Food Chem：基于GC×GC-TOF MS技术揭示热胁迫下鲜食葡萄品种特异性的香气挥发物轮廓差异

基于GC×GC-TOF MS技术揭示热胁迫下鲜食葡萄品种特异性的香气挥发物轮廓差异

期刊：Food Chemistry（9.8）

发表日期：2026年6月

 

 

研究摘要

 

为探究不同耐热性鲜食葡萄品种对热胁迫的差异响应，本研究以耐热品种‘神悦’、热敏品种‘巨玫瑰’、中等耐热品种‘巨峰’为试验材料，采用顶空固相微萃取-全二维气相色谱-飞行时间质谱（HS-SPME/GC×GC-TOF MS）技术，分析热胁迫对葡萄果实不同发育阶段基础理化特性及挥发性有机化合物（VOCs）的影响。结果表明，热胁迫对葡萄果实理化特性和香气轮廓的影响兼具品种特异性与发育阶段依赖性。在挥发性物质代谢层面，三个品种呈现三种截然不同的响应模式：‘神悦’表现为“延迟增强型”，‘巨玫瑰’表现为“过度激活型”，‘巨峰’表现为“代谢抑制型”。此外，本研究筛选出各品种响应热胁迫的关键挥发性指示物。香气指纹分析进一步证实，热胁迫显著重塑了葡萄果实的感官香气轮廓，且影响程度同样具有品种特异性和发育阶段依赖性。

 

 

研究背景

 

葡萄的香气轮廓由遗传背景决定，同时受环境因子显著调控。在各类非生物胁迫中，热胁迫已成为全球气候变化背景下制约葡萄产业可持续发展的主要因素。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC，2023）预测，未来数十年极端高温事件的发生频率、强度与持续时间将持续增加。研究表明，当环境温度超过37℃时，不仅会破坏葡萄果实的糖酸平衡、影响着色，还会干扰挥发性物质的生物合成途径，进而改变果实整体香气轮廓。但不同遗传背景的葡萄品种，对热胁迫的生理与代谢响应存在显著差异。目前，针对热胁迫对不同品种葡萄果实成熟过程中整体香气谱影响的系统性研究仍较为匮乏。

传统一维气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）在分析复杂样品时，常出现化合物共流出问题，导致鉴定结果不准确。相比之下，顶空固相微萃取-全二维气相色谱-飞行时间质谱（HS-SPME/GC×GC-TOFMS）具有高峰容量、高分离度的优势，可有效分离共流出组分，显著提升定性与定量分析的可靠性，已被广泛应用于葡萄酒、茶叶等食品的风味分析。尽管该技术优势显著，但利用其系统性探究热胁迫对葡萄香气动态变化影响的研究仍十分有限。

综上，当前热胁迫下葡萄香气的相关研究存在诸多局限：研究多聚焦于转色期或成熟期，缺乏覆盖果实全发育进程的综合评估。对热胁迫下挥发性物质的动态变化规律与调控机制认知不足；且未充分考虑品种特异性响应差异。

 

材料与方法

 

2.1.植物材料与处理方法

本研究于2021年在中国上海市金山区施泉葡萄专业合作社的葡萄园开展。试验选取3个耐热性存在差异的鲜食葡萄品种为材料：耐热品种神悦（Shenyue）、中耐热品种巨峰（Kyoho）、热敏品种巨玫瑰（Jumeigui）。所有葡萄植株均采用标准化避雨栽培，并按照当地商业化生产规程进行统一管理，以保证植株生长条件一致。试验采用随机完全区组设计，设置3次生物学重复，每个重复包含3株长势均匀的葡萄树。

试验设置对照组（CK）与热胁迫处理组（HS）：处理组搭建人工高温气候舱进行增温处理，对照组采用常规温室栽培。处理组日均气温较对照组高4℃，日最高平均气温约45℃。在果实3个关键发育阶段进行取样：转色前期（盛花后30天，7月2日）、转色期（约50%果实开始着色，7月15日）、完熟期（种子变褐、TSS含量达18~20°Brix，8月1日）。对照组植株在整个试验期间均处于自然温度环境，处理期间平均气温为32.5℃。每个发育阶段，从各处理组随机采集6串果实。采后样品立即放入装有干冰的保温箱，快速送至实验室测定基础理化指标。另取带果梗的果实样品，经液氮速冻后，于-80℃条件下保存，用于后续香气化合物分析。

 

2.2.基本物理化学指标的确定

 

2.3.采用HS-SPME/GC×GC-TOFMS技术分析挥发性有机物

 

2.4.气味活性值与香气系列分类

 

 

结果与讨论

 

3.1.热胁迫对葡萄果实基础理化指标的影响

为探究热胁迫对3种不同耐热性葡萄品种果实发育的影响，本研究对比了各品种热胁迫组（HS）与对照组（CK）的基础理化指标差异。结果显示，热胁迫处理显著改变了3个供试品种的果实发育进程，且不同品种对热胁迫的响应存在显著差异（图1）。

