受体引导的混合物感官评价：逼近甲基丁香酚气味品质的初步验证

《Foods》：Sensory Evaluation of a Receptor-Guided Mixture Designed to Approximate Methyl Eugenol Odor Quality

　　

摘要 利用替代芳香成分重构目标化合物的气味品质仍是风味科学中的一项挑战，且主要依赖经验性感官评价。作为概念验证，本研究以甲基丁香酚（methyl eugenol）为模型气味分子，探讨了人类嗅觉受体（olfactory receptor, OR）响应模式能否为候选物筛选提供依据。功能性实验证实，甲基丁香酚可激活OR10G7、OR5K1和OR2J2，而其结构类似物丁子香酚（eugenol）则主要激活OR10G7。为弥补甲基丁香酚与丁子香酚之间的受体响应差异，研究人员通过初步感官评价筛选出2,5-二甲基吡嗪（2,5-dimethylpyrazine）和（E,E）-2,4-癸二烯醛（（E,E）-2,4-decadienal），并将其与丁子香酚组合，配制出旨在逼近目标气味品质的混合物（Mix）。在六名评价人员参与的两轮初步探索性评估中，Mix在12次评价人员-轮次观测中有11次被判定为比丁子香酚更接近甲基丁香酚（2-AFC检验）；距离评估结果也呈现相同方向性趋势。Napping与勾选所有适用项（check-all-that-apply, CATA）分析在描述性层面与Mix向甲基丁香酚方向性偏移一致，但气味特征未能完全复现。动态顶空（dynamic headspace, DHS）结合气相色谱-质谱（GC–MS）分析显示，丁子香酚在DHS回收组分中占主导地位。综上，研究结果表明，嗅觉受体响应模式可为缩小候选物筛选范围提供机制性依据，而感官评价则可用于评估所得混合物是否在感知层面逼近目标气味品质。

受体引导的气味重构：以嗅觉受体响应差异为起点设计逼近甲基丁香酚气味品质的混合物

一、研究背景与科学问题

气味重构是风味科学中的核心挑战之一。传统上，利用替代芳香成分再现某一目标化合物的整体气味品质，高度依赖调香师的经验积累与反复的感官评价迭代。尽管这一经验性路径在实践中行之有效，但可供使用的风味原料数量庞大，其可能的组合方式更是难以穷尽，因此难以高效地锁定最优配方。更为关键的是，单纯的感官优化难以揭示"某一混合物为何在感知上接近目标气味"背后的机制性原因。因此，建立一种能够更理性地指导候选化合物筛选的设计原则，对于气味重构研究具有重要的理论与应用价值。

本研究选择甲基丁香酚作为模型气味分子。甲基丁香酚是罗勒和龙蒿等天然精油中的重要苯丙素类成分，具有辛香、丁香样和酚类的特征香气，在食品与香精香料行业中应用广泛。然而，毒理学评估显示甲基丁香酚被美国国家毒理学计划列为"合理预期的人类致癌物"，并被国际癌症研究机构（IARC）列为2A类"可能对人类致癌"物质；此外，欧洲和美国对合成甲基丁香酚直接添加至食品中设有监管限制。因此，利用替代化合物混合物再现甲基丁香酚的气味品质，既是具有商业价值的替代需求，也是理想的模型体系——尤其是甲基丁香酚及其结构类似物丁子香酚的受体响应信息已有报道。

人类嗅觉受体的响应谱为上述设计原则提供了潜在的框架。气味分子与嗅觉受体之间呈多对多的对应关系：单个受体可响应多种气味分子，而单个气味分子可激活多个受体。因此，气味品质至少在部分程度上被认为由跨受体库的组合性活动模式所表征。然而，混合物对受体的响应并非各组分响应的简单加和，拮抗、部分激动及其他受体层面的相互作用均可能显著改变混合物所诱发的整体响应。此类受体层面的相互作用已被证实可改变人类的气味感知，表明嗅觉受体响应模式能够直接贡献于混合物感知，并为个体间及品质间差异提供有用线索。

尽管已有越来越多的人类嗅觉受体响应性食品及风味相关气味分子被鉴定，且受体实验已被用于气味掩蔽及气味分子间相互作用的研究，但鲜有研究直接将受体活性差异作为替代风味混合物组分筛选的起点，并随后通过感官分析与顶空特征对所得混合物进行系统验证。

