脂质组学技术及其在食品科学领域应用研究进展

王欣卉，宋雪健，张东杰,3,*，李志江,3,*

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省杂粮加工及质量安全工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319；3.国家杂粮工程技术研究中心，黑龙江 大庆 163319）

脂质也称脂类物质，广泛存在于各种食品中，是人体所需的重要营养素之一，也是所有细胞不可或缺的组成成分[1]。脂质为一类复杂的生物分子，在不同的生物分子加工过程中起着许多关键作用[2]。除了为机体提供所需的营养及能量之外，脂质还参与机体炎症反应[3]、细胞间信号转导[4]、改变细胞功能、调节细胞代谢与增殖及凋亡等[5-6]，与疾病的发生与发展密切相关，在维持机体健康方面发挥着重要的作用。

随着科学技术的不断发展，各种揭示生命遗传物质信息的组学技术不断应运而生，脂质组学作为组学技术的一个分支，为探索庞大的脂质分子家族带来了更完善的分析方法与途径，也为探索生命科学领域和食品科学领域中脂质分子的作用与功能拓宽了思路。脂质组学和各组学分析技术的不断发展，促进了多门学科间相互交流。脂质组学现已被广泛应用在食品科学、营养学、植物学、分子生物学、疾病预防控制学及环境学等多个领域[7-10]。本文重点介绍脂质功能及脂质组学技术，分析脂质组学与食品科学、营养学及代谢组学间的相互作用关系，旨在为脂质组学在阐释饮食、营养与代谢相关途径，评价食品健康影响方面提供理论依据。

1 脂质的分类与功能

1.1 脂质的定义与分类

脂质是来自细胞代谢物中的一类异质化合物，其分子数量庞大、种类繁多、分子结构各异，难以对其进行精准定义。广义上认为脂质是一类多数不溶于水而溶于非极性溶剂的有机化合物，通常能迅速溶于氯仿、醚、醇和苯等有机溶剂，但由于大多数脂质同时包含亲水基团和疏水基团，这样的定义通常又会对脂质的理解产生歧义。目前，脂质的最新定义由“脂质代谢研究计划”项目——LIPID MAPS提出，其根据脂质的分子结构及其生物的合成途径进行分类：一类是完全或部分由硫酯的碳负离子（carbon anion）缩合而成，另一类是由2-甲基-1,3-丁二烯的碳正离子（carbenium ion）缩合产生的具有疏水功能或者两亲功能的分子[11-13]。LIPID MAPS数据库（LMSD）（http://www.lipidmaps.org/resources/databases）中注册的脂质分子结构有46 686 种，并将这些脂质分为了八大类。表1中列举了数据库中所含有的8 类脂质分子，即脂肪酰类、甘油酯类、异戊烯醇类、聚酮化合物类、甘油磷脂类、鞘脂类、甾醇脂类和糖脂类[14]。这种综合的分类方法，将每种脂质用12 位字符（4 个字母和8 个数字）进行标识，推动了脂质分子生物学系统化与标准化的研究，同时促进了脂质分子与其他化学分子间的交互研究[15]。

表1 LIPID MAPS数据库中的8 类脂质分子Table 1 Eight categories of lipids in LIPID MAPS database

1.2 脂质的生物学功能特性

脂质是一类结构多样化的复杂化合物，具有多种重要的生物功能。1）结构功能。真核生物膜中的主要结构脂质为甘油磷脂类、鞘脂类及甾醇脂类[16]，鞘脂类包括磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PtdCho）、磷脂酰乙醇胺（phosphatidyl ethanolamine，PtdEtn）和磷脂酸（phosphatidic acid，PA）等亚类[17]，且膜结构上的脂质分子通常更倾向于形成双分子层流体相[18]。真核细胞膜50%以上的磷脂是PtdCho，其含有顺式不饱和脂肪酸酰基链，使得该膜结构在水相界面具流动性且并不绝对对称，同时磷脂中含有的PtdEtn由于其极性头基为圆锥形分子形状，可改变膜曲率，以形成不同形状的膜结构[19]。2）维持细胞功能和一般生理活动的能量来源。如机体中的甘油三酯通过三步酶促水解反应生成甘油和游离脂肪酸，甘油可通过血液运输到肝、肠、肾脏等组织中进一步磷酸化，产生能量，而游离脂肪酸经与血浆蛋白结合后由血液输送至全身各处，在氧气充足的情况下，经β氧化作用，彻底氧化分解成CO2和H2O，同时供给机体能量[20]。3）作为生命活动中的信号分子，为机体疾病代谢提供新的靶向调控信号。如溶血磷脂酸（lysophosphatidic acids，LPA）通过与过氧化物酶体增殖物激活受体相结合调控基因表达[21]；鞘脂类神经鞘氨醇在脂质激酶的作用下，磷酸化生成鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate，S1P），作为第一信使与G蛋白偶联受体相互作用，促进细胞的生长和增殖[22]等。4）提供食品营养和保护机体健康。虽然许多脂质可以在体内内源性合成，但如亚油酸和亚麻酸类的必需脂肪酸，它们不能从饮食中的简单前体合成，必须从饮食中获得[23]。研究显示，摄入更多的多不饱和脂肪酸可以降低患心血管疾病的风险，提高神经和视觉功能，改善老年患者的认知功能[24-25]。

