裴 峰，母昌考，王春琳，李榮華，葉央芳,*

作為我國重要的海洋經(jīng)濟(jì)動物，三疣梭子蟹（Portunus trituberculatus）在2015年的海水養(yǎng)殖產(chǎn)量已達(dá)到12萬 t左右[1-2]。梭子蟹被捕獲后常被直接放入冰水中，然后曝氣培養(yǎng)在人工海水中用于銷售。大部分梭子蟹被消費者購買后很快被食用，然而仍有部分梭子蟹被置于冷藏條件下短暫保存。這些被冰水刺激過的梭子蟹極易死亡，它們首先在冷藏條件下進(jìn)入低溫麻醉，繼而快速死亡。死亡后的梭子蟹在酶和微生物的作用下，其風(fēng)味和品質(zhì)開始下降，進(jìn)而腐敗變質(zhì)。現(xiàn)有研究表明，梭子蟹在冷藏條件下肌肉三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的含量持續(xù)下降，二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）、單磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）、肌苷酸（inosine monphosphate，IMP）和次黃嘌呤核苷的含量呈先上升后下降的趨勢，而次黃嘌呤和黃嘌呤的含量呈持續(xù)上升[3]。這些物質(zhì)的變化改變了梭子蟹的鮮度和品質(zhì)。然而，梭子蟹肌肉是一個復(fù)雜的混合物，除了這些核苷酸和核苷類物質(zhì)外，還有多種有機(jī)物如氨基酸、有機(jī)酸和糖類等決定著梭子蟹肌肉的質(zhì)量。如谷氨酸、甘氨酸和甜菜堿等是梭子蟹肌肉鮮味和甜味的主要貢獻(xiàn)者[4]。此外，梭子蟹的肝胰腺也是人們喜食的重要組織，因此，全面分析梭子蟹肌肉和肝胰腺中的營養(yǎng)物質(zhì)在冷藏過程中的動態(tài)變化，可對梭子蟹在冷藏過程中的質(zhì)量變化作出準(zhǔn)確評價。

基于核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）的代謝組學(xué)方法是借助NMR波譜技術(shù)對所有低分子質(zhì)量代謝物進(jìn)行定性和定量分析的一種技術(shù)[5]。相比于傳統(tǒng)的食品分析方法，它可以同時檢測成百上千種有機(jī)化合物單體[6]，從有機(jī)分子水平更精確地解析食品的組分，從而達(dá)到系統(tǒng)和客觀地評價食品質(zhì)量的目的。在食品科學(xué)領(lǐng)域，該手段被廣泛應(yīng)用于食品組分分析[7-8]、食品質(zhì)量鑒別[9-10]、食品質(zhì)量控制[11-12]、食品貯存和加工[13-14]等方面。特別值得一提的是，該技術(shù)也已成功鑒別了不同級別的蟹糊[15]，并解析了蟹糊發(fā)酵過程中的營養(yǎng)物質(zhì)變化[16]。因此，本研究采用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)分析冷藏過程中梭子蟹營養(yǎng)物質(zhì)的動態(tài)變化，為梭子蟹的貯藏和質(zhì)量評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮活三疣梭子蟹購自寧海縣一養(yǎng)殖場，置于冰水混合物中運(yùn)回實驗室。選取50 只雄性梭子蟹，每只梭子蟹的體質(zhì)量為（130±20）g。

甲醇、二水合磷酸二氫鈉、三水合磷酸氫二鉀（均為色譜純） 上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；2,2,3,3-氘代三甲基硅烷丙酸鈉（sodium 3-trimethylsilyl [2,2,3,3-2D4] propionate，TSP）、重水（99.9%氘代）（均為色譜純） 美國Sigma-Aldrich公司。

用50%重水溶液配制0.15 mol/L磷酸緩沖液（pH 7.4），內(nèi)含0.001% TSP[17]。配制甲醇溶液（甲醇-水2∶1，V/V）作為組織胞內(nèi)物質(zhì)的提取液。

