质谱成像技术在食品科学领域的应用进展

唐雪妹，谢书越，黄玉芬，万 凯，王富华*

（广东省农业科学院农产品公共监测中心，农业农村部农产品质量安全检测与评价重点实验室，广东 广州 510640）

在食品分析行业，组分分析常采用色谱以及色谱-质谱联用技术，然而这些方法不仅具有均质、提取、净化等复杂繁琐的前处理过程，而且无法获取目标物质在食品中的空间分布信息。目前，对食品快速化学成像的需求正稳步上升，傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱及高光谱等光谱学技术已经被广泛用于鉴定食品中生物活性分子和化学标志物的空间分布[1]。近几年，基于质谱的化学成像由于其卓越的分子特异性，成为化学分析中十分具有吸引力的方法。质谱成像（mass spectrometry imaging，MSI）相对于红外等光谱学技术来说具有独特的优势。MSI技术能够在不需要抗体、染色、标记及其他复杂前处理的情况下，直接分析样品组织，同时获得多种生物分子如蛋白、多肽、脂质、糖类等内源性代谢物以及外源性药物的空间分布信息[2]。此外，该技术具有较高的检测灵敏度及较强的分子鉴定能力，可检测组织中低丰度生物分子，区分结构相似的化合物并从分子水平上提供大量独特的信息，具有高化学特异性，尤其针对复杂的生物基质如食品和植物组织等。MSI已经被广泛地应用于生物医学、药物学以及微生物学等领域[3-5]，其在食品分析领域也逐渐受到关注，它使从亚细胞到组织，甚至完整食品尺度范围详细地了解食品中的生物过程成为可能，为食品科学的基础研究开启了新的机会[6]。本文主要介绍MSI技术及其在食品质量安全领域的应用进展。

1 MSI概述

目前，MSI技术发展迅速，针对食品科学研究的不同需求，可采用的MSI技术不尽相同，因此深入了解现有MSI技术的特点和优势是充分高效地将其用于食品研究的前提。MSI是通过将质谱离子扫描技术与专业图像处理软件结合，直接分析生物组织切片，产生任意指定质荷比（m/z）化合物的二维离子密度图，实现对组织中化合物的组成、相对丰度及分布情况进行高通量、全面、快速分析[7]。

图1 MSI流程图[8]Fig. 1 Schematic representation of mass spectrometry imaging[8]

MSI的实验流程如图1所示，首先，将采集的样品用包埋剂包埋后进行切片（A），对于不同的目标分子或者仪器类型，这一步可能还包含其他的样品处理过程，如基质覆盖、原位酶解或衍生等。其次，采用质谱仪器对样品切片进行分析，采集样品中化合物的质荷比、丰度以及坐标（x，y），获得的数据经图像软件处理后以图片的形式呈现，从而实现目标化合物的可视化研究（B）。样品采集产生的海量数据可以通过成像数据软件实现自动化提取、分析和归类，从而有效获得特征的分子或者特征的空间分布信息（C）。

随着MSI技术的不断发展和完善，以及由于各研究领域对成像技术的需求不同，目前已经发展起多种不同类型的MSI技术。其中，在食品科学领域应用最广泛的是基质辅助激光解析电离（matrix assisted laser desorption ionization，MALDI）成像、解析电喷雾离子化（desorption electrospray ionization，DESI）成像、二次离子质谱（secondary ion mass spectrometry，SIMS）成像、激光烧蚀电感耦合等离子体（laser ablation inductively coupled plasma，LA-ICP）成像等；此外，激光烧蚀电喷雾离子化（laser ablation electrospray ionization，LAESI）成像、解吸大气压光电离（desorption atmospheric pressure photoionization，DAPPI）成像、低温等离子体（low temperature probe，LTP）成像、激光解吸电离（matrix-free laser desorption ionization，LDI）成像等多种MSI技术在食品研究中也有少量应用。

2 MSI在食品科学领域的应用

目前，MSI正逐步成为食品科学领域重要的分析手段，已经被用于食品中多种生物分子的靶向和非靶向分析，包括食品内源性生物分子、功能食品的营养成分以及食品中的外源性添加残留等，本文将主要从食品成分分析、食品营养评估、食品安全监控、食品来源鉴别4 个方面进行阐述。

2.1 食品成分分析

食品的组成成分如糖类、脂质、抗氧化物质、氨基酸、多肽以及矿物质等可以直接体现食品的品质和营养价值，值得注意的是食品微观结构以及组成成分分布会影响食品稳定性和感官特性，甚至食品的生物吸收过程[9]；因此，全面了解食品组成和分布对食品科学领域的研究至关重要。MSI已经被广泛用于食品组成成分分析（表1），该技术在描绘食品组成的同时，能够提供额外的二维空间化学信息，可用于研究食品组成、分布、品质三者之间的关系，从而提升对于食品品质和代谢的理解。