2 脂质组学与脂质代谢组学

2.1 脂质组学

组学的概念兴起于20世纪，指从宏观角度出发对机体中的基因、细胞结构、蛋白质及体内小分子代谢物间的相互作用进行研究，通过测定数据进行整体分析，从而反映出生物体组织器官功能和代谢状态的一门学科。随着科学技术的发展，已发展出基因组学（genomics）、转录组学（transcriptomics）、蛋白质组学（proteomics）、代谢组学（metabonomics）等分支[26]，脂质组学（lipidomics）也在各种组学技术的兴起中不断发展。在生命系统中，若将所有脂质分子的整体集合称为脂质组，那么脂质组学就是基于分析化学、营养学、医学等领域而建立起来的一门学科[27]。其致力于结合生物分子系统，在完整分子水平上构建生命体脂质组图谱，对脂质分子进行定性、定量的分析，探究脂质结构和功能，继而阐明脂质的组成及在细胞、器官及生命体生理病理复杂代谢过程中的作用与机制[28-29]。脂质组学的研究领域涵盖以下范畴：鉴定出新型的脂质分子种类；分析样本中脂质种类及其丰度，并研究其生物活性、亚细胞定位和组织分布[30]；开发定性定量方法，分析样本中痕量水平脂质分子，并对脂质组的重要部分进行主成分分析[31]；定量生命活动中产生变化的脂质分子，分析比较发现脂质生物标志物，用于阐明疾病和健康状态机体中的网络分析谱图[32]；利用脂质组学大数据建立自动化处理分析及生物建模的信息学方法等[33]。

2.2 脂质代谢组学

脂质作为一种代谢产物，在生命体代谢调控机制中发挥着不可替代的作用。利用脂质代谢组学技术不但可深入探究脂质分子的种类和功能，也可通过系统的生物学方法从细胞器、细胞、组织器官乃至机体等物种水平上探究脂质组的代谢调控作用，因此脂质代谢组学技术也在多组学技术交融中不断加速发展[34-35]。脂质代谢组学主要对机体、组织或细胞内脂质分子种类与含量及与其存在相互作用的分子和基因的表达进行系统性分析，比较普通生理状态或病理状态下的脂质代谢及其代谢的调控差异，利用脂质分子种类及变化量来计算代谢过程中特定脂质分子产生的可能贡献，通过与脂质组质谱数据确定的质量进行比较，识别代谢过程中关键的脂质代谢标志物，从而揭示脂质在代谢网络中的作用机制，以用于生理状态及疾病的诊断、分期、分型及预后的判断等[36]。

2.3 脂质组学的分析技术

由于脂质分子结构的多样性和复杂性，针对生命体整体脂质极其复杂的代谢网络和功能调控的研究进步缓慢。近年来，质谱技术的发展，特别是软电离离子化技术和高分辨质谱技术在脂质分析中的应用，为脂质组学及其代谢组学研究提供了强有力的技术支持。由于脂质组学技术的不断普及，其分析方法和检测手段也呈现出多元化的发展趋势。目前质谱技术以其高灵敏度、高分辨率及检测分子特异性的特点成为脂质组学的主流技术[14]。基于质谱技术的脂质组学分析可根据检测的范畴和检测目的，大致将检测手段分成两大类：非靶向脂质组学技术和靶向脂质组学技术[37]。对于非靶向的分析，主要基于对样本中所包含的脂质组数量和亚类做定性或半定量的全面无偏分析[38]，可以通过单一的分析平台或互补平台的组合来实现，包括核磁共振或质谱，质谱结合气相色谱、液相色谱或毛细管电泳等[39]。广泛非靶向分析研究可揭示样本的脂质相对量以及样本中两种或两种以上系统情况之间的变化。在非靶向性的分析方法中，样品制备应保持尽可能的简单，以实现最广泛的脂质覆盖。靶向脂质组学则更加侧重于样本中脂质分子的准确定量，通常可测定参与一种或几种脂质途径的特异性脂质分子，在靶向脂质组学中需要测定的脂质通常是通过非靶向脂质组学分析，预先筛选或预定义为关键靶向分子和/或潜在的生物标志物，达到脂质分子结构鉴定目的[40]。

