啤酒大麦和麦芽代谢组学研究进展范文

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摘要：代谢组学是系统生物学研究的重要分支，近年来在植物生理研究领域受到广泛关注，并取得了重要进展。啤酒大麦作为啤酒酿造的主要原料，其品质直接影响啤酒的酿造和质量。目前，啤酒大麦代谢组学正日益成为研究热点。本文对大麦种植和种子质量、大麦发芽、大麦对微生物防御作用和麦芽质量的代谢组学研究作了概述，并对啤酒大麦代谢组学研究中存在的问题和未来发展趋势进行了讨论。

关键词：啤酒大麦；麦芽；代谢组学；研究进展

0引言

啤酒大麦麦芽是啤酒酿造的主要原料，由大麦经过浸麦、发芽和焙焦制成。大麦通过制麦过程合成或激活水解酶。水解酶将大麦中的淀粉、蛋白和多糖等大分子物质，水解成酵母可以利用的小分子物质，同时提供啤酒特有的色香味。因此，大麦品质、大麦发芽、大分子物质水解和麦芽质量对啤酒质量都扮演着重要角色［1］。代谢组学是近二十年发展起来的一门对动物、植物和微生物细胞中所有分子质量低于1ku的代谢物进行定性和定量分析的新技术，是继基因组学、转录组学和蛋白质组学之后系统生物学的另一重要的研究方向，是目前组学研究领域的热点之一［2］。鉴于啤酒大麦是啤酒酿造的主要原料，其质量直接影响到啤酒酿造和啤酒品质，研究者尝试将代谢组学技术应用于啤酒大麦研究中，并在分析啤酒大麦的代谢标志物、代谢路径和代谢产物变化，以及评价啤酒大麦对麦芽品质、啤酒酿造和啤酒质量等方面取得了一定的新成果［3］。本文对啤酒大麦代谢组学的研究进展进行综述，以期为推动代谢组学技术在啤酒大麦研究领域的应用提供理论基础。

1啤酒大麦简述

1．1啤酒大麦

大麦（HordeumvulgareL．）属禾本植物，在我国，是继水稻、小麦、玉米之后的第四大谷类作物，有酿造、饲用、食用等多种用途［4］。适用于酿酒的大麦有很多，不同品种大麦的外部形态和酿造性能都不相同，通过选育后进行小型制麦与酿酒实验，利用形态选种、杂交育种、诱变育种、基因转化技术等方法选出适合酿酒的啤酒大麦。

1．2啤酒大麦分类

大麦主要分为皮大麦和裸大麦两种，皮大麦又称带壳大麦、有稃大麦，目前用于啤酒酿造和动物饲料，裸大麦又称“米麦”，如青稞就是裸大麦。皮大麦从形态上看相差无几，只是啤酒大麦的酿造特性对大麦籽粒性状和内在质量有特殊需求。研究显示，二棱大麦（Hordeumvulgaressp．dis－tichonHsü．）是大麦种的一个亚种，制得麦芽质量好，是酿造啤酒的优良品种［5］。近年来，国内外研究者以基因杂交等手段选育适宜酿造其他遗传性状不改变的新品种。

1．3大麦基因组

建立2000年美国加州大学开始进行大麦基因组测序工作。2017年4月27日，国际大麦基因组测序联盟（InternationalBarleySequencingCon－sortium，IBSC）在《Nature》公布了大麦基因组精细图谱的研究成果。大麦基因组全长5．1Gb，含有3．9万多个蛋白编码基因，且多数为多拷贝，形成了复杂的基因家族，并富含转座因子，因此全基因组测序工作难度巨大。国际大麦测序联盟耗费了近10年时间，综合运用了包括染色体构象作图和生物纳米作图等多种最先进的测序和组装技术，利用约2．5Tb大麦基因组测序数据，组装完成了一个包含4．79Gb的大麦高质量参考基因组序列，每条染色体均被排成一个线性分子，其中94．8％的组装序列明确定位在大麦各条染色体上。高质量的大麦基因组参考序列是大麦遗传育种、并为其他组学研究取得突破性成果的重要支撑［6］。

