油磷脂和黄酥油磷脂的脂质成分，发现白酥油、黄酥油和白酥油磷脂中磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）含量最高，而黄酥油磷脂中磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）含量最高，这一发现为牦牛酥油的进一步开发奠定基础。基于代谢组学方法，Jiang Fan等[28]指出热榨和水酶法制备的花生油可以有效改善高脂饮食引起的机体损伤和肝代谢紊乱，摄入冷榨花生油可以降低大鼠肝脏和血清中的部分氨基酸、脂肪酸、磷脂和碳水化合物水平，而摄入水酶法制备的花生油可以增加大鼠肝脏和血清中棕榈酸、尿酸和嘧啶含量。

油脂制备、烹调、煎炸等会影响油脂风味，运用油脂组学的方法高通量测定挥发性化合物的变化规律，对油脂的加工利用具有积极作用。测定油茶籽油在不同加工工艺（液压法、螺旋压榨法和浸出法）和压榨条件（不同含壳率、含水率、烘烤温度和时间）下挥发性成分的形成规律，并分析成因与机制，为探究高质量茶油的生产条件提供依据[29-31]。Giuffrè等[32]研究特级初榨橄榄油、橄榄果渣油、大豆油和棕榈油在不同加热条件下（180 ℃和220 ℃下分别加热30、60、120 min）的挥发性特征化合物，指出特定的醛类化合物可以用来评估植物油的感官特性和健康特性，也可以通过选择合适的温度和加热时间保持风味并减少食用油在加热过程中产生的异味。Tian Peng等[33]鉴定并对比了在不同的温度（90、110、130、150 ℃和170 ℃）下通过油炸青葱制备的青葱油中的挥发性化合物，多元数据分析指出己醛、(E)-2-庚烯、(E)-2-辛烯、二丙基二硫化物、2-乙基-3,5-二甲基吡嗪和1-辛烯-3-醇对整体香气非常重要。

2.3 油脂组学在营养与健康中的应用

油脂作为人体能量的重要来源，其营养健康对人类的身体健康具有重要作用。因此，将基因组学、蛋白质组学、转录组学、代谢组学、系统生物学和生物信息学应用于油脂研究中形成油脂组学，有利于人们全面、系统地掌握油脂与营养之间的内在联系，对于促进国民形成科学合理的饮食习惯、推动国民身体健康具有重要意义。油脂组学在营养与健康中的应用集中于不同油脂中必需脂肪酸、脂溶性维生素、磷脂、甾醇、脂质伴随物等营养价值及其对慢性病的影响（表1）。Lu Yuanyuan等[34]基于宏基因组学研究短链脂肪酸降低体质量机制，发现补充短链脂肪酸会影响G蛋白偶联受体的表达和肠道微生物的区系组成，促进脂肪组织中TG水解和游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）氧化，以及棕色脂肪生成和线粒体生物合成，抑制慢性炎症，从而进一步减轻体质量。Warner等[35]基于基因组学和代谢组学，发现降低ω-6/ω-3多不饱和脂肪酸比例能够减轻乙醇引起的肠道稳态、肠道微生物区系、胆汁酸代谢和血浆代谢组的特异性变化，减少肠道炎症和相关的肝损伤。此外，代谢组学是监测掺入油脂及其脂肪酸在营养研究中的合适方法，有利于油脂营养成分的作用通路和机制的研究，推动油脂营养研究的发展。例如，Pastor等[36]采用脂质组学评估补充ω-3脂肪酸对人体的益处，发现囊性纤维化患者补充ω-3脂肪酸12个月后，二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）主要转化为高不饱和胆固醇酯和磷脂酰胆碱，而转化为磷脂酰乙醇胺和甘油三酯程度较低。

表1 油脂组学在营养与健康中的应用Table 1 Applications of oilomics in research in nutrition and health