1.2 儀器與設(shè)備

Avance III 600 MHz NMR儀（配有超低溫探頭）德國Bruker Biospin公司；TD-XBYM組織破碎儀 北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司；5415R低溫高速離心機(jī) 德國Eppendorf公司；2.5 L冷凍干燥機(jī) 美國Labconco公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

把50 只梭子蟹隨機(jī)分成5 組，每組10 只，置于（4±1）℃海水中保存。分別于0、1、2、3 d和4 d的下午18:00取樣。采集每個梭子蟹的游泳足肌肉和肝胰腺各約500 mg，用液氮速凍后置于-80 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 營養(yǎng)物質(zhì)分析

1.3.2.1 營養(yǎng)物質(zhì)提取

為提取梭子蟹肌肉和肝胰腺組織中的胞內(nèi)物質(zhì)，把1 mL提取液加入到每個樣品中，置于組織破碎儀中，設(shè)置破碎頻率為20 Hz，破碎時間為90 s。所得提取物在4 ℃、12 000 r/min離心10 min，以獲得上清液。殘渣再用1 mL甲醇溶液提取液提取1 次。合并2 次提取所得的上清液，置于真空條件下?lián)]發(fā)上清液中的甲醇，再進(jìn)一步冷凍干燥。在冷凍干燥粉中加入600 μL磷酸緩沖液，在4 ℃、12 000 r/min離心10 min，把500 μL上清液移入直徑為5 mm的核磁管中，以用于核磁分析。

1.3.2.2 梭子蟹肌肉和肝胰腺提取物的NMR分析

在298 K條件下采集樣品的1H NMR譜，所用的脈沖序列是標(biāo)準(zhǔn)的NOESYGPPR1D：RD-90°-t1-90°-tm-90°-ACQ，對應(yīng)的質(zhì)子共振頻率為600.13 MHz。為抑制水峰，設(shè)置等待時間為2 s，混合時間為100 ms，并施加強(qiáng)度約50 Hz的低功率連續(xù)波。對于每個1H NMR譜，均設(shè)置90°脈沖寬度約10 μs，譜寬為δ 20，采樣點數(shù)為32 K，自由感應(yīng)信號累加次數(shù)為64 次。把采集到的1H NMR譜的自由感應(yīng)信號先乘以增寬因子為0.5 Hz的指數(shù)窗函數(shù)，再進(jìn)行傅里葉變換，根據(jù)內(nèi)標(biāo)物TSP（δ 0.0）的化學(xué)位移，手動定標(biāo)1H NMR譜，并作相位和基線校正。分別選擇一個具有肌肉和肝胰腺提取物典型1H NMR譜的樣品用于二維NMR譜采集，采集的二維NMR譜包括同核COSY和TOCSY譜，異核HSQC和HMBC譜。二維譜的實驗參數(shù)設(shè)置可參考婁永江等[18]。

