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文献导读
玫瑰花瓣中类胡萝卜素的靶向代谢物和分子特征分析：向功能性食品应用迈进
发表日期：2024.10.16
发表题目：《Targeted metabolite and molecular profiling of carotenoids in rose petals: A step forward towards functional food applications》
期刊：Food Chemistry
影响因子：8.5
亮点
-橙色玫瑰花瓣的类胡萝卜素含量高达 488.85 微克/克。
-类胡萝卜素是橙色玫瑰花瓣中的主要类胡萝卜素。
-RhBCH1 和 RhCCD4 基因参与了玫瑰中类胡萝卜素的调控。
-该研究强调了玫瑰花瓣在功能性食品应用方面的潜力。
-研究结果为培育高类胡萝卜素和香味宜人的玫瑰提供了启示。
摘要
鉴于消费者对天然和功能性食品的需求日益增长，玫瑰花瓣为食品创新提供了一种前景广阔的新型配料，尤其是富含类胡萝卜素的黄色和橙色玫瑰花瓣，使其成为食品加工和保色的理想配料。尽管玫瑰中的类胡萝卜素具有潜力，但其代谢概况尚未得到充分探索。因此，本研究旨在全面分析玫瑰花瓣在三个发育阶段的类胡萝卜素代谢情况。结果显示，橙色玫瑰花瓣中类胡萝卜素含量最高，达 488.85 μg/g，其中叶黄素首次被确定为玫瑰中的主要类胡萝卜素成分（70.40%）。此外，还发现 RhBCH1 和 RhCCD4 这两个基因参与了玫瑰类胡萝卜素生物合成的调控。总之，这项研究证明了玫瑰花瓣作为功能性食品配料的巨大潜力，为培育高类胡萝卜素玫瑰品种提供了理论依据。
主要内容
1. 背景
随着公众对健康益处的认识不断提高，功能食品的开发已成为一个新兴产业。作为功能食品的重要来源，食用花卉是古罗马、希腊和中国等不同文化中烹饪传统的组成部分。随着超高效液相色谱-串联质谱法（UHPLC-MS/MS）等分析工具的发展，鉴别食用花卉的化学成分和生物特征成为可能。因此，食用花卉不仅被视为美味佳肴和甜点的装饰元素，而且还是生物活性化合物的创新性天然来源，为开发功能性食品和扩大素食者的新型食物来源提供了可能性。
玫瑰（蔷薇属）是世界上栽培最广泛、最珍贵的观赏植物，占全球花卉市场销售额的 30%，产值达 360 亿美元。此外，由于玫瑰含有大量天然抗氧化剂和膳食植物化学物质，可作为食品、医药和化妆品行业的功能性园林植物。近年来，用玫瑰花瓣和玫瑰果制作的糕点、果酱和沙拉在许多国家广受欢迎。此外，以玫瑰花瓣和玫瑰果瓣为原料制作的保健茶和糕点也越来越受欢迎。在中国，早在明清时期就开始用玫瑰花制作茶饮料和玫瑰饼。随着当前食用玫瑰产业的蓬勃发展，到 2017 年，鲜花饼的产值已超过 20 亿元人民币，中国云南的食用玫瑰种植面积已达到约 6 万亩。
研究表明，玫瑰花瓣富含天然活性化合物和抗氧化剂，包括类胡萝卜素、酚酸和类黄酮。这些生物活性化学成分赋予了玫瑰在医药和食品方面的独特优势。尤其是类胡萝卜素，它是重要的膳食抗氧化剂，能增强免疫力，降低癌症风险。目前，类胡萝卜素补充剂仅限于少数植物物种，包括水果和蔬菜，如含有β-胡萝卜素和α-胡萝卜素的胡萝卜；番茄，番茄红素的丰富来源；以及橙子，以其β-叶黄素而闻名。先前的研究表明，现代黄玫瑰和橙色玫瑰品种的花瓣可作为膳食来源。然而，与对富含花青素的红色和粉色现代玫瑰品种的广泛研究相比，对黄色和橙色玫瑰花瓣的研究却很少，这限制了黄色玫瑰品种在食品工业中的应用。
植物中类胡萝卜素的含量取决于其生物合成和降解速率，以及在质体中的储存稳定性。据报道，提高主要限速酶（如植物烯合成酶（PSY）、番茄红素β-环化酶（LCYB）和β-胡萝卜素羟化酶（BCH））的转录水平可有效增加类胡萝卜素的含量。同时，类胡萝卜素裂解二氧酶（CCDs）家族可以特异性地裂解类胡萝卜素，生成类胡萝卜素。其中，CCD1 和 CCD4 基因已被报道会影响花的颜色和香味，如菊花 × morifolium 和桂花香。最近的研究表明，脂肪酸酯化可提高类胡萝卜素在植物色质体内的稳定贮存能力，从而提高类胡萝卜素的亲脂性、稳定性和生物利用率。
