组学技术在食品科学方向的应用

食品组学作为一门科学，是利用基因组学、蛋白质组学和代谢组学的数据来确定食品的分子特征，以全面研究食品的。

近两年来，一门新科学，也就是食品组学已逐渐被人们熟知。这门科学可以从更宽泛的角度来定义特定的食品。仅仅知道宏量营养素的组成或只了解其中某些成分的详细信息，已不能满足当下的需求。从健康特性角度出发研究新型食品的生产，或者从类似角度对现有食品进行归类，都需要用到基于食品组学的新的详细定义，特别是针对那些原产地和名称受到保护或者属于法律规范范畴的食品。

事实上，近年来国际食物组学会议已成功举办了两次。

作为一门科学，食品组学通过基因组学、蛋白质组学和代谢组学的数据来测定食品的分子结构，以便对其进行全面研究。气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）等多个平台均可用于研究代谢物的特性。但得益于现代模拟数字转换器（ADC）的发明，使用NMR具有以下多项优势：重现性高、样品制备简单，且由于其动态范围广，NMR能提供被测生物样品中有关分子组成的详细且可靠的信息。即便其灵敏度略低于其它技术，NMR仍可以完全复原生物生命系统的代谢状态。

目前，在欧洲从事食品分析的实验室数量并不多。意大利的首个食品分析实验室名为Cesena Food Campus，该实验室同时也开发一些数据分析工具。实际上，Cesena 实验室是在安装新NMR系统时由布鲁克 Italia所建立的。该实验室配备了600 MHz UltraShield Plus磁体（缩小了杂散场，因而占用较少空间）、宽带反向探头BBI（配备自动调谐和匹配设备——ATM，可提供宽广的调谐范围）、BACS样品转换器（以实现最佳自动化）、高分辨率魔角旋转（HR MAS）探头（用于分析完整生物组织样本），以及BCU（复制代谢组学研究实验条件所需的温度控制工具）。

Cesena实验室研究小组从事食品科学研究已有数年。即便先前使用的系统不如目前新安装的这一套性能高，但他们在此之前也发表了数篇侧重于食品质量对比的科研论文，且在实验前他们对样品中的分子组成并无了解。

食物是一种高度复杂的混合物。如此复杂性给分析物的预选带来了难度，导致我们很难确定做出的选择是否正确，或采用的提取方法是否为最佳。事实上，选择一种特定的成分或方法时，可能会更强调食物的某些特性，而不是从食物与人类相互作用的角度和健康层面来关注其它更重要的特性。这样看的话，食物可以被认为有预防疾病的功能。这就是为什么会有个性化饮食的出现，但这些饮食并不是针对于每个个体，而是面向了不同类型的群体。这说明了我们需要对群体和食品两者都进行定义。

一方面，我们需要定义一个个体究竟属于哪一类群体，这意味着要对所谓的代谢型有所了解，因为通过代谢型可以对该个体的基因型、所处环境及生活方式做出各种假设。

雀巢公司的S. Rezzi和CERM公司的C. Luchinat对代谢型的概念进行了研究和定义。它是一种由NMR确定的代谢表型。

既然我们能准确地划分人类群体，为何不能精确地定义食品呢？另一方面，我们因此需要一个非常详细的数据库来帮助我们描述食品的特性。

这个数据库可以是一个选定的、已经存在于自然界的或其健康特性已为人熟知的分子列表，这就意味着我们必须了解食品所含的一切分子组成。

有些技术虽然无法识别这些组成，但可以持续性地对其进行跟踪。例如，可以采用高效液相色谱法（HPLC）。但该方法问题在于，即便实验室，实验时间和样品制备流程都一致，HPLC方法也无法保证针对同样的分子，每次实验都能得到同样的色谱峰。

而当使用NMR时，如果pH值、温度条件以及顺磁性金属的存在保持不变，那么NMR将产生恒定的信号，因此我们可以确定各个分子的化学位移模式会保持不变。NMR的这一特点已经得到了充分的验证。

这就是我们可以将波谱核磁共振谱图看作食品分子指纹图谱的原因。

显然，为了获得最完整的信息，疏水性或亲水性有机物的提取我们都有研究。此外，我们也进行了一些溶液内研究。我们还使用了HRMAS探头，尽管HRMAS在某些情况下重现性不太理想，并且数据量化没有那么特别准确。

另一种方法是研究超分子基质结构。为此我们可选择时域NMR仪器，即NMR低分辨率布鲁克 minispec，它能给我们提供作为食品分析关键成分的水和基质的相关信息。通过这个选项，我们可以确定食品宏观层面的构成。

我们在Cesena实验室所进行的研究正在往食品健康特性方向上靠拢。例如，我们完成了一项有关消化的科研工作，并且我们正在利用NMR对食品的消化率进行评估（新闻报道：化学中的磁共振1）。

NMR也可用于转基因（OGM）食品的评估（参见JAFC2的文章）。还有一些有参考性的，关于鱼类质量的NMR研究（参见FoodChem3和Nutrients4上的文章）。

*博洛尼亚大学食品科学系普通化学、无机化学与生物无机化学副教授、Cesena Food Campus实验室负责人

参考文献：

1、onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/%28ISSN%291097-458Xa

2、pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jf2020717

3、dx.doi.org/10.1016/j.foodchem.2009.10.071

4、www.mdpi.com/2072-6643/3/2/212

UPDATE: Prof. Capozzi at the Cesena Food Campus has provided sebastianstarke.com/bruker with an very informative supporting video – available now.