基于代谢组学的研究揭示了不同采收速度下机器收割的芝麻内部代谢与其储存品质之间的关系

《Food Research International》：Metabolomics-based reveals the relation between internal metabolism and storage quality of sesame harvested by machine at different speeds

芝麻机械化收获速度对存储品质的影响及代谢组学分析，采用代谢组学方法首次系统研究了2000-2900 r/min不同收获速度对芝麻种子氧化稳定性、种皮颜色及品质参数的影响，发现高速（2900 r/min）显著升高酸值（1.96 mg/g）并激活氨基酸、核酸及脂代谢通路，鉴定出16个关键生物标志物。

　　

曲玲瑜|高淑光|龚迪晨|赵静文|胡云轩|朱晓天|张汉哲|刘华敏|苗红梅

河南工业大学食品科学与工程学院及特种油料加工技术研究所，郑州450001，中国

摘要

芝麻的机械化收割可以降低成本并提高效率，但不当的收割方法会导致机械损伤，从而降低种子的储存质量。本研究首次采用基于代谢组学的方法来分析机械收割速度对芝麻储存质量的影响。结果表明，在适当的速度（2000–2200转/分钟）下收割的芝麻，其氧化稳定性和种皮颜色更好。此外，分别通过正离子模式和负离子模式鉴定出1445种和2075种代谢物，包括七类化合物（脂类、碳水化合物、肽类、有机酸、类固醇、维生素和辅因子、核酸等）。值得注意的是，高收割速度（2900转/分钟）主要通过调节氨基酸代谢、核苷酸代谢、脂质代谢和苯丙素生物合成途径加速了芝麻质量的下降（酸值=1.96毫克/克）。本研究为芝麻的机械化收割提供了理论基础和政策指导。

引言

芝麻（Sesamum indicum L.）是一种传统的油料作物，在热带和亚热带地区广泛种植（Jeyaraj等人，2024年）。近年来，芝麻因其高质量的食用油以及丰富的蛋白质、矿物质和维生素而受到重视（Weldemichael等人，2025年）。此外，芝麻籽和芝麻油含有大量的脂肪酸，主要包括油酸、亚油酸、棕榈酸和硬脂酸（Rauf等人，2024年）。

农业劳动力的减少以及农场规模的扩大使得传统的劳动密集型生产方法越来越无法满足现代农业的需求（Zhou等人，2025年）。因此，实现高作物产量和实施机械化管理措施是现代农业生产的重要目标。然而，传统的芝麻果实成熟后会开裂，不适合用于旨在提高产量的机械化收割（Zhang、Chen等人，2024年）。培育不开裂果实的芝麻品种至关重要。美国的芝麻育种家Lamgham培育出了适合机械化收割的芝麻品种，如Sesaco 34–39（Qureshi等人，2022年）。2021年，中国河南省农业科学院的芝麻研究团队成功培育出了两个新的芝麻品种：Yuzhi NS610，具有抗落籽特性；Yuzhi ND837，具有抗开裂特性（Chang等人，2024年）。值得注意的是，机械化收割常常会导致植物组织受损，从而造成养分流失和质量下降（Kumari等人，2023年）。这种现象在芝麻籽中也有观察到。因此，解决机械化收割过程中对芝麻籽的机械损伤问题是一个亟需解决的挑战。

通过机械化手段收获的油料作物的质量受到收割速度的显著影响。Wang等人（2024年）提出，根据赫兹理论，机械化收割辣椒时的旋转速度会影响损伤率和茎秆脱落率。Zhu等人（2024年）通过仿生技术和静态分析研究了仿生松土辊的平均旋转速度和收割设备的平均前进速度对向日葵种子损失率和脱落率的影响。因此，研究收割速度对芝麻储存质量的影响至关重要。此外，芝麻储存质量的变化不仅与外部因素有关，还与其内部代谢物的变化有关。近年来，代谢组学方法已被有效地用于鉴定、定量和分析油料作物中的代谢物谱型，包括花生（Nasiru等人，2025年）、大豆（Xia等人，2025年）、Brassica napus油菜籽（Zhang、Lv等人，2025年）和假亚麻籽（Drabinska等人，2024年）。因此，利用代谢组学方法可以探索不同收割速度下收获的芝麻籽的代谢物谱型。此外，差异代谢物可作为区分不同样本的潜在生物标志物。现有研究主要集中在传统芝麻上，而关于不同收割速度下芝麻内部代谢与储存质量之间关系的信息仍然有限。

本研究的主要目的是揭示不同收割速度下机械收割的芝麻籽储存质量的变化。同时，也收集了手工收割的芝麻籽作为对照。此外，还将分析与差异代谢物相关的代谢途径，以阐明机械损伤在芝麻籽质量下降中的作用。

材料

材料

2024年10月，从中国河南省周口市农业科学院的试验田（33°63′N，114°64′E）收获了芝麻（Yuzhi ND837）。使用的收割机为Kubota Pro688Q，收割速度分别为2000、2200、2500和2900转/分钟。此外，还收集了手工收割的芝麻样本作为对照组。本研究中的所有化学试剂均为分析级（脂肪酸组成和代谢组分析除外）

芝麻质量

发芽潜力和发芽率是评估种子活力的重要指标。结果表明，储存180天的芝麻（2900转/分钟）的发芽潜力（91±2%）和发芽率（76±6%）显著降低（图1A-B）。这一发现与Nadimi等人（2024年）的研究结果一致，他们发现机械力的增加与亚麻籽的机械损伤增加和发芽率下降有关。

结论

总之，适当的收割速度对机械收割的芝麻的储存质量至关重要。此外，本文还整理并展示了收割速度对芝麻代谢物和代谢途径的机械损伤影响的相关信息。鉴定出16种代谢物作为关键生物标志物，反映了不同收割速度下芝麻储存质量的变化。其中，3,4-二羟基扁桃酸、咖啡酸和阿魏酸等代谢物的变化尤为显著。

CRediT作者贡献声明

曲玲瑜：撰写——初稿、可视化、数据分析、概念化。高淑光：资源获取、调查、概念化。龚迪晨：验证、数据分析。赵静文：验证、调查。胡云轩：验证、数据分析。朱晓天：验证、调查。张汉哲：调查、数据分析。刘华敏：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。苗红梅：

未引用参考文献

Jeyaraj和Beevy，2024年

Rahemizadeh和Gholami，2025年

Zhang等人，2025年

Zhang等人，2024年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究的资金支持来自中国河南省科技重点项目（251100110100）、中国农业部和农业农村部的农业研究系统（CARS-14-1-29）以及中原地区青年拔尖人才****（2023Liuhuamin）。