转色前期：耐热品种‘神悦’的单果重无显著变化，但果形指数较对照组显著下降（图1B、E）。与之相反，‘巨峰’单果重降低，‘巨玫瑰’单果重升高，二者果形指数则无显著改变（图1C、D、F、G）。TSS含量方面，‘神悦’热胁迫组显著高于对照组，而‘巨峰’和‘巨玫瑰’的热胁迫组与对照组无显著差异（图1H-J）。

转色期：热胁迫处理下，3个品种的TSS含量均无显著变化（图1H-J），‘神悦’的单果重与果形指数较对照组亦无显著差异（图1B、C）。但‘巨峰’和‘巨玫瑰’的单果重均显著低于对照组（图1F、G），其中‘巨玫瑰’单果重降至3个测定时期的最低值，果形指数则升至最高水平（图1C、F），而‘巨峰’果形指数与对照组无显著差异（图1D）。

成熟期：‘神悦’的所有测定指标与对照组均无显著差异（图1B、E、H），‘巨峰’单果重显著升高，TSS含量显著下降（图1D、J），‘巨玫瑰’仅TSS含量显著降低（图1I）。

此外，热胁迫可显著改变上述基础理化指标的动态变化规律（图1）。例如，正常条件下‘神悦’果形指数呈先降后升趋势，而热胁迫下则持续上升，其TSS含量由正常条件下的先升后降，转变为热胁迫下的稳步上升。

 

 

 

3.2.基于GC×GC-TOF MS的不同耐热性葡萄品种挥发性有机化合物对热胁迫的发育阶段动态响应

3.2.1.葡萄果实挥发性有机化合物组分分析

3个葡萄品种的果实中共鉴定出88种挥发性有机化合物，具体包括：8种主要通过脂氧合酶（LOX）途径生成的绿叶挥发物（GLVs，C6化合物）、15种醇类、25种酯类、6种酸类、3种酮类、9种醛类、19种萜类和3种C13-降异戊二烯类。本研究中，C6化合物、醇类和酯类在3个品种中均大量存在，分别占总挥发性物质含量的12.62%~40.56%、9.89%~31.11%和7.83%~41.91%（图2A）。对88种挥发性有机化合物的主成分分析（PCA）结果显示，前3个主成分分别解释了33.5%、19.3%和10.6%的总方差（图2B）。值得注意的是，不同葡萄品种在PC1-PC2得分图中呈现明显的分离趋势，表明其挥发性物质轮廓存在显著差异。

 

 

3.2.2.热胁迫驱动葡萄果实挥发性物质代谢的品种特异性动态变化

为探究热胁迫对果实代谢组轮廓的影响，本研究分析了3种不同耐热性葡萄品种在转色前期、转色期、成熟期3个关键发育阶段的差异代谢物（DEMs），并与对照组进行对比。结果表明，热胁迫下的代谢调控具有显著的品种特异性和发育阶段依赖性特征（图3）。

转色前期：热敏品种‘巨玫瑰’的代谢激活效应最强，共检测到37种上调差异代谢物，包括除酮类、醛类和C13-降异戊二烯类外的5类代谢物，无下调代谢物，其中酯类和萜类占主导，分别有16种和10种，合计占上调代谢物总量的70%以上（图3B）。相比之下，‘神悦’的响应较为温和，仅8种代谢物上调、3种下调（图3A）。‘巨峰’呈双向响应模式，10种代谢物上调，8种代谢物下调（图3C）。

转色期：所有品种对热胁迫的整体代谢响应中，上调差异代谢物数量均相对较少。其中‘巨玫瑰’仅13种代谢物上调（以醇类和酯类为主），无萜类上调，仅1种代谢物下调（图3B）。‘神悦’11种代谢物上调，仅癸酸乙酯1种代谢物下调（图3A）。与之相反，‘巨峰’在此阶段对热胁迫最敏感，仅乙酸甲酯、癸酸乙酯、氧化橙花醇3种代谢物上调，而C6化合物、醇类、酯类等8种代谢物下调（图3C）。

成熟期：品种间的代谢响应差异进一步扩大。与转色期相似，‘巨玫瑰’的代谢物水平趋于稳定，仅2-羟基丙酸乙酯、庚醛2种代谢物上调，无下调代谢物（图3B），而‘神悦’出现显著的双向波动，26种代谢物上调，19种代谢物下调，包括β-大马酮、反式-β-紫罗兰酮等关键C13-降异戊二烯类香气物质，以及α-松油醇、γ-松油烯等萜类物质（图3A）。‘巨峰’则恢复温和响应状态，仅反式-3-己烯醛、辛酸乙酯、癸酸乙酯3种代谢物上调，甲酸甲酯、水杨酸甲酯、壬酸3种代谢物下调（图3C）。

