学术研究报告：谷子贮藏过程中脂质降解与挥发性成分变化的蛋白质组学研究

一、作者与发表信息
本文由Tong Wu、Hang Zhou、Zhihao Ma、Shiming Wang、Chao Wang、Qun Shen及通讯作者Qingyu Zhao*（星号标注）合作完成。作者单位为中国农业大学食品科学与营养工程学院及食品工业技术创新国家中心。研究发表于《Food Chemistry》期刊第494卷（2025年），文章编号146208，在线发表于2025年9月2日。

二、学术背景
谷子（Foxtail millet，学名Setaria italica）是中国最古老的谷物之一，具有耐高温、耐旱的特性，在发展中国家农业中占据重要地位。其营养成分丰富，含碳水化合物（59%-70%）、蛋白质（8%-14%）及必需油脂和维生素。然而，谷子脱壳后易因脂质氧化和水解导致酸败（rancidity）和苦味，严重影响品质。尽管已有研究探索加工方法对谷子贮藏稳定性的影响（如冷等离子体处理、光照抑制脂质氧化），但贮藏过程中品质劣变的分子机制尚不明确。

本研究旨在通过蛋白质组学（proteomics）技术，结合脂质氧化、挥发性成分分析，揭示谷子贮藏期品质下降的分子机制，重点关注脂质降解（lipid degradation）与挥发性化合物（volatile compounds）变化的关联性。

三、研究流程与方法
1. 样品与贮藏条件
- 研究对象：三个谷子品种（18B417、Jigu39/JG39、Jigu48/JG48），产自中国河北省，2021年10月采收，脱壳后保存于-20℃。
- 加速贮藏实验：40℃、90%相对湿度（RH）下密封聚乙烯袋中贮藏30天，每6天取样一次。

1. 脂质相关指标测定

   • 脂肪酸值（Fatty acid value, FFA）：采用苯提取法（GB/T 5510–2011），通过氢氧化钠滴定测定游离脂肪酸含量。
     
   • 脂肪酶（Lipase）活性：依据GB/T 5523-2008，测定水解甘油三酯释放的脂肪酸量。
     
   • 脂氧合酶（Lipoxygenase, LOX）活性：以亚油酸为底物，测234 nm吸光度变化。
     
   • 过氧化氢酶（Catalase）活性：基于GB/T 5522-2008，量化过氧化氢分解能力。
     

2. 形态与挥发性成分分析

   • 扫描电镜（SEM）：观察谷子表面微观结构变化（Hitachi SU8020，20 kV加速电压）。
     
   • 气相色谱-质谱（GC-MS）：采用SPME纤维吸附挥发性成分，DB-Wax色谱柱分离，NIST 14数据库鉴定，半定量分析醛类、酮类、酸类等33种化合物。
     

3. 蛋白质组学分析

   • 样品处理：使用含SDS和尿素的裂解缓冲液提取蛋白质，经还原烷基化、丙酮沉淀后，胰蛋白酶酶解。
     
   • 数据非依赖采集（DIA）：通过Q Exactive™ HF-X质谱仪分析，参数设置为：一级MS分辨率120,000，二级MS分辨率30,000，碰撞能量25.5/27/30。
     
   • 数据分析：Spectronaut软件定量，筛选标准：表达量差异≥2倍或≤0.5倍（p < 0.05）；通过Blast2GO和KOBAS进行功能注释与通路分析。
     

四、主要结果
1. 贮藏期间脂质降解加剧
- 脂肪酸值（FFA）显著上升，JG39品种增幅最大（116.45→327.35 mg/100 g），与其高脂肪含量相关（p < 0.05）。
- 脂肪酶活性：前12天下降（高温抑制酶活），后期因湿度影响活性回升。
- LOX活性：18B417和JG48持续下降，而JG39初期上升（高FFA提供更多底物）。

1. 氧化应激与挥发性成分变化

   • 过氧化氢酶活性下降（8.4%-22.97%），表明抗氧化能力减弱。
     
   • SEM显示：谷子表面结构变粗糙，推测为短链有机酸（short-chain organic acids）水解淀粉和表面蛋白所致。
     
   • GC-MS分析：贮藏后醇类比例下降，醛类（如己醛hexanal）、酮类（6-甲基-5-庚烯-2-酮）、酸类（己酸hexanoic acid）和酯类比例上升，与脂质氧化产物一致。
     

2. 蛋白质组学机制

   • 差异表达蛋白：18B417中304个上调、292个下调；JG48中396个上调、88个下调。
     
   • 关键代谢通路：
     
     • 脂肪酸降解：乙酰-CoA乙酰转移酶（acetyl-CoA acetyltransferase）、酰基-CoA氧化酶（acyl-coenzyme A oxidase）上调，促进短链酸积累。
       
     • 氧化应激：超氧化物歧化酶（SOD）、热休克蛋白（HSP90/HSP20）和谷胱甘肽转移酶（GST）表达变化，加速不饱和脂肪酸氧化为挥发性化合物。
       
     • 糖代谢：丙酮酸脱羧酶（pyruvate decarboxylase）、α-淀粉酶（alpha-amylase）上调，促进淀粉水解和表面结构松散。
       

五、结论与意义
本研究揭示了谷子贮藏品质劣变的分子机制：
1. 脂质氧化级联反应：脂肪酶和LOX协同作用导致FFA积累，进一步氧化生成醛、酮等异味物质。
2. 蛋白质组调控：脂肪酸降解和氧化应激通路关键蛋白的上调，直接关联表面结构破坏与风味变化。
3. 应用价值：为开发调控抗氧化酶或脂代谢基因的贮藏技术提供靶点，如通过基因编辑或生物技术干预延缓品质劣变。

六、研究亮点
1. 多组学整合：首次结合脂质化学、挥发性成分与蛋白质组学，系统解析谷子贮藏机制。
2. 技术创新：采用DIA蛋白质组学技术，克服传统方法的定量限制，提高数据覆盖度。
3. 品种差异：发现JG39对贮藏更敏感，为品种优选提供依据。

七、其他价值
研究数据可通过申请获取，补充材料含详细挥发物列表（表S2）及差异蛋白表（表S3-S4），可供后续代谢组学或感官分析延伸研究。