脂质是食品组成的一个重要成分因子，能够反映脂质在细胞、组织或者食品材料中的多样性分布，不仅有利于解决生物学问题，同时有利于提高食品价值和改善食品加工方法。MSI技术目前已经被用于谷物[10-12]、水产品[13-14]、水果[15]、肉类[16]等多种食品中脂质的分析。Zaima等[11]用MALDI-成像质谱（imaging mass spectrometry，IMS）不仅定性鉴定了糙米中各类脂质的组成，同时定位了各类代谢物分布。研究发现，稻米中溶血卵磷脂（lysophosphatidylcholine，LPC）由59.4%LPC（1-acyl 16∶0）、19.6% LPC（1-acyl 18∶2）、14.2%LPC（1-acyl 18∶1）和6.8% LPC（1-acyl 18∶0）组成，主要分布于胚乳组织；磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC）由19.6% PC（diacyl 16∶0/18∶2）、21.0% PC（diacyl 16∶0/18∶1）、15.0% PC（diacyl 18∶1/18∶3）、26.7% PC（diacyl 18∶1/18∶2）和17.8% PC（diacyl 18∶1/18∶2）组成，与γ-谷维素和植酸一样，特异性分布于种子外皮，而α-生育酚只存在胚尤其是盾片部位。Zaima等[12]进一步研究了不同类型的LPC在大米胚乳中的分布差异，结果发现LPC（1-acyl 16∶0）均匀分布于整个胚乳组织，LPC（1-acyl 18∶0）分布于胚乳中心区域，而含有不饱和脂肪酸残基的LPC（1-acyl 18∶1）和LPC（1-acyl 18∶2）主要位于大米胚乳的边缘区域。特定成分的谷类可以用于生产特定产品，而大米的加工过程如抛光会导致分布于边缘的营养成分丢失，因此，大米中脂质含量和分布直接决定自身的营养品质，同时也会对后续加工产品品质如酿造米酒的风味产生影响。此外，脂质氧化是肉及肉类产品质量的一个重要指标，Dyer等[16]利用MALDI-MSI研究了不同氧浓度包装条件下牛排脂质组学，并选用多种脂类作为牛肉品质监测的生物标志物。研究发现，有氧条件下，脂质会快速发生降解并且这种氧化降解现象在组织中具有不均匀性，MSI可作为一种分子水平脂质分析技术，用于食品品质、加工、包装、存储评估。

植物代谢物是植物源性食品的重要组成部分，与食品的颜色、风味、口感、质地等密切相关。利用MSI技术获得代谢物在食品中的空间分布信息有利于食品中化合物的合成和代谢途径研究，从而有效控制食品在贮藏与加工过程中的营养成分变化，以保持和改善食品及相应加工制品的感官和营养品质。Nakamura等[17]可视化研究了不同基因型番茄在生长、成熟以及损伤过程中内源性代谢物变化，该方法有助于空间分辨理解蔬果代谢行为，揭示生理改变和响应以及形态变化的基础机理。糖类是食品成分中一类重要的化合物，是生命活动的主要能量来源。Peukert[18]及Veličković[19]等研究了小麦中的果聚糖和多糖类，结果表明糖类分布不均匀性直接影响小麦的质量和利用。此外，利用MSI对食品中蛋白和多肽的研究同样引起关注，Grassl等[20]利用MSI获得了大豆子叶中分子质量在3 000～9 000 Da范围的多个植物蛋白离子的空间分布；Chansela等[21]获得了斑节对虾中枢神经系统中的神经肽的分布，这些研究表明，MSI可以用于研究食品中多肽和蛋白的分布情况，可实现食品科学领域的蛋白质综合分析。

食品中微量元素是食品营养价值的重要参数，定位和量化植物中元素分布对于理解植物代谢、矿物质吸收和转运以及植物处理有毒元素的方式至关重要。Wu Bei等[22]利用LA-ICP-MS研究了小麦中主要的营养元素，研究发现K、Fe、Cu、Zn、P、S等营养元素主要分布在胚芽中，Ca元素主要分布在种皮。在研磨的过程中，胚芽通常被去掉，从而导致谷物中营养元素的损失。淀粉质胚乳是制作面粉的主要部位，但是除了S以外，该部位所有的营养元素含量都很低。此外，Mo、Se等微量元素也得到了一定研究[23-24]。