初步调查显示，黄玫瑰栽培品种 R. 'Sun City'的花瓣中类胡萝卜素含量较高。本研究利用 R. 'Sun City'的 F1 代后代，通过超高效液相色谱-质谱/质谱（UHPLC-MS/MS）对不同花期玫瑰花瓣的类胡萝卜素代谢谱进行了研究。此外，根据转录组数据和功能测试，确定了导致玫瑰花瓣中类胡萝卜素含量变化的关键基因（RhBCH1 和 RhCCD4）。总之，本研究探讨了主要类胡萝卜素的组成和含量，以及类胡萝卜素生物合成的转录组图谱。这项研究的结果为玫瑰花瓣在食品工业、化妆品和医药方面的潜在应用提供了新的见解。
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2. 材料与方法
2.1. 植物材料
2.2. 感官评价
2.3. 样品准备和提取
2.4. 基于UHPLC-MS/MS代谢物分析
2.5. 转录组和差异表达分析
2.6. 代谢物和转录组数据的 WGCNA 分析
2.7. 定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）分析
2.8. RhBCH1 和 RhCCD4 在细菌中的功能测试
2.9. 数据分析
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3. 结果和讨论
图 1. 橙色和白色玫瑰花瓣在三个发育阶段的类胡萝卜素代谢概况。A. 本研究中使用的橙色和白色玫瑰材料的形态特征；B. 不同样品中类胡萝卜素成分的数量；C. 玫瑰花瓣中代谢物的主成分分析（PCA）；D. 热图显示所有已识别代谢物的聚类。每个样品以三个重复为一列，每个代谢物以一行为一列。每个代谢物的丰度用彩色条表示。
图 2. 玫瑰花瓣中的类胡萝卜素特征及其在不同样本中的分布模式。A. 显示三个发育阶段和两种材料之间不同累积代谢物数量的维恩图；B. 显示不同样品中八种主要类胡萝卜素成分分布模式的堆叠柱状图；C. 特征类胡萝卜素成分的含量水平及其化学结构。不同字母表示三个发育阶段之间存在显著差异（P < 0.05）。
图 3. 玫瑰中类胡萝卜素代谢相关基因的表达谱。A. 显示两种材料三个发育阶段不同表达基因数量的维恩图；B. 通过 K-means 聚类发现的四种不同的基因表达模式；C. 样品中不同表达基因的 KEGG 富集分析；D. 玫瑰类胡萝卜素代谢途径中基因的表达水平。
图 4. 有助于玫瑰花瓣类胡萝卜素生物合成的基因的鉴定和功能表征。A. 热图显示了各表达模块与类胡萝卜素主要成分之间的相关性；B. 共表达相关网络以及转录因子（TFs）与类胡萝卜素代谢相关结构基因之间的联系；C. 转录因子的 qRT-PCR 验证；D. 表达 RhBCH1 或 RhCCD4 的大肠杆菌细胞积累β-胡萝卜素的脱色和相对含量变化；E. 表达空载体、RhBCH1 或 RhCCD4 的大肠杆菌细胞β-胡萝卜素的超高效液相色谱分析。
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4. 总结
本研究采用超高效液相色谱-质谱/质谱技术，对不同发育阶段的橙色和白色玫瑰花瓣中类胡萝卜素代谢组进行了全面分析。研究结果表明，盛花期橙色花瓣中类胡萝卜素的总含量为 488.85 μg/g，其中肉豆蔻酸中链花青素的含量最高，为 193.86 μg/g。根据布里顿（Britton，2009 年）提出的标准，玫瑰花瓣中的类胡萝卜素含量被认为是非常高的，因此玫瑰花瓣有望成为类胡萝卜素的食物来源或天然补充剂。此外，本研究还首次报道了玫瑰花瓣中存在酯化叶绿素，主要以紫黄质酯的形式存在。玫瑰花瓣中类胡萝卜素的稳定酯化形式可提高其在食品加工中的实用性，促进高浓度类胡萝卜素作为功能性成分的提取和应用，从而开发食品。此外，转录组分析表明，RhBCH1 和 RhCCD4 基因可改变类胡萝卜素的组成和含量。因此，可以推测 RhCCD4 可能会影响玫瑰花瓣的香气和风味。这些发现强调了玫瑰花瓣作为功能性食品的巨大潜力及其在食品加工中的应用，为培育风味更佳、类胡萝卜素含量更高的玫瑰品种提供了理论参考。