1.3.2.3 NMR數(shù)據(jù)的多變量統(tǒng)計分析

為了對肌肉和肝胰腺樣品的1H NMR譜進(jìn)行分段積分，選取譜區(qū)間為δ 9.7～0.8，去除δ 5.0～4.75和δ 3.38～3.35的信號區(qū)間以消除水和甲醇的干擾，設(shè)置積分區(qū)間為2.4 Hz。對積分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行重量歸一化處理以消除樣品之間的質(zhì)量差異。把歸一化的NMR數(shù)據(jù)導(dǎo)入SIMCA-P＋軟件（V11.0，瑞典Umetrics公司），選擇標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理模式對NMR數(shù)據(jù)作主成分分析（principal component analysis，PCA），PCA結(jié)果不僅可提供樣本的聚類情況，還可檢測離群樣本點。然后對NMR數(shù)據(jù)作正交偏最小二乘法判別分析（orthogonal projection to latent structure discriminant analysis，OPLS-DA），在OPLS-DA中，設(shè)置自動規(guī)格化的數(shù)據(jù)處理模式，并以NMR數(shù)據(jù)為X變量，以分組信息為Y變量。為驗證OPLS-DA模型的可靠性，采用9 倍交叉驗證的方法，如果驗證所得的Q2值越高說明模型的質(zhì)量越高。此外，還采用交叉驗證的方差分析方法進(jìn)一步驗證OPLS-DA模型的可靠性，如果所得P值小于0.05，則證明OPLS-DA模型是可靠的[19]。為獲得導(dǎo)致組間區(qū)分的物質(zhì)，先對自動規(guī)格化的NMR數(shù)據(jù)作回溯轉(zhuǎn)換[20]，再借助MATLAB軟件制作OPLS-DA模型相對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)圖。相關(guān)系數(shù)圖上每個點具有不同的顏色，該顏色代表X變量（即回溯轉(zhuǎn)換處理后的NMR數(shù)據(jù)）和Y變量（即分組信息）之間的皮爾森積差相關(guān)系數(shù)（r）值。由于本研究設(shè)置樣本的重復(fù)數(shù)n為10，因此，只有當(dāng)某一營養(yǎng)物質(zhì)的|r|大于0.602時，才判定該物質(zhì)對組間區(qū)分具有顯著意義（P＜0.05）。

為獲得冷藏后梭子蟹肌肉中核苷酸和核苷類物質(zhì)含量的相對變化，本實驗計算了這些物質(zhì)相對于冷藏第0天的相對變化率，計算公式如下：

式中：Ci和C0分別表示在冷藏后某一天和冷藏第0天時的營養(yǎng)物質(zhì)相對濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 三疣梭子蟹肌肉和肝胰腺的營養(yǎng)物質(zhì)組成

圖1 三疣梭子蟹肌肉和肝胰腺提取物的典型600 MHz 1H NMR譜Fig. 1 Typical 600 MHz 1H NMR spectra of muscle and hepatopancreas extracts of P. trituberculatus

表1 三疣梭子蟹肌肉和肝胰腺營養(yǎng)物質(zhì)的NMR數(shù)據(jù)Table 1 NMR data of nutrients detected in the muscle and hepatopancreas of P. trituberculatus

續(xù)表1

依照梭子蟹肌肉樣品二維NMR譜提供的氫碳信息，并參考文獻(xiàn)[21-22]的物質(zhì)歸屬信息，確定梭子蟹肌肉中含有30 種小分子有機(jī)化合物，包括14 種氨基酸（3 種支鏈氨基酸、絲氨酸、丙氨酸、蛋氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、賴氨酸、精氨酸、甘氨酸、組氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）、4 種有機(jī)羧酸（牛磺酸、乳酸、琥珀酸和延胡索酸）、4 種核苷和核苷酸類物質(zhì)（肌苷、IMP、AMP和ATP）、2 種醇類（乙醇和2-吡啶甲醇）、2 種堿類（甜菜堿和葫蘆巴堿）、2 種糖類（葡萄糖和海藻糖）以及三甲基-N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）和組胺，如圖1、表1所示。同樣，發(fā)現(xiàn)核磁共振方法可檢測到梭子蟹肝胰腺中的27 種小分子有機(jī)化合物。與肌肉相比，肝胰腺中未測到乙醇、琥珀酸、延胡索酸、組胺、IMP、AMP、ATP和海藻糖，但含有肌氨酸、色氨酸、琥珀酸亞胺、磷酸膽堿、膽堿-O-硫化物（圖1、表1）。這些物質(zhì)組成的差異，可能與組織本身的結(jié)構(gòu)和功能相關(guān)。

