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为探究香气化合物结构与气味阈值关系，研究人员结合 S 曲线分析、分子对接和分子动力学（MD）模拟展开研究。结果发现气味阈值与结合能无关但与结构变化有关，且氢键稳定性和受体构象灵活性影响阈值。该研究为风味设计提供理论依据。
在美食的世界里，香气是至关重要的一部分。人们能够分辨出食物中多种多样的挥发性气味，这主要归功于嗅觉上皮中的嗅觉受体与各种气味分子之间的相互作用。这些相互作用将化学信号转化为电脉冲，传递到大脑，从而让人们识别和区分不同的气味。然而，目前人类虽然已经确定了 391 种具有生理作用的嗅觉受体，但对它们与配体（气味分子）之间相互作用的全面理解仍然有限。自 1991 年 Buck 和 Axel 开启了对嗅觉受体传感机制和去孤儿化的探索以来，已确定配体的嗅觉受体数量仅约 80 种。此外，在众多已识别的食物气味分子中，有一些分子结构高度相似，但人类却能在强度和类型上清晰分辨它们的气味。比如，乙基香草醛的风味强度是香草醛的四倍。因此，探索结构相似气味分子的风味强度差异，对于食品工业制造和食品添加剂的合理应用具有重要意义。
在这样的背景下，河南工业大学的研究人员开展了一项旨在揭示食物香气分子结构与气味阈值关系的研究。研究人员通过一系列实验和分析，得出了诸多重要结论，这些结论为理解气味感知机制提供了理论支持，也为食品风味设计和感官调制策略奠定了基础，该研究成果发表在《Current Research in Food Science》上。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先是感官评价，由 7 名经过训练且经验丰富的专家组成小组，通过三择一强制选择（3-AFC）程序，使用乙醇稀释不同浓度的气味物质，测定嗅觉阈值，并通过 S 曲线拟合确定最终阈值。其次是分子对接，利用 AutoDockTools 1.5.6 软件对蛋白质和小分子配体进行处理，设定对接参数，最终获得蛋白质 - 配体复合物的结合能等信息。最后是分子动力学（MD）模拟，借助 GROMACS 软件包和 CHARMM36m 力场，构建模拟体系，对蛋白质 - 配体复合物进行模拟，分析根均方偏差（RMSD）、根均方波动（RMSF）、氢键和回转半径（Rg）等参数，以探究结合模式。
下面来看具体的研究结果：
- 关键风味成分阈值的测定：研究人员选取了具有烟熏、烤坚果、花香、香料和酸味等典型气味的 10 种化合物，如愈创木酚、4 - 乙烯基愈创木酚、乙酰吡嗪等。通过 S 曲线法实验结果显示，不同化合物的阈值差异明显。例如，具有烟熏香气的愈创木酚阈值为 6.58μg/mL，4 - 乙烯基愈创木酚为 0.42μg/mL，双键的存在在一定程度上增强了 4 - 乙烯基愈创木酚的芳香强度；丁香酚阈值为 0.026μg/mL，异丁香酚为 0.11μg/mL，二者仅双键位置不同，但阈值差异显著，表明气味成分结构的微小差异会导致感官体验的巨大不同；苯乙醇阈值为 1.1μg/mL，苯乙醛为 0.57μg/mL，醛基结构影响了二者的氢键形成能力，进而导致阈值不同；丁酸阈值为 9.67μg/mL，戊酸为 0.67μg/mL，碳链长度的变化影响了配体与受体的结合以及疏水作用力，最终改变了气味分子的阈值。
- 关键风味成分的分子对接：研究人员对选定的气味分子与相应的嗅觉受体进行分子对接。结果显示，气味分子与受体的结合能在 -5.28kcal/mol 至 -2.74kcal/mol 之间，表明二者有较强的结合能力。如 4 - 乙烯基愈创木酚与 OR10G4 的结合能高于愈创木酚，可能是末端乙烯基的疏水作用增强了结合；2 - 乙酰吡嗪与 OR5K1 结合时，通过 THR - 109 形成氢键，2,3 - 二乙基 - 5 - 甲基吡嗪则与 SER - 203 形成氢键，二者结构差异导致结合模式不同；丁香酚和异丁香酚与 OR5D18 的结合亲和力相近，但双键位置的改变使异丁香酚的结合特异性发生变化，不再与 SER - 183 相互作用，而是与 TYR - 260 形成氢键；苯乙醇氧化为苯乙醛后，失去了与 OR2AG2 上 TYR - 278 形成氢键的能力，结合构象改变；丁酸和戊酸与 OR51E1 结合时，戊酸结合能略高，且二者羧酸基团取向不同，导致结合构象和氢键形成位点完全不同。综合来看，气味分子的微小结构变化会导致与嗅觉受体的结合模式发生显著改变，且结合能与气味阈值之间没有明显的相关性。
- 关键风味成分的分子动力学模拟：对 10 种关键气味分子与嗅觉受体形成的复合物进行 20ns 的分子动力学模拟。结果表明，4 - 乙烯基愈创木酚与 OR10G4 结合时，形成的氢键数量多于愈创木酚，且使受体构象更灵活，导致其气味阈值更低；2 - 乙酰吡嗪与 OR5K1 结合过程中形成的氢键数量多于 2,3 - 二乙基 - 5 - 甲基吡嗪，且其气味阈值更低；丁香酚在模拟前期形成的氢键数量多于异丁香酚，诱导的受体构象更灵活，所以丁香酚的气味阈值更低；苯乙醛与 OR2AG2 形成的氢键数量多于 2 - 苯乙醇，这可能是苯乙醛气味阈值更低的原因；戊酸与 OR51E1 结合时，使受体构象更灵活，尽管二者形成的氢键数量相近，但戊酸的气味阈值更低。总体而言，气味分子的气味阈值与它们形成的氢键数量以及赋予嗅觉受体的构象灵活性密切相关，氢键数量增加和回转半径增大与较低的嗅觉阈值相关，反之则与较高的阈值相关。
在研究结论和讨论部分，研究人员通过 S 曲线法确定了 10 种关键食物气味分子的气味阈值，并结合分子对接和分子动力学模拟揭示了这些阈值与结合机制之间的关键联系。分子对接表明气味分子的微小结构变化会引起与嗅觉受体结合模式的显著改变，这种构象变化是阈值变化的关键调节因素。分子动力学模拟进一步证实了气味阈值与气味分子的氢键形成能力以及受体蛋白的构象灵活性密切相关。这些发现为预测气味感知机制提供了理论基础，也为食品风味工程中的合理风味设计提供了有力的理论支持，有助于食品行业开发出更符合消费者需求的产品，提升食品的风味品质。
