花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim.）炒制过程中化学组成、香气与色泽的协同变化及相互关系：基于L*、a*、ROAV与OR1A2分子模拟的多维解析

《Food Chemistry: X》：Synergistic changes and interrelationships among chemical composition, aroma, and color during the stir-frying of Sichuan pepper ( Zanthoxylum bungeanum maxim.)

　　

炒制4–5 min可平衡花椒（Sichuan pepper）的香气、色泽与生物活性成分（bioactives）。L^*值与黄酮类（flavonoids）/多酚类（polyphenols）相关，可作为视觉质量指标。d-Limonene（ROAV=100）作为关键香气驱动物，与OR1A2形成稳定复合物。总黄酮（total flavonoids）和桉叶油醇（eucalyptol，VIP>1）驱动香气–色泽协同。桉叶油醇在3 min后急剧下降，可作为热加工标志物（thermal marker）。

论文解读：

花椒为芸香科花椒属植物干燥成熟果皮，原产中国，兼具药用、食用和调味用途，其风味和色泽是食品加工品质的重要决定因素。中国药典规定炒制花椒应炒至产生特征香气。炒制可去除生青味，激发并增强麻香风味，同时改善色泽。既有研究多集中于炒制对挥发性成分、麻味物质、香气或色泽等单一指标的影响，缺乏对化学组成、香气、色泽和感官品质之间协同变化及相互关系的系统研究。挥发性成分是香气形成的物质基础，其氧化分解可能影响色泽；黄酮和多酚既可作为抗氧化物质，又可作为重要色素影响色泽，并可能参与挥发性成分的形成或转化。因此，研究人员旨在阐明炒制过程中上述指标的动态变化及相互关系，识别导致品质变化的关键成分，确定适宜炒制窗口，并评价L^*和a^*作为品质变化视觉指标的潜力。该研究通过整合化学、感官和仪器分析，为全面理解花椒炒制品质转化提供依据。

关键技术方法（约250字）：研究人员以陕西韩城来源花椒（陕西兴盛德药业有限公司，批号20251201）为样本，经Changli Wang教授鉴定。采用电陶炉120 °C平炒，按1 min间隔取样，并与传统铁锅明火“炒至香气”对比。主要方法包括色差仪测定L^*、a^*、b^*及ΔE；扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）观察表面形态；电子鼻（electronic nose，E-nose）分析；顶空（headspace，HS）气相色谱–质谱联用（gas chromatography–mass spectrometry，GC–MS）测定挥发物并计算相对气味活度值（relative odor activity value，ROAV）；分子对接与分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟；高效液相色谱–紫外检测（high-performance liquid chromatography–ultraviolet，HPLC–UV）测定非挥发性成分；总黄酮、总多酚及DPPH（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）、ABTS、超氧阴离子、羟自由基清除能力测定；感官评价；以及方差分析、Spearman相关、偏最小二乘回归（partial least squares regression，PLSR）和变量投影重要性（variable importance in projection，VIP）分析。

