啤酒大麥和麥芽代謝組學研究進展范文

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摘要：代謝組學是系統生物學研究的重要分支，近年來在植物生理研究領域受到廣泛關注，并取得了重要進展。啤酒大麥作為啤酒釀造的主要原料，其品質直接影響啤酒的釀造和質量。目前，啤酒大麥代謝組學正日益成為研究熱點。本文對大麥種植和種子質量、大麥發芽、大麥對微生物防御作用和麥芽質量的代謝組學研究作了概述，并對啤酒大麥代謝組學研究中存在的問題和未來發展趨勢進行了討論。

關鍵詞：啤酒大麥；麥芽；代謝組學；研究進展

0引言

啤酒大麥麥芽是啤酒釀造的主要原料，由大麥經過浸麥、發芽和焙焦制成。大麥通過制麥過程合成或激活水解酶。水解酶將大麥中的淀粉、蛋白和多糖等大分子物質，水解成酵母可以利用的小分子物質，同時提供啤酒特有的色香味。因此，大麥品質、大麥發芽、大分子物質水解和麥芽質量對啤酒質量都扮演著重要角色［1］。代謝組學是近二十年發展起來的一門對動物、植物和微生物細胞中所有分子質量低于1ku的代謝物進行定性和定量分析的新技術，是繼基因組學、轉錄組學和蛋白質組學之后系統生物學的另一重要的研究方向，是目前組學研究領域的熱點之一［2］。鑒于啤酒大麥是啤酒釀造的主要原料，其質量直接影響到啤酒釀造和啤酒品質，研究者嘗試將代謝組學技術應用于啤酒大麥研究中，并在分析啤酒大麥的代謝標志物、代謝路徑和代謝產物變化，以及評價啤酒大麥對麥芽品質、啤酒釀造和啤酒質量等方面取得了一定的新成果［3］。本文對啤酒大麥代謝組學的研究進展進行綜述，以期為推動代謝組學技術在啤酒大麥研究領域的應用提供理論基礎。

1啤酒大麥簡述

1．1啤酒大麥

大麥（HordeumvulgareL．）屬禾本植物，在我國，是繼水稻、小麥、玉米之后的第四大谷類作物，有釀造、飼用、食用等多種用途［4］。適用于釀酒的大麥有很多，不同品種大麥的外部形態和釀造性能都不相同，通過選育后進行小型制麥與釀酒實驗，利用形態選種、雜交育種、誘變育種、基因轉化技術等方法選出適合釀酒的啤酒大麥。

1．2啤酒大麥分類

大麥主要分為皮大麥和裸大麥兩種，皮大麥又稱帶殼大麥、有稃大麥，目前用于啤酒釀造和動物飼料，裸大麥又稱“米麥”，如青稞就是裸大麥。皮大麥從形態上看相差無幾，只是啤酒大麥的釀造特性對大麥籽粒性狀和內在質量有特殊需求。研究顯示，二棱大麥（Hordeumvulgaressp．dis－tichonHsü．）是大麥種的一個亞種，制得麥芽質量好，是釀造啤酒的優良品種［5］。近年來，國內外研究者以基因雜交等手段選育適宜釀造其他遺傳性狀不改變的新品種。

1．3大麥基因組

建立2000年美國加州大學開始進行大麥基因組測序工作。2017年4月27日，國際大麥基因組測序聯盟（InternationalBarleySequencingCon－sortium，IBSC）在《Nature》公布了大麥基因組精細圖譜的研究成果。大麥基因組全長5．1Gb，含有3．9萬多個蛋白編碼基因，且多數為多拷貝，形成了復雜的基因家族，并富含轉座因子，因此全基因組測序工作難度巨大。國際大麥測序聯盟耗費了近10年時間，綜合運用了包括染色體構象作圖和生物納米作圖等多種最先進的測序和組裝技術，利用約2．5Tb大麥基因組測序數據，組裝完成了一個包含4．79Gb的大麥高質量參考基因組序列，每條染色體均被排成一個線性分子，其中94．8％的組裝序列明確定位在大麥各條染色體上。高質量的大麥基因組參考序列是大麥遺傳育種、并為其他組學研究取得突破性成果的重要支撐［6］。

