《Food Chemistry》：Revealing the key flavor components of Pixian
Doubanjiang by molecular sensory science and flavor omics approaches and the interactions among flavor substances by quantum chemistry calculation
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本研究通过风味组学技术结合量子力学方法，系统检测了不同发酵阶段 doubanjiang 的挥发性成分，利用电子鼻和 OPLS-DA 模型有效区分了样品，并基于 OAV 分析确定了关键芳香成分（岩兰草酚、苯乙醛等），其中乙基苯乙酸酯为核心成分。首次采用 DFT 研究分子间相互作用，揭示了电负吸附机制维持风味稳定性的原理，为风味调控提供预测框架。
Zhiluo Que|Ling Ao|Jiangping Yang|Yao Jin|Shan Zeng|Caihong Shen|Xiaojuan Shen|Suyi Zhang|Rongqing Zhou|Chongde Wu
四川大学生物质量科学与工程学院，成都610065，中国
摘要
识别豆瓣酱中的特征性挥发性化合物对于香气分析具有重要意义。在本研究中，利用风味组学技术和量子力学系统地检测了不同发酵阶段郫县豆瓣酱的风味成分。结果表明，电子鼻结合OPLS-DA模型能够有效区分不同发酵阶段的样品。基于OAV分析，鉴定出芳樟醇、苯乙醛、乙基苯乙酸酯、乙基癸酸酯、苯乙醇和甲基亚油酸酯是关键的风味成分，其中乙基苯乙酸酯被认为是核心香气成分。随后，首次采用密度泛函理论（DFT）在分子水平上探讨了豆瓣酱风味物质之间的相互作用，发现乙基苯乙酸酯通过静电吸附与其他风味物质相互作用达到稳态。这些结果阐明了豆瓣酱风味的核心成分及其分子结合机制，展示了DFT作为风味调控预测框架的潜力。
引言
郫县豆瓣酱是四川菜中不可或缺的发酵调味品，被誉为“四川菜的灵魂”，其历史超过300年（Li等人，2022年）。由于其独特的制作工艺和风味，豆瓣酱在东南亚广受欢迎，并被广泛用作传统的中国发酵调味品（Que等人，2023年）。豆瓣酱的香气生成是一个复杂的过程。一般来说，发酵食品中的香气成分主要来源于原材料、微生物代谢以及酶促或非酶促反应（Que等人，2023年）。豆瓣酱的香气是一个复杂的系统，其整体质量是由多种挥发性化合物的协同作用决定的，而非单一成分。迄今为止，已在豆瓣酱中鉴定出数千种香气成分。鉴于豆瓣酱中挥发性化合物的数量众多，确定对其特征风味起关键作用的关键化合物仍然是一个重要的研究挑战（Liu等人，2022年）。因此，识别豆瓣酱中的特征性挥发性化合物对于全面进行香气分析和质量评估具有重要意义。Lu等人（Lu等人，2019年）采用多元统计分析方法鉴定出豆瓣酱中的69种关键风味成分。其中，壬烯醛、(E)-2-壬烯醛和3-甲基-1-丁醇主要来源于“醅坯”阶段，而1-辛烯-3-醇主要来源于“豆瓣”阶段。芳樟醇和乙基癸酸酯的形成与“醅坯”阶段的发酵有关，而苯乙醇、苯乙醛和乙基异丁酸酯的形成则与“豆瓣”阶段的发酵相关（Lu等人，2019年）。
豆瓣酱具有丰富而复杂的风味特征。其风味成分主要是含量较低的小分子物质。现有的仪器检测方法无法直接获得风味分子之间的相互作用。因此，有必要通过模拟方法在分子水平上分析风味物质之间的相互作用，这对于揭示豆瓣酱的风味机制具有重要意义。量子化学作为现代化学的核心理论体系，基于量子力学的基本原理。密度泛函理论（DFT）因其计算精度和效率之间的良好平衡而成为最广泛使用的理论工具。它通过电子密度的分布重建分子系统的能量特性，不仅大大简化了问题的复杂性，还能准确预测分子轨道和电荷分布等关键参数（Capelle，2006年）。DFT已应用于食品领域，Li等人（Li, Prejanò, Toscano和Russo，2018年；Li, Prejanò, Toscano和Russo，2019年）计算了葡萄酒中花青素与多酚之间的相互作用，并确认分子间通过氢键形成的三维网络结构是维持系统稳定性的关键。
本文利用多组学技术（电子鼻、GC × GC-TOF-MS、GC–MS）和量子力学系统地检测了不同发酵阶段豆瓣酱的风味成分，以揭示其风味特征、关键风味物质、风味物质的动态变化及其分子间相互作用。
样本收集
豆瓣酱的生产主要使用辣椒（Capsicum spp.）、蚕豆（Vicia faba）、小麦粉和盐作为原料。通过将带壳的蚕豆和小麦粉接种Aspergillus oryzae来制备曲霉。这种曲霉在30°C下进行16–18% NaCl的盐渍发酵3–6个月，从而得到豆瓣（Banpei）。同时，新鲜辣椒被切碎并与盐（16–18% NaCl）混合，在室温下自然发酵1–6个月以制成豆瓣酱。
风味特征
电子鼻用于快速表征豆瓣酱的香气特征。该仪器通过模拟嗅觉感知客观地区分复杂的挥发性物质，提供了规避人类感官评估主观性的香气指纹图谱（Li, Wang等人，2024年）。传感器响应差异定量反映了不同发酵阶段挥发性化合物成分的变化，这些变化通过雷达图分析可视化。
结论
通过多相检测方法（电子鼻、GC × GC-TOF-MS、GC–MS）和分子模拟，揭示了豆瓣酱的风味特征、关键风味物质、风味物质的动态变化及其稳定机制。电子鼻结合OPLS-DA模型有效区分了不同发酵阶段的样品，其中W5S（氮氧化物）和W1W（硫化物）传感器是关键差异标志物。GC × GC-TOF-MS鉴定出236种挥发性化合物。
CRediT作者贡献声明
Zhiluo Que：撰写——初稿。
Ling Ao：数据整理。
Jiangping Yang：形式分析。
Yao Jin：方法学研究。
Shan Zeng：资源获取。
Caihong Shen：资源管理。
Xiaojuan Shen：软件使用。
Suyi Zhang：资源管理、方法学研究。
Rongqing Zhou：方法学研究。
Chongde Wu：撰写、审稿与编辑、资金申请。
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结果。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（32272280）、四川固态酿造技术创新中心（GNLMSQ2024037）以及四川省科学技术厅（2023ZHJY0022）的财政支持。