2代谢组学概念及研究方法

2．1代谢组学概念1998年，“代谢组（metabolome）”一词首先由Oliver等［7］定义为“一个生物体合成的所有代谢物”。2001年，Fiehn［8］提出“代谢组学”（metabomics或metabonomics），用于研究生物体和细胞中小分子代谢物成分及其动态变化。Metabonomics和metabolomics分别是对代谢物动态信息研究和单个体系静态研究的生物学方法。

2．2代谢组学研究方法代谢组学是一个快速发展的技术平台，其研究对象包括各种动物、植物和微生物中的小分子代谢产物。由于样品性质和研究内容不同，对其进行样品处理、检测和分析的方法也有不同。本文以检测大麦代谢物为例，涉及的流程包括样品收集、代谢物提取、代谢物检测和分析鉴定、数据处理和解释。

2．2．1样品收集植物样品在培养过程中，受种子资源、谷物质量和培养环境等多种因素的影响，为了避免代谢组学分析时产生误差，需要严格控制培养条件，减少试验样本之间的差异，同时尽量选取表型一致的平行样品，增加取样数量，降低试验误差。试验样品取样后，要迅速对样品进行淬灭处理。淬灭是迅速降低或终止细胞内代谢酶活性，停止代谢反应，保证样品能够反映实时的代谢信息。液氮冷冻和高氯酸猝灭技术是植物和动物代谢组学研究中主要使用的灭活方法［9］。

2．2．2代谢物提取代谢物提取效果直接影响检测结果的准确性。谷物代谢物的提取方法有物理法和化学法。物理法包括微波法、超声波法、机械研磨法、煮沸法和液氮冻融法等。化学法包括乙醇提取、高氯酸提取、甲醇提取和氯仿提取等［10］。本实验室研究发现，采用物理化学结合的提取方法对大麦中代谢物提取效果较好，如70％热乙醇提取法、液氮甲醇提取法和超声甲醇提取法等，这些方法可以更有效地大范围提取大麦中代谢产物。Zhao等［11］研究发现利用80％丙酮可以有效地对大麦中酚类化合物进行提取。Frank等［12］利用二氯甲烷提取水稻中的脂肪，然后利用甲醇、盐酸和正己烷分别提取得到糖、糖醇、氨基酸和有机酸等极性成分。另外，Dong等［13］利用固相微萃取技术对大麦中挥发性风味物质进行提取。

2．2．3代谢物分离鉴定代谢产物的分离、鉴定和分析是代谢组学技术的核心部分。植物代谢物的多样性超过动物和微生物，而且浓度相差7～9个数量级，对这些代谢物分析需要高灵敏度、高效率、高分辨率、高通量的分析平台。目前，对于植物代谢物的分离和分析最常用的是气相色谱质谱联用技术（gaschromatographymassspectrometry，GC－MS）和液相色谱质谱联用技术（liquidchromatographymassspectrometry，LC－MS），每种技术都有其优点和缺点［14］。GC－MS是最先应用于植物代谢组研究的技术，可以分析挥发性和衍生化的样品，具有高灵敏度、高分辨率，并有标准化合物数据库可用来鉴定和分析。但GC－MS的缺点是不适合分析不易挥发、热不稳定、分子质量较大和极性强的代谢物，并且分析前需要对样品进行衍生化处理［15］。LC－MS具有高灵敏度、高分辨率和高效率等优点，可分离不易挥发、热不稳定、分子质量较大的代谢物，尤其对皂苷、生物碱、酚酸和生物胺等植物代谢物的分离更有优势［16］。另外，核磁共振技术（nuclearmagneticresonance，NMR）是一种预处理简单、样品量少、高通量、无偏差且易于进行实时代谢物鉴定的实验技术。但缺点是检测范围小、灵敏度低，在植物代谢组研究中应用较少［17］。毛细管电泳质谱联用（capillaryelectro－phoresismassspectrometry，CE－MS）对于强极性、带电代谢物的分析是一种有效的实验技术，而且其快速高效，无须样品预处理［18］。