2代謝組學概念及研究方法

2．1代謝組學概念1998年，“代謝組（metabolome）”一詞首先由Oliver等［7］定義為“一個生物體合成的所有代謝物”。2001年，Fiehn［8］提出“代謝組學”（metabomics或metabonomics），用于研究生物體和細胞中小分子代謝物成分及其動態變化。Metabonomics和metabolomics分別是對代謝物動態信息研究和單個體系靜態研究的生物學方法。

2．2代謝組學研究方法代謝組學是一個快速發展的技術平臺，其研究對象包括各種動物、植物和微生物中的小分子代謝產物。由于樣品性質和研究內容不同，對其進行樣品處理、檢測和分析的方法也有不同。本文以檢測大麥代謝物為例，涉及的流程包括樣品收集、代謝物提取、代謝物檢測和分析鑒定、數據處理和解釋。

2．2．1樣品收集植物樣品在培養過程中，受種子資源、谷物質量和培養環境等多種因素的影響，為了避免代謝組學分析時產生誤差，需要嚴格控制培養條件，減少試驗樣本之間的差異，同時盡量選取表型一致的平行樣品，增加取樣數量，降低試驗誤差。試驗樣品取樣后，要迅速對樣品進行淬滅處理。淬滅是迅速降低或終止細胞內代謝酶活性，停止代謝反應，保證樣品能夠反映實時的代謝信息。液氮冷凍和高氯酸猝滅技術是植物和動物代謝組學研究中主要使用的滅活方法［9］。

2．2．2代謝物提取代謝物提取效果直接影響檢測結果的準確性。谷物代謝物的提取方法有物理法和化學法。物理法包括微波法、超聲波法、機械研磨法、煮沸法和液氮凍融法等。化學法包括乙醇提取、高氯酸提取、甲醇提取和氯仿提取等［10］。本實驗室研究發現，采用物理化學結合的提取方法對大麥中代謝物提取效果較好，如70％熱乙醇提取法、液氮甲醇提取法和超聲甲醇提取法等，這些方法可以更有效地大范圍提取大麥中代謝產物。Zhao等［11］研究發現利用80％丙酮可以有效地對大麥中酚類化合物進行提取。Frank等［12］利用二氯甲烷提取水稻中的脂肪，然后利用甲醇、鹽酸和正己烷分別提取得到糖、糖醇、氨基酸和有機酸等極性成分。另外，Dong等［13］利用固相微萃取技術對大麥中揮發性風味物質進行提取。

2．2．3代謝物分離鑒定代謝產物的分離、鑒定和分析是代謝組學技術的核心部分。植物代謝物的多樣性超過動物和微生物，而且濃度相差7～9個數量級，對這些代謝物分析需要高靈敏度、高效率、高分辨率、高通量的分析平臺。目前，對于植物代謝物的分離和分析最常用的是氣相色譜質譜聯用技術（gaschromatographymassspectrometry，GC－MS）和液相色譜質譜聯用技術（liquidchromatographymassspectrometry，LC－MS），每種技術都有其優點和缺點［14］。GC－MS是最先應用于植物代謝組研究的技術，可以分析揮發性和衍生化的樣品，具有高靈敏度、高分辨率，并有標準化合物數據庫可用來鑒定和分析。但GC－MS的缺點是不適合分析不易揮發、熱不穩定、分子質量較大和極性強的代謝物，并且分析前需要對樣品進行衍生化處理［15］。LC－MS具有高靈敏度、高分辨率和高效率等優點，可分離不易揮發、熱不穩定、分子質量較大的代謝物，尤其對皂苷、生物堿、酚酸和生物胺等植物代謝物的分離更有優勢［16］。另外，核磁共振技術（nuclearmagneticresonance，NMR）是一種預處理簡單、樣品量少、高通量、無偏差且易于進行實時代謝物鑒定的實驗技術。但缺點是檢測范圍小、靈敏度低，在植物代謝組研究中應用較少［17］。毛細管電泳質譜聯用（capillaryelectro－phoresismassspectrometry，CE－MS）對于強極性、帶電代謝物的分析是一種有效的實驗技術，而且其快速高效，無須樣品預處理［18］。