2.4 脂质组学的生物学信息数据库

随着脂质组学的不断发展，其数据库和相关生物信息文库的建立已然成为丰富脂质组研究的一个重要方向。近年来，在多组学高通量测序技术的不断推动下，用于脂质组研究的数据库被逐步开发和完善，为探究脂质组分子提供了丰富的参考信息。脂质组生物学信息不仅可以表征食品中所含脂质分子数量和类别，还可以根据其相关代谢数据，探究膳食脂质营养与人类健康与疾病之间的作用与联系，为膳食脂质营养强化及提高其生物利用度更好地提供数据支持。目前，应用最为广泛的脂质数据库主要是LIPID MAPS，该数据库涵盖目前较权威的脂质分类、命名法和脂质结构信息，并对脂类物质进行标准化注释[41]，其包含质谱分析工具及统计分析工具等，不仅可以进行脂质化合物信息的检索和下载，还可以根据检测出的数据进行生物信息学分析，可通过给定特定的m/z或二级谱图信息来预测未知的脂质分子等[42-43]，对于脂质组学初学者，LIPID MAPS是一个非常好的学习平台。表2列举出几种较常用的脂质数据分析数据库及其相关简介，可为脂质组的分析提供参考。

表2 脂质组学常用数据库及简介Table 2 Commonly used databases in lipidomics and their profiles

3 脂质组学在食品科学领域的应用

在多组学技术的不断发展过程中，脂质组及代谢组学已渗透到食品科学、营养学、植物学、分子生物学、疾病预防控制学及环境学等学科中[15]。食品学科与脂质组学的不断交融，使食品科学的研究思路不断扩展，且融合其他代谢组学技术，不仅可以丰富食品营养方面的测定范畴，同时又能够促进食品营养与疾病健康调控的多元检测发展[48]。

3.1 食品质量与安全控制

食品的质量与安全控制一直备受人们的关注，脂质组学技术可成为食品质量控制的有力工具。外界环境的变化通常会影响生物体内脂质分子的代谢变化，通过对比分析脂质代谢物的种类与量的变化，可检测出机体变化应答靶点，筛选异源性敏感标志物，从而表征食品及食品原料质量与安全性。类固醇激素是一类甾醇生物活性化合物[49]，在畜牧业被用作生长促进剂或用于增加牛奶产量[50]，若人类长期大量摄入该类物质会造成中枢神经损伤、骨质疏松等状况，因此，许多国家禁止在食用动物中使用这类物质或严格管制用量[51]。Capriotti等[52]利用脂质组学技术中的液相色谱-质谱联用方法靶向分析并建立了一种简单、快速、可重复的方法，可同时测定不同商业牛奶样品中的类固醇激素和真菌雌激素。该方法也可应用于鱼、肉等肉类组织中激素的检测[53-54]。长链多不饱和脂肪酸极易受脂质氧化影响，导致产生食物中的不良气味和味道，Rohfritsch等[55]应用半定量筛选方法监测了随奶粉保存时间延长而含量增加的化合物，判定二十二碳六烯酸为特异性氧化标记物，其含量可用于判定奶粉的品质。类似方案也可用于油料[56]及肉品[57]品质的判定。