2．2．4数据分析

代谢物数据收集后，利用主成分分析（princi－palcomponentanalysis，PCA））、分层聚类分析（hierarchicalclusteringanalysis，HCA）、非线性映射（nonlinearmapping）和人工神经元网络（ar－tificialneuralnetworks，ANN）等数学统计方法，结合生物信息学知识进行分析和总结，得到代谢物信息及其之间的联系，构建代谢网络模型，找出生物标志物［19］。分析代谢物信息时，常用植物代谢数据库有BioCyc、EMP、MctaCyc等。但目前仍然缺乏一个代谢数据系统和标准的数据库，仍需大量的科研工作者对植物代谢组学进行研究，共同推进代谢组学数据库建设。

3代谢组学在啤酒大麦研究中的应用

作为应用驱动的新兴研究方向，代谢组学已在疾病诊断和治疗、药物毒理和动物模型、食品营养和安全、微生物改造和代谢研究、植物育种和抗性研究及基因功能阐明等领域获得了广泛应用［20］。目前，代谢组学在啤酒大麦种植和种子质量、大麦对致病微生物防御、啤酒大麦发芽及麦芽质量等方面研究取得了新的突破和进展。

3．1大麦种植和种子质量的代谢组学研究在植物育种过程中会出现大量的植物表型，为了得到理想的种子资源需要进行多年筛选。因此通过高通量分析技术可以缩短种子的选育时间，降低育种成本。植物代谢物可以作为评价植物质量指标的生物标记，可以加速植物育种的实验进程。Heuberger等［21］通过分析大麦代谢物谱研究基因和环境因素对大麦代谢表型的影响，阐明了啤酒大麦的制麦性能和大麦代谢谱的关系。作者利用超高液相色谱（ultrahighperform－anceliquidchromatography，UHPLC）－MS对72个分别来源于不同地点的二棱和六棱优良啤酒大麦样品的代谢谱进行分析，共检测到27420个代谢物。基因和环境因素对大麦代谢物和制麦质量指标会产生相似的影响。216个初级和次级代谢物，包括胺类、氨基酸、生物碱、多酚类和脂类，与20个制麦质量指标具有相关性。这一结果表明，大麦代谢物和制麦质量指标被基因和环境因素共同调控，因此可以利用大麦代谢物作为生物标记选育具有优良制麦性能的大麦品种。大麦等谷物的生长、发育和结实与高盐、低温、干旱和重金属污染等不良物理环境的影响紧密相关，属于非生物环境胁迫。大麦种植很多处于这种非生物胁迫的环境，因此利用系统生物学方法对大麦非生物胁迫的耐受机理进行研究，在此基础上选育优良的大麦品种，从而提高啤酒大麦的制麦和酿造性能。Widodo等［22］利用代谢组学方法研究了两种不同耐盐能力的大麦品种Sahara和Clipper对盐胁迫应答的代谢物差异，结果表明Sahara比Chipper叶片中Na＋含量更高，坏死率较低，耐盐能力相对较强。这两种大麦的代谢物不同，在Chipper中，某些氨基酸、多胺和腐胺等化合物增加，这些代谢物累积与盐胁迫下的低生长率和叶片坏死有关。在Sahara中，部分糖类、代谢循环中间产物和与细胞保护相关代谢物产生积累现象，这些变化可能与Sahara叶片细胞防护和叶片对高Na＋的耐受能力有关，这一结果对于选育优良的耐盐大麦品种具有一定的指导意义。在大麦的成熟期，水分过高也会影响大麦产量和制麦性能。Wu等［23］利用代谢组学方法研究了两种西藏野生型和两种培育型大麦在灌浆期遭受水环境胁迫的代谢物变化。当面临水环境胁迫时，野生型大麦XZ147的β－淀粉酶活性提高和β－葡聚糖含量显著减低，同时赖氨酸含量升高，吲哚－3－乙酸含量降低，H2O2体内更稳定。结果表明野生大麦XZ147在大麦育种和提高水环境胁迫研究方面具有广泛地应用前景。