二、研究目标与总体思路

研究人员提出假设：对于结构相关的气味分子，目标气味分子所诱发、但在其同系物中缺失或较弱的受体活性，可通过添加能够激活相应受体的辅助化合物加以补足。丁子香酚与甲基丁香酚结构相似，且共享主要的辛香和丁香样特征，但两者在感知上仍可区分。在受体层面，甲基丁香酚激活OR10G7、OR5K1和OR2J2，而丁子香酚激活OR10G7，对OR2J2仅表现弱活性，对OR5K1则无确认活性。基于这一受体响应差异，研究人员选择2,5-二甲基吡嗪和（E,E）-2,4-癸二烯醛作为辅助组分，与丁子香酚组合配制重构混合物（Mix），并通过感官评价和顶空分析对混合物进行表征。

三、主要关键技术方法

本研究采用多项关键技术手段。嗅觉受体功能实验采用GloSensor cAMP测定系统，在Hana3A细胞（HEK293T衍生细胞系）中异源表达人源嗅觉受体OR10G7、OR5K1和OR2J2，并辅以RTP1s辅助因子促进受体的细胞表面转运与功能表达，通过荧光素酶发光信号监测受体激活程度。感官评价采用多种方法：视觉模拟量表（visual analog scale, VAS）用于气味强度匹配；二选一强制选择（two-alternative forced choice, 2-AFC）与距离评估用于相似性判定；Napping（投影作图法）结合广义普罗克鲁斯提分析（generalized Procrustes analysis, GPA）用于感官空间构建；勾选所有适用项（check-all-that-apply, CATA）用于气味属性表征。动态顶空（DHS）结合热脱附-气相色谱-质谱（GC–MS）用于分析混合物释放的挥发性组分。感官评价人员由24–54岁的调香师及基础风味研究人员组成，为内部自愿参与者。

四、研究结果

4.1 受体引导的候选组分筛选与混合物感官设计

研究人员首先比较了甲基丁香酚与丁子香酚的嗅觉受体响应谱。结果显示，甲基丁香酚对OR10G7、OR5K1和OR2J2均呈现浓度依赖性响应；丁子香酚对OR10G7响应强烈，但对OR5K1几乎无活性，对OR2J2的活性弱于甲基丁香酚。2,5-二甲基吡嗪主要激活OR5K1，（E,E）-2,4-癸二烯醛则激活OR2J2，这与已有报道的受体配体特异性一致。基于上述受体响应差异，研究人员通过初步感官评价从能够激活OR5K1的吡嗪类和能够激活OR2J2的不饱和醛类中筛选出2,5-二甲基吡嗪和（E,E）-2,4-癸二烯醛，与丁子香酚组合并优化配比，最终形成Mix配方。该策略的独特之处在于以受体响应差异作为候选物筛选的起点，再结合感官评价在候选类别内选择相容的化合物并优化配比。

4.2 呈现强度调整与Mix的初步评价

由于气味品质会随气味强度显著变化，研究人员通过初步VAS评估确定各样品呈现浓度，以尽可能实现等强度条件。经调整后，甲基丁香酚、甲基异丁香酚和丁子香酚的感知强度处于相对接近的范围，而2,5-二甲基吡嗪和Mix的感知强度仍显著高于甲基丁香酚和丁子香酚，残余强度差异在后续结果解读中予以考虑。在2-AFC检验中，Mix在12次评价人员-轮次观测中有11次被判定为比丁子香酚更接近甲基丁香酚；配对距离评估呈现相同方向性模式，Mix在11次观测中被评定为距参考更近。由于六名评价人员各参与两轮测试，观测并非完全独立，结果应视为初步探索性证据。

