摘要：近年来，经济的发展，促进我国科技水平的提升。质谱成像是近些年出现的新型分子成像技术，该技术无需复杂的前处理过程，可以直接分析样品组织，实现组织中多种生物分子的结构鉴定和空间分布研究，是一种无标记、非靶向检测方法。质谱成像以其卓越的分子特异性，目前已被广泛地应用于生物医学、药物学以及微生物学等领域，其在食品化学、食品工程及营养学领域也逐渐受到关注，为食品科学的基础研究开启了新的机遇。本文就质谱成像技术在食品科学领域的应用进展展开探讨。
关键词：质谱技术；分子成像；食品分析
引言
食品科学是一门通过应用基础的科学及工程知识来研究食品的化学、物理及生化性质以及食品加工原理的学科。通过对食品的化学、物理等性质的研究，促进食品生产、加工的管理和控制，保证食品的营养品质和卫生质量，促进人体的健康。对食品科学的研究需要食品分析的支持，在近几年的食品分析发展中，由于基于质谱的化学成像技术（MSI技术）具有卓越的分子特异性，已成为食品分析中极具优势的方法，备受广大食品分析研究者的关注。目前MSI技术已逐渐地被应用于食品科学领域，使我们可以从从亚细胞到组织，甚至完整食品尺度范围来详细地了解食品中的生物过程，这为日后的食品科学基础研究开启了新的开始机遇。本文就质谱成像技术在食品科学领域的应用进展展开探讨。
1 MSI概述
1.1 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。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。
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图1 MSI流程图
1.2 质谱成像技术的种类
MSI技术根据电离方式的不同，主要可分为：基质辅助激光解析电离质谱成像（MALDI－MSI）、二次离子质谱成像（SIMS）、解吸电喷雾电离质谱成像（DESI－MSI）。其他一些离子化技术，如空气辅助离子化（AFAI）、表面解吸大气压化学离子化（SDAPCI）、纳米结构启动质谱（NIMS）离子化，因适用于不同分析对象，在MSI分析中也得到应用。
2质谱成像技术优势特色
（1）数据处理量大。质谱成像数据处理过程，包括基线校正，峰值采摘，归一化和光谱对齐。规范化是经常用于MALDI成像强度的，数据归一化可以提高图像质量，但也会产生一定的误差，如，在某些情况下，总离子计数可能会产生误差结果，导致错误的结论。通常适用于喷雾样品并有针对性的质谱成像。
（2）图像识别。在单个的MSI实验的代谢物识别单独的离子图像的原位识别，但是，建立对于离子的鉴别，用于筛选已知/未知的食物代谢产物和污染物。优点包括区分近等压离子的能力，即使有高准确度的分析仪。虽然MS/MS是一种有效的方法，在这些情况下的化合物鉴定，碎片低丰度离子并不总是可能的。进一步加剧峰重叠时，存在于离散的样本区域。作为一个有用的互补的方法，常规的提取、浓缩和分离，能够准确的识别分析物。
（3）结果特征。定量MSI结果提供定性和半定量信息的分子组成的表面特征。一般来说，一个单独的离子图像表示在样品表面上的特定位置的分析物的浓度，如喷涂涂层与基体和MALDI成像参考标准混合物的组织切片，并与纳米设计成像参考标准掺杂喷雾溶剂。利用参考标准以这种方式可以提高定量MSI通过生成和分析的参考标准和图像。
3 MSI在食品科学领域的应用
3.1 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；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，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。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。利用MSI技术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。利用MSI技术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，利用MSI获得了大豆子叶中分子质量在3000～9000Da范围的多个植物蛋白离子的空间分布；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。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。
3.2 对食品中脂质的分析
脂质是生物体内一大类微溶于水、溶于有机溶剂的物质，它的种类和品质的好坏直接影响着食品的风味、质地和颜色。尤其是肉制品，在不良的条件下进行贮藏极易发生氧化。脂质氧化会生成低级脂肪酸、醛、酮等物质，它们具有刺鼻的不良气味，影响肉类的风味、质地、颜色和营养。因此控制和减少脂质氧化是肉类食品科学中研究的重点。传统的分析手段可以实现对脂质含量、分布及氧化程度的分析，但是在脂质提取过程中物质的分布信息会有所缺失，无法达到分子水平。而MSI技术通过添加基质保护促进了样品的电离。首先根据脂质在质谱中的相对丰度，确定出磷脂、甘油三酯和胆固醇为标记物，随后利用MSI技术绘制了脂质氧化降解产物的空间分布图，研究了不同的包装条件（高氧、空气和真空）对牛背最长肌在贮藏期间脂质氧化的影响。
3.3 在碳水化合物分析中的应用
MSI在食品科学中的应用，如碳水化合物，脂肪，抗氧化剂，植物化学物质，氨基酸，肽，蛋白质，以及矿物质，直接与我们的食物的营养和感官价值联系密切，此外可有效分析食品添加剂和污染物的分布，将大大有助于监测潜在的危险因素与未知或已知的污染物在食品中的分布。碳水化合物在大多数食物中占相当大的比例，是人类的共同能源。它们包括不同的有机成分，包括单、双糖、低聚糖、多糖。MSI技术已被用来探索碳水化合物的空间分布。
结语
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。
参考文献
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