3．2大麦对致病微生物防御的代谢组学研究当大麦受到病原菌的侵染时，会产生初级免疫应答反应，此反应属于生物胁迫环境。大麦细胞在识别病原物以后，会产生一系列反应，从而激活抗病反应，抵挡外来入侵，代谢物在这一系列反应中起到重要的作用，这种反应需要初级代谢途径提供能量、还原力和碳骨架，从而实现能量的合成和调控。Balmer等［24］以小麦和大麦为样本研究发现了100多种与赤霉病抗性相关的性状位点，赤霉病抗性存在多重机制。对Qfhs．ndsu－3BS位点的相关研究发现，此位点的功能是参与脱氧雪腐镰刀菌烯醇（deoxynivalenol，DON）转化为低毒的DON－3－O－葡萄糖苷（deoxynivalenol－3－O－glucoside，D3G）的过程。Tomas等［25］研究受病原侵染的样品中，病原菌侵入大麦以后，通常会使大麦的正常代谢受到干扰以满足其营养需求，研究发现它能够刺激寄生大麦种子的萌发以及促使丛枝真菌菌丝的分枝以建立真菌和植物的共生关系。通过分析不同抗性品种大麦的非目标性代谢组学，得到一些与抗病性有关的关键代谢物，这些代谢物可以起到辅助育种的作用，大麦的抗性相关代谢物，如茉莉酸、双氢－7－羟基苦甘蓝酮、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与DON／D3G浓度的增加呈正相关。1961年首次在大麦幼苗中发现苯丙氨酸解氨酶（phenglalanineammonialyase，PAL），催化次生物质代谢。PAL的作用机理是催化由苯丙氨酸转化为各种酚类物质过程的初步反应，为类黄酮和酚类终产物提供前体，发挥多种生理功能，如抵抗病原体侵害及保持花粉活力等。该酶在不同组织、因素调节下，含量水平及其基因表达方式有不同。

3．3大麦发芽的代谢组学研究发芽是指种子吸胀后开始的一系列有序的生理过程和形态变化过程，是植物发育的重要阶段。发芽过程中涉及大量的代谢过程，这些代谢过程会导致种子中的代谢物水平显著变化。因此，代谢组学可以作为一种有效的方法对谷物种子发芽进行研究。Gorzoika［26］和Feenstra［27］等利用GC－MS对水稻种子和玉米种子发芽过程的代谢谱变化进行研究。在食品酿造领域，利用啤酒大麦发芽制成麦芽的过程称之为制麦。制麦过程包括浸麦、发芽和焙焦，其中发芽是制麦过程的关键步骤，其伴随着一系列显著的代谢物含量变化，这对于啤酒酿造至关重要。Frank等［28］利用GC－MS分析了制麦过程中大麦代谢物，鉴定发现173个代谢物，包括固醇类、氨基酸和生物胺等，并进一步确定了这些代谢物随制麦过程进行的变化规律。为了提高麦芽质量，赤霉素（GA）被广泛应用于制麦工业。Huang等［29］利用GC－MS分析了在制麦过程中添加GA条件下两种西藏野生大麦XZ72和XZ95的代谢物变化，结果表明GA处理使大麦水解酶活性显著提高，从而促使麦芽中糖类和氨基酸含量显著增加，这有助于识别大麦发芽的影响因子和提高麦芽质量。但是，大量的工作需要进一步完善，包括需要对不同品种、不同种植地和不同气候来源的大麦代谢组学进行研究，判断制麦过程是否具有相似的变化。同时还需要发现生物标记代谢物能够反映大麦种子质量和制麦工艺条件。这些标记代谢物会被用以选择优良的啤酒大麦和改善制麦工艺，最终制备出优质的麦芽。为了达到这一目的，目前研究人员进行了大量的工作。Gorzolka等［26］利用基质辅助激光解吸附（matrixassistedlaserdesorptionion－ization，MALDI）－MS成像技术在制麦过程中检测到48种大麦代谢物，包括脂质类、寡糖和抗真菌剂等，并对这些代谢物在大麦种子上进行特异性定位。比常规液体提取代谢物、GC或LC分析，MS鉴定更加直观和准确。该研究的意义在于脂质谱的变化和定位会显著影响啤酒酿造和啤酒感官质量；通过MS成像定位技术可以形象地观察胚乳溶解，确定啤酒大麦的最佳制麦性能；抗真菌代谢物的详细定位将有助于阐明这些代谢物的生理功能，达到提高谷物天然抗病能力的目标，最终提高谷物产量和品质。