表1 MSI在食品成分分析中的应用研究Table 1 Applications of mass spectrometry imaging in food characterisation

2.2 食品营养评估

植物活性代谢物是食品品质和营养评估的重要因素，如黄酮类、酚类、花青素、人参皂苷及活性生物碱等，可视化植物组织中功能成分是筛选高药理活性植物以及评估食品品质的一项新型实用技术（表2）。Yoshimura等[49-50]用MALDI MSI分析了黑米和蓝莓中花青素的不同分布，研究发现在黑米中花青素根据糖环残基不同而分布不同，在蓝莓中则由苷元残基来区分，该研究表明花青素在这两种食品中的生物学功能差异。Taira等[51-52]利用MSI分析了天然中药材人参以及辣椒果实，鉴定了多种具有药理学特性的人参皂苷和生物碱辣椒素。研究发现，辣椒素主要分布在辣椒的胎座，比果皮和种子中含量更高。人参皂苷主要分布于人参根的皮质和周皮，而髓质中含量较少，并且根尖含量高于根中间部位。因此，MSI可作为一种食品质量和营养价值评估的新方法，用于快速评估一般食品和高品质食品。

更重要的是，繁琐而耗时的传统样品制备过程容易造成样品中低丰度的活性物质丢失或者破坏，而MSI可以直接分析组织切片，同时获取食品有效成分的分子结构和位置信息，有望通过描绘代谢物空间分布从而探索未开发自然资源中功能食品因子，在食品营养分析领域具有较大应用前景。Goto-Inoue等[53]利用MALDI MSI可视化研究茄子代谢物时发现茄种子特异性富含高γ-氨基丁酸。γ-氨基丁酸是食品中重要的功能因子，了解其在植物中的特异性分布对于营养学和药理学研究以及改善γ-氨基丁酸富含植物的培育过程至关重要。Bhandari等[54]利用高分辨MSI首次定位了具有抗癌活性的cyathane型二萜类化合物及一系列猴头菌素类代谢物在蛋巢菌和猴头菇中的分布；Jaeger等[55]利用高分辨MSI在石斛小菇组织中筛查出一种新的次级代谢物β-咔啉生物碱。这些研究表明MSI是探索食品功能因子、研究未开发自然资源中营养成分特异性分布、评估功能食品质量的有效工具。

表2 MSI在食品营养评估中的应用研究Table 2 Applications of mass spectrometry imaging in food quality evaluation

2.3 食品安全监控

在传统的质量安全评估中，食品的化学组成和含量通常由样品的平均值决定，忽略了空间异质性。目前，对食品空间分辨分析不仅引起寻找天然食品成分附加价值的科学研究者的兴趣，在食品安全监测上同样有应用，主要涉及食品污染、食品添加、表面瑕疵或者筛查过敏源等方面。对于食品公司和卫生组织，监测污染物在食品中的迁移、定位过敏源分布、直接检测和分析毒素是非常重要的食品安全保障方法。食品中有害物质可能来源于天然成分，也可能在食品加工、贮存及运输过程形成，甚至可能是人为非法添加的，可视化食品中有害物质的分布能够极大地帮助我们监测已知或者未知污染可能引起的风险因子，是确保食品质量和安全的重要组成部分（表3）。Yang Shuiping等[62]用表面解析常压MSI实现了鸡蛋中三聚氰胺成像，发现三聚氰胺主要集中在蛋清区域。Taira等[63]利用MSI监测黄瓜中杀菌剂残留情况以及动态渗透过程，结果显示腐霉利杀菌剂不仅会残留在表面，还会迁移到黄瓜的中心部位。Nielen等[64]利用LAESI-MSI对食品中污染物和成分进行了宏观和微观空间分辨分析，包括农药残留、真菌毒素和天然组成，其不仅可反映出农药中隐性添加成分，同时表明杀菌剂在果皮上的渗透深度存在位置差异性。

糖苷生物碱是一种内源性植物毒素，在土豆和番茄等茄科植物中比较常见，给食品安全带来隐患。该类物质较难分析，一般依赖于监测土豆的发绿现象来评估生物碱水平。Tata等[65]采用MSI技术实现了土豆块茎中有毒物质和生物活性代谢物的同时监测，该研究比较了多种不同糖苷生物碱在土豆块茎不同部位的分布和相对丰度，提示该技术能够在食品质量安全控制方面发挥重要作用。木薯、杏仁、枇杷和亚麻籽等食源性植物中容易产生氰苷，该类物质可水解生成高毒性的氰氢酸，从而对人体造成危害。Li Bin[66]和Dalisay[67]等分别研究了木薯块茎和亚麻籽中的生氰糖苷类物质的分布。在某些情况下，精确地定位有害天然毒素的存在，不仅为食品的质量安全考虑，还有利于进一步研究天然毒素的形成和代谢。