3.2 食品掺假

食品掺假也是食品质量控制方面的一个严重问题。一般来说，食品掺假可分为两个方面：1）在粮油产品中掺入同种类或不同种类劣质产品；2）添加外源性物质，掺入物理性状或形态与该食品相似的物质。同样，脂质组学技术也可用于检测食品掺假问题。掺假食品中不同成分的修饰将引入脂质谱的变化，可以通过脂质组学方法筛选出差异代谢物，从而判定食品样品是否存在掺假问题。Cao Guodong等[58]研究表明，单酰基甘油可作为食用油内源性标记物，通过测定常用食用油，包括油炸油和排水沟油中单甘油酯的含量，发现单酰基甘油的水平随着加热时间的延长而不断增加，该方法可对掺入微量常用食用油的纯食用油进行掺假认证。Gómez-Caravaca[59]及Jabeur[60]等对特级初榨橄榄油样品中的游离脂肪酸、脂肪酸烷基酯、三酰基甘油等主要挥发性化合物进行分析，得到识别油料掺假的标志性检测物参数，如亚麻酸含量可作为检测5%大豆油添加的特级初榨橄榄油的欺诈参数。其他化合物，如动物油脂中的胆固醇和植物油脂中的植物甾醇类，也可充当食用油料掺假检测的可靠标记物[61]。通过脂质代谢组学筛选差异代谢产物的方法，也可用于检测传统活猪屠宰肉与死后屠宰肉互掺[62]、牛肉与猪肉互掺[63]以及乳类[64]和粮种作物[65-66]互掺的问题。

3.3 食品溯源

随着食品品牌及地理标志性产品理念的兴起，食品溯源现已成为世界各地消费者较为关心的问题之一。通过对样品进行脂质及代谢组学分析，确定差异性代谢产物，也可为食品样本的溯源提供有力依据。利用非靶向脂质组学方法鉴定不同产地黑猪肉的脂质谱，在不同样本中一共检测出1 190 个脂质特征峰，偏最小二乘法判别分析筛选出100 个差异脂质分子，可以用于不同地理位置黑猪肉的区分[67]。有学者通过实时高分辨率质谱和多变量分析的方法以区分野生和养殖的鲑鱼，结果表明二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸在野生鲑鱼中含量更丰富，而C18:1、C18:2和C18:3在养殖鲑鱼中含量更高[68]。研究人员通过对不同海域海参中脂肪酸代谢谱的主成分进行分析，测定单不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸种类间代谢的差异，可针对性地识别出中国与日本海域以及中国地区临近海域中海参的不同地理来源[69]。经分析山羊乳的脂质代谢谱发现，不同区域样本之间神经酰胺和甘油磷脂含量存在显著差异，不同区域的样本之间磷脂酰肌醇、鞘磷脂和脂肪酸含量存在极显著差异，并且在不同泌乳期的山羊乳样品中，发现有26 种脂质化合物含量存在显著差异，其中三酰甘油含量呈现极显著差异，结果表明，脂质组学分析对于鉴别我国不同地理区域及分泌时期山羊乳是可行、有效的[70]。

3.4 食品加工及贮藏

脂质组学在食品加工贮藏方面主要用于研究不同食品加工过程中的脂质组分与食品品质的变化[51]，通过脂质分子水平上的研究，探究食品的加工及贮藏过程中脂质组分变化，以及对食品品质和功能特性的影响与表征，可为食品加工工艺及贮藏条件的优化提供可视化的数据支撑。Vigor等[71]研究加工过程对Styrian南瓜籽及其油中亚麻酸及其产物氧化脂质含量的变化，结果显示，加工过程无论采用干燥、浸泡盐水、烘烤，还是压榨等方式，对南瓜籽中的亚麻酸含量无显著影响，此结果可为南瓜籽油料的加工拓宽条件。Xie Ya等[72]收集了全国15 种微波冷榨工艺菜籽油，并对其进行甘油三酯、磷脂和游离脂肪酸等脂质分子分析。结果表明，微波预处理后总脂肪酸和甘油三酯含量无明显变化，而游离脂肪酸含量增加，磷脂含量显著增加至40 倍，该研究为微波冷榨菜籽油品质控制及技术参数提供了数据支撑。高文浩等[73]利用超高效液相色谱-质谱法研究了酸奶生产过程中脂质组变化，从1 607 种脂质分子中筛选出27 种作为鉴定巴氏杀菌奶和发酵奶的生物标志物，为酸奶热加工处理和发酵乳脂品质的影响提供了数据基础。Mastronicolis等[74]检测了食源微生物单核细胞增生李斯特菌中4 种磷脂的脂肪酸组成，及其在冷诱导下的脂肪酸变化，该研究结果可用于食品贮藏期间细菌生长标志物的监测，从而改进食品贮存方法。Wang Youyi等[75]利用电喷雾电离质谱技术分析鱼类肌肉的磷脂谱，结果表明磷脂氧化和水解是鱼肌肉储存过程中变质的两个主要原因，因此鱼肉磷脂分子含量可以作为鱼肌肉新鲜度的判定指标。