此外，比較肌肉和肝胰腺冷藏前后的核磁譜可以發(fā)現(xiàn)，冷藏對這2 種組織的代謝譜產(chǎn)生了顯著影響。如冷藏1 d導(dǎo)致了肌肉和肝胰腺物質(zhì)組成的變化（圖1），肌肉中ATP的信號在冷藏后快速消失，取而代之于IMP、AMP和肌苷信號的增強(qiáng)；而更明顯的信號變化發(fā)生在肝胰腺的核磁譜中，大量的來自葡萄糖、蛋氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等物質(zhì)的信號明顯減弱。

2.2 冷藏對梭子蟹營養(yǎng)物質(zhì)組成的影響

圖2 三疣梭子蟹肌肉和肝胰腺提取物的PCA軌跡圖Fig. 2 Trajectory derived from PCA of 1H NMR spectra of the muscle and hepatopancreas extracts of P. trituberculatus

消費者食用雄性梭子蟹的主要部位是肌肉和肝胰腺，因此本實驗以這2 個組織為研究對象，分析冷藏對梭子蟹營養(yǎng)物質(zhì)組成的影響。為揭示肌肉和肝胰腺營養(yǎng)物組成的變化情況，首先對所有梭子蟹組織樣品的NMR數(shù)據(jù)做PCA，把所得的PC1和PC2用于制作軌跡圖，由圖2可知，肌肉和肝胰腺樣品隨著冷藏時間的延長，在PC1和PC2上均產(chǎn)生了明顯區(qū)分。肌肉的物質(zhì)組成在冷藏前2 d變化顯著，而且第2天的變化比第1天更為顯著，而后2 d的變化較小。與肌肉相比，肝胰腺的物質(zhì)組成變化主要發(fā)生在冷藏第1天，而后3 d的變化較小。

為進(jìn)一步揭示梭子蟹組織中隨冷藏過程顯著變化的營養(yǎng)物質(zhì)，對不同冷藏階段肌肉和肝胰腺樣品的NMR數(shù)據(jù)分別與冷藏前樣品作兩兩比較的OPLS-DA。首先對建立的8 個模型進(jìn)行可靠性驗證，根據(jù)9 倍交叉驗證和交叉驗證的方差分析，這8 個OPLS-DA模型都是可靠的，如圖3、4所示。根據(jù)肌肉的OPLS-DA相關(guān)系數(shù)圖（圖3），冷藏1 d可導(dǎo)致ATP水平的顯著降低，而乳酸、TMAO、肌苷、IMP和AMP水平顯著升高。冷藏2 d可導(dǎo)致谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸、牛磺酸和ATP的顯著降低，而肌苷水平顯著升高。冷藏3 d可導(dǎo)致精氨酸、?；撬岷虯TP的顯著降低，而肌苷水平顯著升高。冷藏4 d可導(dǎo)致谷氨酰胺、精氨酸、?；撬岷虯TP的顯著降低，而肌苷水平顯著升高。上述與冷藏顯著相關(guān)的肌肉營養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見表2。

鮮活的梭子蟹肌肉含有較高水平的ATP，在梭子蟹死亡后ATP快速水解成為ADP、AMP、IMP、肌苷和腺苷等，其中，AMP具有肉樣的鮮味[23]，而IMP具有牛肉湯樣的鮮味[24]，都是梭子蟹的重要呈味核苷酸[3]，是梭子蟹之所以味道鮮美的原因之一。本研究也發(fā)現(xiàn)，鮮活的梭子蟹肌肉含有較高水平的ATP，在冷藏1 d后，ATP即被分解了32.7%，2 d以后，ATP幾乎被完全分解（圖3、5）。而其代謝產(chǎn)物隨之在肌肉中大量積累，如AMP含量在冷藏第1天就增加了283.5%，2 d之后其含量呈下降趨勢，同時IMP含量也在冷藏第1天時達(dá)到最大值，隨之顯著降低。與這些核苷酸變化不同的是，肌苷水平在冷藏過程中快速升高，在冷藏第1天就升高到對照的277.3%，第2天達(dá)到對照的520.1%，第3天和第4天仍維持在對照的570%以上。肌苷賦予梭子蟹肌肉苦味[24]，因此，隨著冷藏時間的延長，梭子蟹肌肉的鮮味降低，苦味上升。這些核苷酸和核苷類物質(zhì)的變化趨勢與宋雪等[3]研究結(jié)果類似（文獻(xiàn)中的次黃嘌呤核苷與本研究中的肌苷為同一物質(zhì)），只是在物質(zhì)的濃度變化幅度和變化時間上存在差異，這可能與樣品的處理方法和冷藏方式不同有關(guān)。然而，本研究并未檢測到在冷藏初期含量較低的ATP其他水解產(chǎn)物如ADP、腺苷、次黃嘌呤和黃嘌呤，這可能與NMR譜儀相比于液相色譜儀較低的靈敏度所致[25]。