2．2．4數據分析

代謝物數據收集后，利用主成分分析（princi－palcomponentanalysis，PCA））、分層聚類分析（hierarchicalclusteringanalysis，HCA）、非線性映射（nonlinearmapping）和人工神經元網絡（ar－tificialneuralnetworks，ANN）等數學統計方法，結合生物信息學知識進行分析和總結，得到代謝物信息及其之間的聯系，構建代謝網絡模型，找出生物標志物［19］。分析代謝物信息時，常用植物代謝數據庫有BioCyc、EMP、MctaCyc等。但目前仍然缺乏一個代謝數據系統和標準的數據庫，仍需大量的科研工作者對植物代謝組學進行研究，共同推進代謝組學數據庫建設。

3代謝組學在啤酒大麥研究中的應用

作為應用驅動的新興研究方向，代謝組學已在疾病診斷和治療、藥物毒理和動物模型、食品營養和安全、微生物改造和代謝研究、植物育種和抗性研究及基因功能闡明等領域獲得了廣泛應用［20］。目前，代謝組學在啤酒大麥種植和種子質量、大麥對致病微生物防御、啤酒大麥發芽及麥芽質量等方面研究取得了新的突破和進展。

3．1大麥種植和種子質量的代謝組學研究在植物育種過程中會出現大量的植物表型，為了得到理想的種子資源需要進行多年篩選。因此通過高通量分析技術可以縮短種子的選育時間，降低育種成本。植物代謝物可以作為評價植物質量指標的生物標記，可以加速植物育種的實驗進程。Heuberger等［21］通過分析大麥代謝物譜研究基因和環境因素對大麥代謝表型的影響，闡明了啤酒大麥的制麥性能和大麥代謝譜的關系。作者利用超高液相色譜（ultrahighperform－anceliquidchromatography，UHPLC）－MS對72個分別來源于不同地點的二棱和六棱優良啤酒大麥樣品的代謝譜進行分析，共檢測到27420個代謝物。基因和環境因素對大麥代謝物和制麥質量指標會產生相似的影響。216個初級和次級代謝物，包括胺類、氨基酸、生物堿、多酚類和脂類，與20個制麥質量指標具有相關性。這一結果表明，大麥代謝物和制麥質量指標被基因和環境因素共同調控，因此可以利用大麥代謝物作為生物標記選育具有優良制麥性能的大麥品種。大麥等谷物的生長、發育和結實與高鹽、低溫、干旱和重金屬污染等不良物理環境的影響緊密相關，屬于非生物環境脅迫。大麥種植很多處于這種非生物脅迫的環境，因此利用系統生物學方法對大麥非生物脅迫的耐受機理進行研究，在此基礎上選育優良的大麥品種，從而提高啤酒大麥的制麥和釀造性能。Widodo等［22］利用代謝組學方法研究了兩種不同耐鹽能力的大麥品種Sahara和Clipper對鹽脅迫應答的代謝物差異，結果表明Sahara比Chipper葉片中Na＋含量更高，壞死率較低，耐鹽能力相對較強。這兩種大麥的代謝物不同，在Chipper中，某些氨基酸、多胺和腐胺等化合物增加，這些代謝物累積與鹽脅迫下的低生長率和葉片壞死有關。在Sahara中，部分糖類、代謝循環中間產物和與細胞保護相關代謝物產生積累現象，這些變化可能與Sahara葉片細胞防護和葉片對高Na＋的耐受能力有關，這一結果對于選育優良的耐鹽大麥品種具有一定的指導意義。在大麥的成熟期，水分過高也會影響大麥產量和制麥性能。Wu等［23］利用代謝組學方法研究了兩種西藏野生型和兩種培育型大麥在灌漿期遭受水環境脅迫的代謝物變化。當面臨水環境脅迫時，野生型大麥XZ147的β－淀粉酶活性提高和β－葡聚糖含量顯著減低，同時賴氨酸含量升高，吲哚－3－乙酸含量降低，H2O2體內更穩定。結果表明野生大麥XZ147在大麥育種和提高水環境脅迫研究方面具有廣泛地應用前景。

