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本文提出食品空间风味代谢组学（FSFM）框架，利用MALDI-MSI等技术解析风味物质的空间异质性及迁移规律，揭示四类核心空间组织模式，并针对技术瓶颈提出发展路径，推动风味科学从均质分析转向空间机制研究。
王亚东|王曦然|王颖|徐坤丽|董静|杨晓春|张晓丽|王蓓
北京工商大学食品与健康学院，中国北京100048
摘要
风味形成和表达表现出显著的空间异质性。然而，传统的基于均质化的方法会掩盖组织结构，从而限制了对机制的理解。本文将“食品空间风味代谢组学”（FSFM）定义为一个以空间变量为中心的操作框架。在FSFM中，如基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）等成像技术为阐明前体物质的定位、迁移梯度及共定位模块提供了不可或缺的证据。通过整合不同食品系统的数据，我们发现了共同的空间模式：界面富集、梯度迁移、功能共定位以及加工引起的重塑。尽管取得了这些进展，挥发性成分的损失、基质效应以及定量重复性仍然是关键瓶颈。因此，我们提出了方法学决策规则，明确了何时应优先选择空间成像技术，何时应将其与传统分析方法结合使用。通过将技术能力与应用场景相匹配，本文为FSFM从一个概念性倡议转变为标准化研究范式提供了结构化的路线图。
引言
风味质量是评估食品质量的关键指标（Lawless, 1991; Li et al., 2024）。风味不仅包括味觉属性和嗅觉特征，还与质地和口腔感觉相互作用，共同塑造消费者的整体体验（Hu, Badar et al., 2024）。随着食品行业向个性化、功能增强和数字化方向发展，精确阐明风味形成机制和进行有针对性的调控已成为食品科学的前沿课题。然而，传统的风味分析技术主要关注整体成分的定性和定量分析，忽视了食品基质中化学分子的空间异质性。这一空间维度对于揭示风味形成的动态过程至关重要，但在传统分析方法中长期被忽视。
传统的风味分析主要依赖于色谱-质谱技术，如气相色谱-质谱（GC-MS）用于挥发性化合物，液相色谱-质谱（LC-MS）用于非挥发性物质，以及气相色谱-嗅觉仪（GC-O）结合感官评估，还有电子鼻或电子舌等仪器方法（Jiao Wang et al., 2024a, 2024b; Wang et al., 2020; Yang et al., 2021; Yang et al., 2025）。这些技术可以识别食品中的风味化合物，并通过化学计量方法建立成分与感官属性之间的关联模型，显著提升了风味分析的能力（Dong et al., 2024）。但这些方法有一个共同的限制：样品通常需要在分析前进行破坏性预处理，如粉碎或均质化。这一过程会消除样品中分子的原始空间信息，得到的结果仅代表平均化学组成。这种“平均化”不仅掩盖了关键风味化合物的精确生物合成位置，还掩盖了加工过程中分子迁移和转化的真实时空轨迹，更严重的是，可能会错误地描述实际的感官体验，而感官体验往往是由局部高浓度热点决定的。因此，仅依赖传统方法会限制我们对风味形成机制的理解，无法实现真正精确的调控。为了克服这一认识论障碍，食品科学迫切需要一种能够在原位分析风味化合物的同时保持样品原始空间结构的新研究范式。
“食品空间风味代谢组学”（FSFM）正是为应对这一挑战而出现的。它不仅仅是将风味组学和空间代谢组学简单结合，而是一个以空间变量为中心的操作研究框架，旨在解决传统基于均质化方法无法解决的科学问题。其核心是利用空间分辨技术，如质谱成像（MSI），来可视化风味化合物的原位分布，从而提供关于物质合成位置、迁移路径及相互作用的基本见解。质谱成像（MSI）已成为空间风味代谢组学的基石（Ma et al., 2023; Zou et al., 2022）。