3.5 食品营养表征

对于脂类物质含量较为丰富的食品而言，其脂质含量与组成成分同食品风味和营养密切相关。因此，脂质组学技术不仅可以进行食品中全脂质组分分析，还可以用于食品营养品质的鉴定。鸡蛋是人类的良好营养来源，其营养价值部分归因于高含量的生物活性脂质，它们具有独特的生物活性，几乎只存在于蛋黄中[76]。Xie Ya等[77]利用超声辅助单相溶剂萃取法耦合液相色谱-电喷雾电离四极杆飞行时间质谱，非靶向分析了4 种不同鸡蛋蛋黄脂质组，共鉴定出618 种脂质分子，利用其主成分分析可以有效区分鸡蛋的4 个不同品种，且4 种鸡蛋中，藏鸡蛋蛋黄和DHA-蛋黄中富含磷脂，可作为婴儿配方奶粉[78]、食品药品添加剂[79]、天然抗氧化剂以及治疗性药物和化妆品成分中磷脂及必需脂肪酸的优良天然来源。张义茹[80]采用气相色谱-质谱联用法对不同品种小米进行脂肪酸分析，发现小米中所含有的脂肪酸主要有7 种，其中亚油酸含量最高，‘晋谷21’和‘牛毛白’品种中不饱和脂肪酸含量较高。

3.6 脂质代谢与疾病调控

在食品营养学的研究中，除食品营养本身外，饮食营养与健康调控的重要性日益凸显。众多研究表明，脂质组对机体饮食摄入应答、代谢调控、肠道微生物菌群调节，与许多相关疾病的发生都有很强的分子生物学敏感性。可以通过机体摄入特定营养物质而表达出的特定代谢途径相关分子通量的变化进行判别，进而检测和调控相关疾病[7,81]。因此，精确定量分析生物组织、细胞、血液、体液中的脂质分子，有望拓展饮食营养与疾病调控研究方法。Lai Mi等[82]通过对1 035 例妊娠期糖尿病患者进行随访，脂质代谢组学检测分析显示，311 种脂质分子会增加产后罹患2型糖尿病的风险，70 种脂质能够降低2型糖尿病风险，血清甘油三酯浓度升高提示机体脂肪细胞增多，提示为2型糖尿病前期。该项研究揭示了产妇产后患2型糖尿病的潜在代谢变化，其结果有助于临床医生早期识别产后罹患2型糖尿病的高风险人群，尽早对其进行干预，以防止发展成为2型糖尿病。Lankinen等[83]研究表明，利用不同脂肪含量的鱼肉进行膳食干预8 周后，高脂鱼肉膳食组的血浆脂质组中神经酰胺、溶血磷脂酰胆碱等脂质分子水平显著降低，从而影响由神经酰胺诱导的胰岛素抵抗的发生。脂质不仅是构成生物膜的基础结构，而且还是信号分子和能量来源，脂质代谢的改变也是癌症中最突出的代谢变化之一。Lien等[84]研究发现在缺乏脂质的环境中，合成单不饱和脂肪酸的硬脂酰辅酶A去饱和酶（stearoyl-CoA desaturase，SCD）的活性对癌细胞增殖至关重要。当SCD活性受抑制时，会扰乱不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸之间的平衡，进一步研究发现，通过热量限制会降低肿瘤SCD活性，导致不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸之间的不平衡，从而减缓肿瘤的发展生长。Wang Wenliang等[85]研究发现通过膳食补充金针菇菌根膳食纤维可激活单磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）信号通路，使体内脂肪酸合成酶表达水平降低，肉毒碱棕榈酰转移酶-1表达水平升高，导致脂质合成减少、脂质降解增加，从而缓解肥胖小鼠的脂质代谢紊乱。这些研究发现都可为饮食营养与疾病间的脂质代谢调控与治疗提供新的思路和诊疗方向。

4 结 语

近年来，随着化合物的分离技术及质谱等技术的飞速发展，极大地扩展了脂质组学方法在食品科学领域中的应用。然而，由于脂质化合物的复杂性，食品中的脂质分子与其含有的其他营养素也存在潜在的互作机制，并且对食品贮存和加工过程中部分脂质化合物中间体产物的鉴定仍然是一个棘手的问题，因此准确地定量和纯化分析食品中脂质化合物仍具有挑战。虽然脂质组学较其他组学起步较晚，但是脂质组学正成为评估营养和健康相关研究结果的有力手段，并能够提供有关脂质生物学过程及其生物学作用的全面信息。所以，通过未来更加完善的脂质组学数据库以及与其他新兴技术的融合，相信脂质组学在食品科学及其他领域的应用将取得更大的发展。