圖3 冷藏后三疣梭子蟹肌肉提取物的OPLS-DA得分圖（A1～D1）和相關(guān)系數(shù)圖（A2～D2）Fig. 3 OPLS-DA scores plots (A1–D1) and corresponding color-coded correlation coefficient loadings plots (A2–D2) derived from NMR data for muscle extracts of swimming crab after chilled storage

圖4 冷藏后三疣梭子蟹肝胰腺提取物的OPLS-DA得分圖（A 1～D1） 和相關(guān)系數(shù)圖（A2～D2）Fig. 4 OPLS-DA scores plots (A1–D1) and corresponding color-coded correlation coefficient loadings plots (A2–D2) derived from NMR data for hepatopancreas extracts of swimming crab after chilled storage

表2 與冷藏相關(guān)的三疣梭子蟹肌肉和肝胰腺提取物中顯著改變的營養(yǎng)物質(zhì)的OPLS-DA相關(guān)系數(shù)Table 2 OPLS-DA correlation coefficients for significant changes of nutrients in the muscle and hepatopancreas of P. trituberculatus associated with chilled storage

然而，基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢在于其對被檢測物質(zhì)的無偏向性[25-26]，只要某有機(jī)物質(zhì)的含量高于其檢測限，均能被檢測到。因此，本研究除了觀察到上述核苷酸和核苷類物質(zhì)，還觀察到梭子蟹肌肉中乳酸、谷氨酸、精氨酸、?；撬岷蚑MAO水平在冷藏過程中的顯著波動。乳酸和谷氨酸可賦予梭子蟹肌肉柔和的酸味和強(qiáng)烈的鮮味，而精氨酸具有苦味[24]，這些物質(zhì)的變化可能改變了梭子蟹原本的味道。而牛磺酸是有益于人體健康的活性物質(zhì)[27]，該物質(zhì)在冷藏過程中的持續(xù)減少，可能降低了梭子蟹肌肉的營養(yǎng)價值。此外，肌肉中的TMAO在梭子蟹冷藏第1天顯著升高，TMAO是海洋生物中普遍存在的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[28]，在冷藏第1天，梭子蟹仍然存活，可能為了抵抗低溫的脅迫，累積TMAO以維持肌肉細(xì)胞的滲透平衡。TMAO通常在梭子蟹死亡后被微生物或酶降解成為二甲胺或者三甲胺[29]，然而本研究并未檢出這2 種胺類物質(zhì)，可能低溫保存抑制了微生物或酶的活性。三甲胺具有毒性[30]，經(jīng)常被作為水產(chǎn)品新鮮度的指標(biāo)[31]，因此，低溫海水保存的梭子蟹盡管其營養(yǎng)價值和口味下降，但在實驗期內(nèi)（4 d）并未產(chǎn)生二甲胺或三甲胺等有害物質(zhì)。

圖5 冷藏對三疣梭子蟹肌肉ATP、AMP和肌苷含量的影響Fig. 5 Effects of chilled storage on the levels of ATP, AMP, and inosine in the muscle of P. trituberculatus