MSI的离子化源包括二次离子质谱（SIMS）、解吸电喷雾电离（DESI）和基质辅助激光解吸/电离（MALDI）（Yang et al., 2023）。这些技术都能提供空间信息，但由于技术原理不同，它们在食品风味分析中各有侧重（表S1）。SIMS可实现亚微米级的空间分辨率，特别适合成像无机离子；但其高能离子束容易破坏大分子结构，不利于识别复杂风味前体的结构。DESI作为一种环境电离技术，在常压下无需额外基质，适用于检测半挥发性香气成分，但其空间分辨率通常较低，不足以清晰分辨食品微结构中的代谢物梯度。近年来，为了结合不同技术的优势，混合DESI-MALDI双源系统开始被用于分析复杂基质，试图实现高覆盖率和检测挥发性成分的能力。在目前可用的单一技术中，MALDI-MSI在空间分辨率、分子量覆盖范围和灵敏度之间取得了最佳平衡。它不仅能稳定检测小分子风味物质（如有机酸和糖类），还能分析较大分子前体（如脂质和肽类），使其成为揭示食品组织异质性和风味代谢机制的首选工具（图1）。
因此，本文旨在将FSFM确立为一个以空间变量为中心的操作研究框架。重点介绍MALDI-MSI的关键作用，提出方法选择决策规则和核心要素清单；总结四种常见于不同食品系统的空间模式：界面富集、梯度迁移、共定位和加工引起的重塑；系统分析四个主要技术瓶颈：基质干扰、样品制备、数据整合以及成本/通量权衡；并提出标准化预处理、高速成像、多模态融合和高分辨率成像的优先发展路径。通过构建涵盖概念框架、模式发现、瓶颈分析和战略规划的逻辑闭环，本文旨在推动FSFM从单纯的技术应用向问题驱动的标准化研究范式转变。
部分摘录
MALDI-MSI技术创新及其在食品风味研究中的适用性分析
FSFM并非旨在取代传统风味组学，而是一个为解决特定科学问题而建立的操作研究框架。其核心目标是阐明空间异质性如何影响食品风味的形成、迁移和感知机制，主要适用于具有显著结构或成分梯度的异质性食品系统。为了明确FSFM的范围和价值，本文首先系统地阐述了...
MALDI-MSI揭示的食品风味核心空间组织模式
食品风味的形成不仅取决于化合物的种类和浓度，还深受其在复杂食品基质中空间分布模式的影响。然而，阐明这种空间异质性的价值是有明确界限的；具体来说，FSFM的研究范式主要适用于异质性系统。当食品基质表现出显著的空间异质性时，空间分析维度就变得必要...
MALDI-MSI在食品风味研究中的关键挑战和瓶颈
尽管MALDI-MSI为解码食品风味的空间奥秘提供了强大工具，但其实际应用面临一系列由食品系统固有复杂性带来的严峻挑战（Sun et al., 2024b）。这些挑战不仅仅是技术限制，它们是阻碍食品空间风味代谢组学从描述性表型学到机制理解的核心障碍。本节系统地分析了这些技术问题...
MALDI-MSI技术未来发展的优先路径：从应对挑战到实现突破
为了系统克服上述技术瓶颈并最终填补食品空间风味代谢组学研究中的知识空白，未来的进展必须遵循一条路径明确、优先级明确的问题驱动策略。本节基于对每个挑战的紧迫性、潜在技术解决方案的可行性及其预期科学影响的全面评估，旨在制定可行的发展路线图。
结论
食品风味的形成和感知本质上是一个具有动态性和异质性的三维空间过程。传统风味分析依赖于样品均质化，虽然能够实现高灵敏度检测和准确量化，但未能保留化合物的原始空间信息。这一根本限制是实现精确风味调控的主要认知障碍。FSFM的提出正是为了解决这一问题...
CRediT作者贡献声明
王亚东：撰写——初稿，研究，资金获取，正式分析。王曦然：方法学，研究，数据管理。王颖：研究，数据管理。徐坤丽：指导，方法学。董静：撰写——审稿与编辑，指导，方法学。杨晓春：指导。张晓丽：指导。王蓓：撰写——审稿与编辑，指导，方法学，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了北京工商大学食品与健康学院2025年优秀博士论文培养计划项目以及国家自然科学基金（项目编号：32572740）的支持。