2.4 油脂组学在食品质量安全中的应用

油脂在加工和贮藏过程中会发生各种反应，其中氧化产生的羰基化合物极有可能参与到美拉德反应中，从而促进丙烯酰胺、杂环胺、5-羟甲基糠醛和晚期糖基化末端产物等多种危害物的形成，对人体健康构成威胁[46]。高通量的油脂组学方法以及氧化脂肪酸数据库的构建，能够更高效便捷地对脂肪酸氧化产物的分子结构进行分析，并对未知的氧化脂肪酸进行预测，同时可以定性定量分析氧化脂肪酸，为油脂安全提供新的解决方法。覃佐剑等[47]对室温和180 ℃下处理30 min后的菜籽油、紫苏油、葵花油、亚麻籽油中的氧化脂肪酸进行定性定量分析，筛选出了食用油氧化初级阶段潜在的脂肪酸氧化标志物，对探究植物油氧化机制、营养品质控制具有指导意义。Capriotti等[48]表征特级初榨橄榄油在储藏过程中的极性脂质和FFA，研究其降解规律，发现反应速率最快的是磷脂极性头的磷酸酯水解反应，其次是甘油酯水解和氧化过程。丁磊等[49]测定油脂中9 种胆固醇氧化物，有利于研究油脂中胆固醇氧化产物，保障油脂产品质量。多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、多氯联苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）和塑化剂是植物油中常见的污染物，孟维一等[50]建立一种高通量同时快速分析测定市售食用油中的16 种PAHs、18 种邻苯二甲酸酯和7 种PCBs，大大节省了检测成本和检测时间，可为食用油的质量安全监管提供便利。

在油脂消费领域，部分不法商贩贪图高额利润，将低价值植物油添加到高价值油脂中，或将餐厨回收油脂经过简单精炼后加入正常油脂中，这极大地损害了消费者的权益。相比于传统检测方法，油脂组学具有高通量、高灵敏度、简便等特点，在油脂成分分析、品质判别、真伪鉴定方面有明显的应用优势。唐芳[51]建立七大植物油（菜籽油、大豆油、花生油、棉籽油、茶籽油、棕榈油和葵花籽油）脂肪酸的标准指纹图谱，较好地反映了每种油脂间的差异，相似度分析法可定性鉴别油脂掺假。张东等[52]分析棕榈油和动物脂肪（猪脂、牛脂和羊脂）的TG种类和含量，利用主成分分析进行区分，也为掺假鉴别提供了理论基础。徐冰冰等[53]基于代谢组学并结合化学计量学方法成功区分了沙棘油和对照食用油（菜籽油、葵花籽油和大豆油），并根据OPLS-DA模型等进行数据分析，得到了14 种特征标识化合物。da Silveira等[54]基于电喷雾电离质谱（electrosprayionizationmass spectrometry，ESI-MS）技术，在正离子模式下对添加1%大豆油的初级橄榄油进行了快速鉴定。

基于代谢组学方法分析油脂中的挥发性有机物也是一种高效的品质判别和掺假鉴定的方式。蒋万枫等[55]采用静态顶空-气相色谱质谱联用技术分析菜籽油、大豆油、棉籽油、花生油、芝麻油、玉米油和棕榈油中挥发性化合物，应用化学计量学分析方法对不同种类的油进行判别和分类。Sales等[56]采用吸附捕集的动态顶空固相萃取方法，测定橄榄油中的挥发性有机化合物，然后使用新型数据处理软件PARADISe、EZ-Info进行多变量分析以及创建统计模型，对橄榄油质量进行分类，准确度达到了85%，其中特级初榨样品100%均被正确分类。Cecchi等[57]定量分析了1 223 种初榨橄榄油的73 种风味化合物，随后结合感官评价提出，仅使用10 种挥发性有机化合物（辛烷、庚醛、戊-1-烯-3-醇、Z-3-己醛、壬醛和4-乙基苯酚等）分类橄榄油的正确率为80.1%。此外，基于基因组学的方法，Agrimonti等[58]从橄榄油中提取DNA，为可追溯性和检测掺假提供了便利。

3 结 语

油脂组学作为食品领域的新兴学科，对油脂科学的研究具有极大的推动作用。高通量、高分辨率、高精确性的分析方法将突破油料和油脂成分复杂性和多样性的限制。计算机技术特别是人工智能的发展，使得大数据的处理速度不断加快，为油脂组学发展提供有力保障。油脂组学实现了在DNA、RNA、蛋白质和代谢物等分子水平研究油料从生产加工到储运消费全链条过程中物理和化学特性、营养和安全问题，将油脂科学研究带入了新时代。