真菌毒素是食品污染的另一大风险因素。de Oliveira等[68]用MSI技术鉴定了花生表皮和核仁部位的4 种黄曲霉素（B1、B2、G1、G2）以及萜类（白芦藜醇）。萜类是一种植物抗毒素分子，属于坚果的次级代谢物，可用于监测真菌污染。该项研究表明MSI能够同时定性评估花生皮和核仁部位中黄曲霉素和萜类物质，提供精确追踪坚果或者其他食品中真菌污染情况。Hickert等[69]还研究了葡萄、玉米真菌感染模型中毒素的分布情况。

在发展中国家，食品安全分析的热点是农药、抗菌类药物、塑化剂以及食品添加剂等，而发达国家关注更多的是食品中蛋白和多肽类过敏源所引起的安全风险。Cavatorta等[70]利用MALDI-MSI研究了桃子中主要的过敏物质脂质转移蛋白Pru p 3，该研究在不需要抗体的情况下，可直接定位该蛋白在水果中的分布。Bencivenni等[71]报道了番茄中非特异脂质转移蛋白存在多种亚型并且主要集中在种子中，该项研究对于筛选低过敏性农作物至关重要。食品中过敏源成像分析是相对较新的研究领域，其为食品加工公司无过敏源产品提供一种简单、可视化证实方法。

表3 MSI在食品安全中的应用研究Table 3 Applications of mass spectrometry imaging in food safety evaluation

2.4 食品来源鉴别

现如今，研究者对于农产品和食品的真假鉴定和产地溯源的关注日益增加，食品真实性的确定是食品质量控制和安全保障中重要的环节。人参、西洋参、三七是三大人参属类植物，人参属因具有相似的植物形态学特征，产品的种类用肉眼很难区分，尤其是加工成片状、粉末或提取物产品后，辨识更加困难。分子生物学分析（DNA条码、DNA指纹图谱、聚合酶链式反应）和化学分析（基于色谱质谱技术的代谢组学）已经被用于鉴定不同的人参属植物。然而，分子生物学技术包含复杂的步骤，色谱质谱联用技术需要均质、提取、净化等过程，存在耗时长、耗试剂多且无法获取目标物的空间位置等问题。此外，在药材加工和样品前处理过程中，活性成分容易改变或者丢失。因此，发展一种快速、可靠的方法来鉴别不同人参属是保证人参质量安全的迫切需求。Wang Shujuan等[60]利用MALDI-TOF-MSI技术定位鉴定了51 种人参根组织中的皂苷，并且将MSI和主成分分析结合，首次实现了3 种不同的人参种属的快速区分。MSI获得的二维离子密度图可以反映人参皂苷在不同根组织结构中的分布差异和相对丰度变化，为品种鉴别提供有价值的信息，对生物化学通路研究和药材的有效性研究具有一定的意义。

Zaima等[79]利用MALDI MSI结合主成分分析进行了牛肉来源的真实性评估，对于3 个不同产地的日本黑牛大腿肉进行了产地溯源。常规的液相-质谱提取方法发现，3 个样品中脂质的种类和含量没有明显的区别，而成像方法则可以根据不同产地牛肉中脂质分空间分布差异来进行分组。Promchan等[80]用LA-ICP-MS进行了水稻籽粒的元素成像，评估了20 种元素在中心胚乳的含量并且将这些元素用作稻谷品种和来源鉴定的化学标志物。虽然MALDI MSI的可靠性没有稳定同位素高，但是可以作为品质鉴定和产地溯源的快速筛查方法。

3 结 语

食品相关化合物空间分布研究具有重要实际意义，其可为设计和生产高营养价值食品提供依据，为食品的品质鉴定提供新的方法，还可促进改善食品加工和储存技术。MSI在不需要放射性或者荧光标记的前提下，同时获得化合物的结构和空间分布信息，具有高通量、高分子特异性，在食品学科领域逐渐受到关注。本文总结了近10 年MSI技术在食品科学领域的应用研究，充分说明基于质谱的成像技术能够用于食品内源性代谢物和外源性污染物的空间化学信息研究，是确保食品质量安全和人类健康的有力分析工具，同时希望能够吸引更多食品研究者应用该技术推进食品科学的进一步发展。随着MSI仪器的不断改进，MSI在离子化方法、检测灵敏度、数据处理以及样品准备流程等方面都得到了很大的提高，未来必将更广泛地被用于食品科学领域，从而便于研究者更好地理解食品空间和时间差异的分子基础。