3．2大麥對致病微生物防御的代謝組學研究當大麥受到病原菌的侵染時，會產生初級免疫應答反應，此反應屬于生物脅迫環境。大麥細胞在識別病原物以后，會產生一系列反應，從而激活抗病反應，抵擋外來入侵，代謝物在這一系列反應中起到重要的作用，這種反應需要初級代謝途徑提供能量、還原力和碳骨架，從而實現能量的合成和調控。Balmer等［24］以小麥和大麥為樣本研究發現了100多種與赤霉病抗性相關的性狀位點，赤霉病抗性存在多重機制。對Qfhs．ndsu－3BS位點的相關研究發現，此位點的功能是參與脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）轉化為低毒的DON－3－O－葡萄糖苷（deoxynivalenol－3－O－glucoside，D3G）的過程。Tomas等［25］研究受病原侵染的樣品中，病原菌侵入大麥以后，通常會使大麥的正常代謝受到干擾以滿足其營養需求，研究發現它能夠刺激寄生大麥種子的萌發以及促使叢枝真菌菌絲的分枝以建立真菌和植物的共生關系。通過分析不同抗性品種大麥的非目標性代謝組學，得到一些與抗病性有關的關鍵代謝物，這些代謝物可以起到輔助育種的作用，大麥的抗性相關代謝物，如茉莉酸、雙氫－7－羥基苦甘藍酮、山萘酚－3－O－葡萄糖苷－7－O－鼠李糖苷、4－甲氧桂皮酸等含量的增加與DON／D3G濃度的增加呈正相關。1961年首次在大麥幼苗中發現苯丙氨酸解氨酶（phenglalanineammonialyase，PAL），催化次生物質代謝。PAL的作用機理是催化由苯丙氨酸轉化為各種酚類物質過程的初步反應，為類黃酮和酚類終產物提供前體，發揮多種生理功能，如抵抗病原體侵害及保持花粉活力等。該酶在不同組織、因素調節下，含量水平及其基因表達方式有不同。

3．3大麥發芽的代謝組學研究發芽是指種子吸脹后開始的一系列有序的生理過程和形態變化過程，是植物發育的重要階段。發芽過程中涉及大量的代謝過程，這些代謝過程會導致種子中的代謝物水平顯著變化。因此，代謝組學可以作為一種有效的方法對谷物種子發芽進行研究。Gorzoika［26］和Feenstra［27］等利用GC－MS對水稻種子和玉米種子發芽過程的代謝譜變化進行研究。在食品釀造領域，利用啤酒大麥發芽制成麥芽的過程稱之為制麥。制麥過程包括浸麥、發芽和焙焦，其中發芽是制麥過程的關鍵步驟，其伴隨著一系列顯著的代謝物含量變化，這對于啤酒釀造至關重要。Frank等［28］利用GC－MS分析了制麥過程中大麥代謝物，鑒定發現173個代謝物，包括固醇類、氨基酸和生物胺等，并進一步確定了這些代謝物隨制麥過程進行的變化規律。為了提高麥芽質量，赤霉素（GA）被廣泛應用于制麥工業。Huang等［29］利用GC－MS分析了在制麥過程中添加GA條件下兩種西藏野生大麥XZ72和XZ95的代謝物變化，結果表明GA處理使大麥水解酶活性顯著提高，從而促使麥芽中糖類和氨基酸含量顯著增加，這有助于識別大麥發芽的影響因子和提高麥芽質量。但是，大量的工作需要進一步完善，包括需要對不同品種、不同種植地和不同氣候來源的大麥代謝組學進行研究，判斷制麥過程是否具有相似的變化。同時還需要發現生物標記代謝物能夠反映大麥種子質量和制麥工藝條件。這些標記代謝物會被用以選擇優良的啤酒大麥和改善制麥工藝，最終制備出優質的麥芽。為了達到這一目的，目前研究人員進行了大量的工作。Gorzolka等［26］利用基質輔助激光解吸附（matrixassistedlaserdesorptionion－ization，MALDI）－MS成像技術在制麥過程中檢測到48種大麥代謝物，包括脂質類、寡糖和抗真菌劑等，并對這些代謝物在大麥種子上進行特異性定位。比常規液體提取代謝物、GC或LC分析，MS鑒定更加直觀和準確。該研究的意義在于脂質譜的變化和定位會顯著影響啤酒釀造和啤酒感官質量；通過MS成像定位技術可以形象地觀察胚乳溶解，確定啤酒大麥的最佳制麥性能；抗真菌代謝物的詳細定位將有助于闡明這些代謝物的生理功能，達到提高谷物天然抗病能力的目標，最終提高谷物產量和品質。