4.3 Mix气味品质偏移的感官空间与属性分析

Napping结合GPA分析显示，Mix在感官空间中偏离丁子香酚，整体向甲基丁香酚方向偏移，但未与甲基丁香酚完全重合，而是占据介于丁子香酚与异丁香酚之间的中间区域。CATA属性投影显示，丁香、甜、药味、草本和树脂等属性与Mix所在区域相关联，而醛味则远离Mix；辅助组分2,5-二甲基吡嗪和（E,E）-2,4-癸二烯醛各自特征的油味、焙烤、咖啡和可可属性均未出现在Mix附近，表明Mix的气味品质并非各辅助组分特征气味的简单加和，而是体现了构型感知（configural perception）——混合物组分被整合为新的气味对象。CATA热图进一步显示，Mix的醛味属性低于丁子香酚，丁香和甜属性高于丁子香酚，药味接近甲基丁香酚水平，草本、树脂和酚类属性也高于丁子香酚；但土味属性低于甲基丁香酚，表明Mix未完全复现目标气味品质。配对二维置换检验显示，甲基丁香酚与丁子香酚在感官位置上差异显著（Holm校正p = 0.043）；甲基丁香酚与Mix之间未检测到显著差异（Holm校正p = 0.704），但无显著差异并不等同于感官等价；丁子香酚与Mix之间亦未达到统计显著（Holm校正p = 0.081），但Mix的空间位移与描述性Napping和CATA结果所指示的方向性偏移一致。

4.4 Mix的嗅觉受体响应谱与顶空特征

在液相刺激条件下，Mix对OR10G7在较宽稀释范围内呈现相对较强的响应，OR5K1的响应较小且主要在高浓度下观察到，OR2J2在现有实验条件下仅表现弱响应。这表明感官优化后的Mix在受体实验中呈现OR10G7主导的响应模式，未完全复现甲基丁香酚同时激活OR10G7、OR5K1和OR2J2的响应谱。DHS分析显示，Mix中丁子香酚是检测到的主要挥发性组分，相对DHS组成为丁子香酚98.92%、2,5-二甲基吡嗪1.01%、（E,E）-2,4-癸二烯醛0.07%；而液相配方中三者的比例分别为62.50%、37.50%和0.00021%。DHS回收的组分相对分布与液相配方比例存在显著差异，反映了化合物在液-气分配、释放和DHS收集效率方面的差异。尽管Mix在受体实验中呈OR10G7主导模式且DHS中丁子香酚占绝对优势，感官分析仍显示Mix方向性地偏离丁子香酚而趋向甲基丁香酚，提示2,5-二甲基吡嗪和（E,E）-2,4-癸二烯醛即使回收量较小或液相受体响应有限，仍可能对气味品质产生影响。特别是（E,E）-2,4-癸二烯醛具有极低的气味阈值，即使少量释放至顶空也可能产生感知效应。

五、讨论与结论

本研究存在若干局限性。混合物设计所依据的受体集合仅限于OR10G7、OR5K1和OR2J2，无法捕捉甲基丁香酚气味品质背后的完整受体响应模式，这可能部分解释了Mix虽获得多项甲基丁香酚相关特征但未能完全复现其感官全貌（包括土味属性）的原因。异源受体实验无法完全再现天然受体的丰度、细胞表面表达、膜环境或挥发性化合物向嗅觉上皮的递送过程；液相刺激亦未考虑化合物特异性的顶空释放差异。此外，混合物对受体的响应并非各组分响应的简单加和，竞争、抑制和拮抗等相互作用可能改变整体响应模式。气味感知不仅受外周受体活动调控，还涉及梨状皮层及相关脑区的高阶嗅觉加工。尽管如此，甲基丁香酚与丁子香酚之间的受体响应差异为候选物筛选提供了有用的起点：2,5-二甲基吡嗪和（E,E）-2,4-癸二烯醛针对性地补足了丁子香酚在OR5K1和OR2J2组分上的响应缺失，感官评价调整配比后所得混合物的气味品质在描述性层面从丁子香酚向甲基丁香酚方向偏移。然而，由于最终Mix在现有实验条件下仍保留OR10G7主导的响应模式，当前结果并未实现完全的受体层面补足。

研究结论： 本概念验证研究表明，嗅觉受体响应差异可为候选物筛选提供机制性依据，而感官评价则是优化和评估所得混合物所必需的环节。受体响应谱并未直接预测最终配方或其完整气味品质，而是作为缩小候选空间的机制性指南。未来需使用化学多样性更广的气味分子和更全面的受体集合，以确定该方法的普适性。