 

 

3.2.3.热胁迫响应关键标记香气化合物的鉴定

为从不同葡萄品种的大量差异化合物中精准筛选热胁迫响应的关键挥发性有机化合物，本研究采用正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）进一步筛选差异表达化合物。关键特征挥发性物质的筛选标准设定为：投影变量重要性（VIP）得分＞1、q值＜0.05，且重点关注对葡萄及葡萄酒香气有显著贡献的化合物。

OPLS-DA分析结果显示，热胁迫组（HS）与对照组（CK）的样本点显著分离，表明该模型可有效区分两组样本，反映出组间代谢物存在显著差异（图4）。经严格筛选，最终在每个品种中鉴定出15种关键挥发性有机化合物（图4D-F）。值得注意的是，‘巨峰’品种中仅检测到醇类、酯类和萜类3种挥发性组分（图4F）。

 

 

进一步分析果实发育过程中挥发性化合物的动态变化，发现了品种特异性的代谢响应模式。在‘巨玫瑰’中，热胁迫导致C6化合物、各类醇类、酯类、酸类、醛类和C13-降异戊二烯类的含量发生显著变化，表明其香气代谢发生了全面重构（图5B）。‘巨峰’的响应更具靶向性，以部分醇类含量降低为特征。同时，萜类和酯类呈现差异化响应，其中萜类的代谢差异主要集中在转色前期（图5C）。‘神悦’的多数关键差异化合物仅在果实成熟期出现代谢变化，且整体呈上调趋势。值得注意的是，该品种中萜类和C13-降异戊二烯类整体呈下降趋势（图5A）。

 

 

3.3.热胁迫对葡萄果实香气系列的影响

将具有相似气味特征的有效香气化合物归类为不同香气系列，计算各系列的累计气味活性值，并据此构建3个葡萄品种在对照组和热胁迫组下、3个发育阶段的香气指纹图谱（图6）。香气指纹图谱分析显示，3个品种对热胁迫的香气响应存在显著差异。

耐热品种‘神悦’：转色前期青草香、泥土香显著增强（图6A），转色期果香特征显著凸显（图6B）。成熟期香气轮廓变化更复杂，青草香持续增强，花香、果香、香脂香减弱，泥土香再次回升（图6C）。

热敏品种‘巨玫瑰’：对热胁迫的响应更广泛、更强烈。转色前期除甜香外，所有香气系列气味活性值均显著升高（图6D），该趋势持续至转色期，青草香、花香、果香、泥土香、香脂香均显著高于对照组（图6E）。成熟期青草香、果香进一步升高，花香、甜香显著降低（图6F）。

中等耐热品种‘巨峰’：对热胁迫的响应以抑制为主。转色前期多数香气化合物的气味活性值整体下降（图6G），仅转色期出现例外，果香显著升高（图6H），成熟期除脂肪香外，所有香气的气味活性值均显著下降（图6I）。

 

 

研究结论

 

本研究基于全二维气相色谱-飞行时间质谱（GC×GC-TOF MS）分析，系统探究了热胁迫对神悦、巨玫瑰、巨峰3个不同耐热性葡萄品种，在果实发育期间理化特性与挥发性有机化合物（VOC）代谢的影响。

结果表明，葡萄果实基础理化指标对热胁迫的响应，存在显著的品种差异性与发育阶段依赖性。耐热品种“神悦”在整个果实发育期的理化指标波动最小，成熟期与对照组无显著差异。热敏品种“巨玫瑰”和“巨峰”的理化指标在特定发育阶段出现显著变化，但随果实成熟，部分指标呈现向对照组水平恢复的趋势，这说明仅依靠基础理化参数，不足以全面评估热胁迫对果实品质的复杂影响。在挥发性有机化合物代谢层面，不同品种对热胁迫呈现3种截然不同的响应策略：耐热品种“神悦”为“延迟增强型”响应；热敏品种“巨玫瑰”为“过度激活型”响应，中耐热品种“巨峰”为“代谢抑制型”响应。此外，热胁迫显著重塑了葡萄果实的香气组成，3个品种的香气指纹图谱均发生不同程度的重构。其中，“神悦”的香气变化复杂但整体可控，“巨玫瑰”在多个发育阶段的香气强度普遍升高，“巨峰”的香气强度则整体呈下降趋势。

上述结果凸显了基因型、环境和发育阶段三者互作，在决定果实最终风味品质中的关键作用。本研究鉴定出的关键差异挥发性有机化合物，为解析热胁迫下品种特异性香气轮廓变化提供了通路层面的生物学见解，也为开发生物标志物、提升果实品质提供了重要参考。此外，本研究证实了基因型×环境×发育阶段互作的核心重要性。因此，未来在评估气候变化对葡萄品质的影响、制定相应栽培策略时，应充分考虑品种特异性的遗传背景，并重视果实发育过程中阶段特异性的代谢响应。