3．4麥芽質量的代謝組學研究麥芽是啤酒釀造的主要原料，麥芽的質量直接影響啤酒的質量。為了使麥芽能在啤酒釀造中得到合理的使用，必須了解掌握其特性。目前，研究人員對麥芽中的代謝物及其對麥芽質量的影響進行了廣泛的研究。啤酒脂質含量會影響啤酒泡沫的穩定性，并導致啤酒老化。啤酒中脂質含量和種類取決于啤酒原料麥芽和釀造工藝。Bravi等［30］分析了不同品種大麥和制麥工藝對麥芽中脂質含量的影響。結果表明不同品種大麥制成的麥芽呈現出不同脂肪酸含量和不同脂肪酸組成，證實了麥芽脂質含量對麥芽釀造性能產生負面影響。啤酒中酚類物質具有抗氧化性，能夠提高啤酒風味穩定性，防止啤酒老化。啤酒酚類物質主要來源于原料麥芽。Leitao等［31］利用HPLC法對麥芽中15中酚類化合物進行分析，并進一步確定這些化合物與麥芽抗氧化能力的相關性。結果表明原花青素B3和原飛燕草素B3在麥芽中含量最高，同時對提高麥芽抗氧化能力貢獻最大。目前，研究人員利用代謝組學對麥芽風味形成進行了廣泛的研究。Yahya等［32］對大麥焙焦過程中麥芽代謝物的形成進行了研究。在焙焦過程中通過美拉德反應、焦化反應和熱解作用形成了15種主要的風味化合物，這些化合物將決定麥芽色度、風味和質量，在此基礎上可以通過調控焙焦工藝制備各種釀造需要的麥芽。Dong等［13］利用固相微萃取GC－MS對被鐮刀霉侵染的麥芽的風味物質進行檢測，霉菌侵染將對麥芽風味產生顯著的負面作用，表現為麥芽中乙醛、酮類、醇類、有機酸、酯類和呋喃等揮發性物質含量顯著增加。

4展望

目前，啤酒大麥代謝組學研究尚處于發展階段。由于啤酒大麥中代謝物的復雜多樣，啤酒大麥代謝組學研究的每個步驟都存在問題需要解決：（1）有關啤酒大麥中代謝物提取的研究仍處于探索階段，許多文獻中的研究方法和結果是矛盾的，這是因為缺乏評價提取方法的標準流程，是亟待解決的關鍵問題。（2）在分析方法方面，啤酒大麥樣品的組成非常復雜和多樣，這使得代謝組學不可能只采用一種方法對其進行分析。采用多種技術相結合，從多角度、多層次進行全組分研究，解析所有譜峰，是啤酒大麥代謝組學分析技術的發展方向。（3）隨著代謝組學的發展，必須建立系統化、標準化的代謝組學數據庫，包括代謝物圖譜、代謝標志物等信息，并且豐富代謝組與基因組、蛋白質組、轉錄組的數據庫相互聯系，形成系統生物學關聯性，為育種和制麥調控提高理論基礎。（4）篩選特異性的代謝標記物已成為代謝組學的研究熱點。代謝標志物的確定只是代謝組學研究的初級目標，如何深入揭示代謝標志物的作用機制和應用領域，闡明代謝標志物與大麥品質、制麥工藝、麥芽質量和啤酒釀造等品質性能的相關性，是代謝組學研究重點和難點。啤酒在生活中不可或缺，隨著對啤酒大麥代謝組學研究的深入，各種分析檢測手段更新和生物信息學豐富，代謝組學必將為研究提供全面、多維的角度，為人們從整體、全面的視角理解啤酒大麥代謝提供無限可能。盡管目前對啤酒大麥代謝研究不夠深入，但隨著代謝分析技術的發展，各種數據不斷完善，對啤酒大麥代謝組學的探索之路將更加寬廣。

作者：俞志敏，張鎂慧，趙雪，張倩瑜；欒靜 單位：大連工業大學生物工程學院