與肌肉類似，本研究也對肝胰腺進(jìn)行了兩兩比較的OPLS-DA分析。由圖4可知，冷藏1 d可導(dǎo)致包括11 種氨基酸水平的顯著降低，同時伴隨著甜菜堿、?；撬帷⑵咸烟?、TMAO、膽堿-O-硫酸和2-吡啶甲醇水平的顯著降低。冷藏2 d導(dǎo)致9 種氨基酸、甜菜堿、?；撬?、葡萄糖、琥珀酸亞胺、TMAO、膽堿-O-硫酸和2-吡啶甲醇水平的顯著降低。冷藏第3、4天仍導(dǎo)致精氨酸、酪氨酸、甜菜堿、?；撬帷⑵咸烟?、琥珀酸亞胺、TMAO、膽堿-O-硫酸和2-吡啶甲醇水平的顯著降低，而乳酸水平開始顯著升高。另外，冷藏第4天還引起亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸和色氨酸水平的顯著降低。上述與冷藏顯著相關(guān)的肝胰腺營養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見表2。

與梭子蟹肌肉不同的是，肝胰腺在冷藏條件下的物質(zhì)變化更為顯著，表現(xiàn)在更多營養(yǎng)物質(zhì)的流失，特別是氨基酸的流失。氨基酸不僅是人體必要的營養(yǎng)物質(zhì)，而且是重要的呈味物質(zhì)。如丙氨酸和甘氨酸具有甜味，3 種支鏈氨基酸、賴氨酸、精氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸具有苦味，而蛋氨酸可影響食品肉樣的味道[24]。氨基酸含量的變化不僅影響梭子蟹的口感，更重要的是影響了梭子蟹的營養(yǎng)價值。同樣，甜菜堿、?；撬岷推咸烟撬降娘@著下降不僅降低了肝胰腺的甜度，而且降低了肝胰腺的營養(yǎng)價值。此外，TMAO在肝胰腺中顯著降低，但其代謝產(chǎn)物三甲胺并沒有產(chǎn)生，從肝胰腺這一組織進(jìn)一步說明梭子蟹在海水中冷藏4 d并未產(chǎn)生這些有害的胺類代謝物。與這些顯著降低的代謝物相反，肝胰腺中的乳酸水平在冷藏后期發(fā)生了顯著升高。在動物體內(nèi)，乳酸由乳酸脫氫酶轉(zhuǎn)化丙酮酸后產(chǎn)生，這個反應(yīng)通常在缺氧條件下發(fā)生，因此乳酸水平的升高表明肝胰腺組織在冷藏后期呈缺氧狀態(tài)，同時肝胰腺的口味開始呈現(xiàn)柔和的酸味。

3 結(jié) 論

本研究利用基于NMR的代謝組學(xué)技術(shù)，分析了冷藏對三疣梭子蟹肌肉和肝胰腺營養(yǎng)物質(zhì)的影響。NMR技術(shù)共檢測到肌肉中的30 種物質(zhì)和肝胰腺中的27 種物質(zhì)。鮮活梭子蟹在4 ℃海水中冷藏保存，肌肉的營養(yǎng)物質(zhì)變化主要發(fā)生在前2 d，而肝胰腺的營養(yǎng)物質(zhì)變化主要發(fā)生在第1天。肌肉中主要變化的物質(zhì)是ATP及其水解產(chǎn)物以及乳酸、牛磺酸、TMAO、谷氨酸和谷氨酰胺。肝胰腺中主要變化的物質(zhì)是一系列氨基酸、甜菜堿、牛磺酸、葡萄糖、琥珀酸亞胺、TMAO、膽堿-O-硫酸和2-吡啶甲醇等。這些物質(zhì)的變化顯著改變了梭子蟹的口味和營養(yǎng)價值，但4 d的海水冷藏仍然保證了梭子蟹的可食用性。本研究結(jié)果可為三疣梭子蟹的貯藏和質(zhì)量評價提供參考。