3．4麦芽质量的代谢组学研究麦芽是啤酒酿造的主要原料，麦芽的质量直接影响啤酒的质量。为了使麦芽能在啤酒酿造中得到合理的使用，必须了解掌握其特性。目前，研究人员对麦芽中的代谢物及其对麦芽质量的影响进行了广泛的研究。啤酒脂质含量会影响啤酒泡沫的稳定性，并导致啤酒老化。啤酒中脂质含量和种类取决于啤酒原料麦芽和酿造工艺。Bravi等［30］分析了不同品种大麦和制麦工艺对麦芽中脂质含量的影响。结果表明不同品种大麦制成的麦芽呈现出不同脂肪酸含量和不同脂肪酸组成，证实了麦芽脂质含量对麦芽酿造性能产生负面影响。啤酒中酚类物质具有抗氧化性，能够提高啤酒风味稳定性，防止啤酒老化。啤酒酚类物质主要来源于原料麦芽。Leitao等［31］利用HPLC法对麦芽中15中酚类化合物进行分析，并进一步确定这些化合物与麦芽抗氧化能力的相关性。结果表明原花青素B3和原飞燕草素B3在麦芽中含量最高，同时对提高麦芽抗氧化能力贡献最大。目前，研究人员利用代谢组学对麦芽风味形成进行了广泛的研究。Yahya等［32］对大麦焙焦过程中麦芽代谢物的形成进行了研究。在焙焦过程中通过美拉德反应、焦化反应和热解作用形成了15种主要的风味化合物，这些化合物将决定麦芽色度、风味和质量，在此基础上可以通过调控焙焦工艺制备各种酿造需要的麦芽。Dong等［13］利用固相微萃取GC－MS对被镰刀霉侵染的麦芽的风味物质进行检测，霉菌侵染将对麦芽风味产生显著的负面作用，表现为麦芽中乙醛、酮类、醇类、有机酸、酯类和呋喃等挥发性物质含量显著增加。

4展望

目前，啤酒大麦代谢组学研究尚处于发展阶段。由于啤酒大麦中代谢物的复杂多样，啤酒大麦代谢组学研究的每个步骤都存在问题需要解决：（1）有关啤酒大麦中代谢物提取的研究仍处于探索阶段，许多文献中的研究方法和结果是矛盾的，这是因为缺乏评价提取方法的标准流程，是亟待解决的关键问题。（2）在分析方法方面，啤酒大麦样品的组成非常复杂和多样，这使得代谢组学不可能只采用一种方法对其进行分析。采用多种技术相结合，从多角度、多层次进行全组分研究，解析所有谱峰，是啤酒大麦代谢组学分析技术的发展方向。（3）随着代谢组学的发展，必须建立系统化、标准化的代谢组学数据库，包括代谢物图谱、代谢标志物等信息，并且丰富代谢组与基因组、蛋白质组、转录组的数据库相互联系，形成系统生物学关联性，为育种和制麦调控提高理论基础。（4）筛选特异性的代谢标记物已成为代谢组学的研究热点。代谢标志物的确定只是代谢组学研究的初级目标，如何深入揭示代谢标志物的作用机制和应用领域，阐明代谢标志物与大麦品质、制麦工艺、麦芽质量和啤酒酿造等品质性能的相关性，是代谢组学研究重点和难点。啤酒在生活中不可或缺，随着对啤酒大麦代谢组学研究的深入，各种分析检测手段更新和生物信息学丰富，代谢组学必将为研究提供全面、多维的角度，为人们从整体、全面的视角理解啤酒大麦代谢提供无限可能。尽管目前对啤酒大麦代谢研究不够深入，但随着代谢分析技术的发展，各种数据不断完善，对啤酒大麦代谢组学的探索之路将更加宽广。

作者：俞志敏，张镁慧，赵雪，张倩瑜；栾静 单位：大连工业大学生物工程学院