研究结果如下。3.1 外观和粉末形态：随炒制时间延长，花椒果皮由亮红色逐渐加深，1–3 min表面出现油亮光泽，4–6 min转为红棕色，7 min后部分边缘焦化，10 min呈深棕并带焦味。SEM显示未炒花椒表面较光滑、蜡质层完整；3 min时蜡质层熔化破裂，出现微孔和少量油释出；5 min时表面结构明显塌陷、孔增多，可能有利于挥发性成分释放；8 min出现焦化碎片。结果表明适度炒制破坏蜡质屏障并促进挥发物释放，过度炒制导致组织劣变和焦味。3.2 色泽值：L^*持续下降，a^*先升高并于5 min达峰后下降，b^*全程下降，ΔE呈相应变化。4–6 min色泽转为深红棕，10 min接近焦暗。L^*持续下降和a^*转折表明5 min后褐变加剧，可能与美拉德反应、焦糖化及酚类氧化聚合有关；a^*可作为特征红色损失敏感指标。聚类分析和主成分分析将样品分为0–2 min、3–6 min、7–10 min，对应欠炒、适度炒制和过炒。3.3 电子鼻响应：未炒样品响应较弱，以S6（醇、醚、酸敏感）和S10（含氮化合物敏感）为主。1–3 min芳香类和氮氧化物传感器响应增加，4–6 min达到最大，7 min后下降；主成分分析PC1贡献78.2%，0–2 min与3–10 min明显分离，5 min和7 min也可区分。结果表明炒制时间强烈影响香气相关传感器响应。3.4 感官评价：早期至中期香气和滋味评分增加，长时间加热后香气和色泽评分下降，焦味评分明显降低，表示焦味增强。层次聚类分析将样品分为0–7 min、8–9 min和10 min，PCA累计解释99.2%方差。感官结果与仪器分析一致，4–6 min为有利香气和滋味形成的重要转变阶段。3.5 GC–MS分析：共鉴定26种挥发性化合物，包括单萜、醇、酯、倍半萜、醚/氧化物和酮。未炒样品中sabinene、(+)-limonene、eucalyptol、myrcene和4-thujanol较丰富，单萜占主导。多数单萜先升后降，(+)-limonene、α-pinene、sabinene和myrcene在0–2 min略增，3 min下降，4–5 min再达峰，6 min后下降。桉叶油醇在3 min后急剧下降并保持低水平，热敏感性较高，可作为监测炒制程度的潜在化学标志物。醇类中linalool持续下降，4-thujanol下降84.1%，可能与蒸发、氧化及酸催化水合/脱水重排有关。3.6 ROAV分析：未炒花椒中鉴定15种关键香气成分，β-terpineol相对贡献最高（ROAV=100），其次为(+)-limonene（70.04）、linalool（61.69）和eucalyptol（50.85）。1–2 min β-terpineol仍最高，3 min起(+)-limonene成为最高相对贡献者（ROAV=100）。linalool从61.69降至5 min的35.13；eucalyptol从3 min的62.62降至4和5 min的12.20和10.91，6 min又升高；myrcene全程ROAV≥1，范围22.46–37.01。关键香气成分数量保持15–16种，辅助修饰成分4–6种。5 min时(+)-limonene主导，β-terpineol、linalool、myrcene等仍保持较高ROAV，表明香气轮廓处于明显转变阶段。8–10 min香气活性成分进一步重构。结果表明炒制改变各挥发物的相对贡献，而非简单降低总体香气强度。3.7 分子对接和动力学模拟：基于ROAV、半定量含量和香气重要性选择7种关键香气化合物，与7种嗅觉受体进行分子对接，结合能为?4.646至?7.317 kcal/mol。(+)-limonene与OR1A2结合能最低（?7.317 kcal/mol），主要与Ala108、Tyr276和Phe206形成疏水作用，Tyr258与limonene形成π–σ作用。100 ns MD模拟显示复合物约20 ns趋于平衡，RMSD较低，核心区RMSF低，Rg在2.08–2.20 nm波动，自由能景观存在多个低能簇，支持(+)-limonene–OR1A2复合物构象稳定。OR1A2为人类嗅觉受体家族中广泛调谐成员，可被多种萜类激活。该结果为limonene对花椒整体香气的突出贡献提供了分子层面解释，并提供潜在受体靶点。3.8 非挥发性成分：水分随炒制下降，因此非挥发性成分按干重表示。未炒样品总黄酮（以芦丁当量RE计）和总多酚（以没食子酸当量GAE计）分别为243.43和205.38 mg/g DW。总黄酮在炒制早期至中期升高，5 min达297.96 mg/g DW，10 min降至254.30 mg/g DW；总多酚持续下降，5 min为160.38 mg/g DW，10 min为150.23 mg/g DW。羟基-β-山椒素和羟基-α-山椒素均在5 min达最大，分别为7.47和7.58 mg/g，10 min降至5.23和5.16 mg/g。xanthoxylin在6 min达最大54.02 mg/g，后降至25.89 mg/g；rutin在5 min达最大8.05 mg/g。聚类和PCA将未炒、1–8 min适度炒制和9–10 min过炒分开。结果表明各非挥发性成分热响应不同，5 min是麻味相关成分显著下降前的重要组成转变点。3.9 抗氧化活性：四种抗氧化指标均先升后降，并在5 min达峰。羟自由基清除率从33.80%升至65.73%；DPPH清除率升至44.13%；超氧阴离子清除活性达315.00 U/L，较未炒增加约28.6%；ABTS自由基阳离子清除能力升至0.881。5 min后各指标下降，10 min显著低于未炒。适度炒制提高抗氧化活性，可能与美拉德反应产物积累和酚类物质热释放有关；长时间高温导致抗氧化能力下降，支持5 min作为质量保持参考时间。3.10 化学组成、香气与色泽相关性：基于22个质量参数的聚类分析将不同炒制时间分为三簇：0 min和2 min为早期，4、5、7、8 min为中期，1、3、6、9、10 min为后期，表明品质转化非线性。PCA前两个主成分累计解释82.1%方差。PLSR以颜色参数和关键香气ROAV为响应变量、挥发性和非挥发性成分为预测变量，VIP>1的7个成分包括总黄酮、总多酚、eucalyptol和gallic acid等，这些成分在0–5 min保持较高水平并随后同步下降，而焦化产物VIP在后期升高。Spearman相关显示，L^*与总黄酮负相关（r=?0.61，P<0.05），与总多酚正相关（r=0.95，P<0.001），与gallic acid正相关（r=0.96，P<0.001），与5-HMF负相关（r=?0.86，P<0.001）；a^*与羟基-α-山椒素、xanthoxylin和羟基-β-山椒素正相关，并与羟自由基清除率、DPPH清除率、超氧阴离子清除活性和ABTS能力正相关。感官色泽与香气、滋味高度相关，感官香气与xanthoxylin和ABTS能力高度相关，感官滋味与羟基-α-山椒素高度相关。综合表明化学组成、香气、色泽和感官感知在炒制中发生协同转化，4–5 min可作为标准化生产的参考加工窗口。

讨论部分与结果合并，核心结论为：炒制时间显著影响化学组成、香气和色泽，品质转化呈非线性；L^*与总黄酮和总多酚显著相关，支持其作为质量变化视觉指标，a^*与麻味相关成分和抗氧化活性正相关；PLSR识别出7个VIP>1的关键协同贡献者参与颜色–香气协同变化。通过色度、电子鼻、HS-GC–MS、HPLC–UV、抗氧化测定、感官评价及分子对接和动力学模拟整合，研究提供了表征炒制协同品质变化的多维框架。

研究结论翻译：本研究系统表征了花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim.）炒制过程中化学组成、香气与色泽的动态变化及相互关系。炒制时间显著影响这三个属性，品质转化呈现非线性特征。L^*值与总黄酮和总多酚显著正相关，支持其作为质量变化视觉指标的潜力，而a^*与麻味相关成分和抗氧化活性正相关。PLSR识别出7个参与颜色–香气协同变化的关键协同贡献者（VIP>1）。通过整合比色法、电子鼻分析、HS-GC–MS、HPLC–UV、抗氧化测定、感官评价以及分子对接和动力学模拟，本研究为表征炒制过程中协同质量变化提供了多维框架。综上，所测指标的协同变化支持将4–5 min作为基于综合质量指标的参考加工窗口，而不是仅依据任何单一仪器测量来定义香气质量。