丹桂（Camellia sinensis）乌龙茶加工过程中关键香气化合物动态变化及其嗅觉感知的初步解析

《Food Chemistry: X》：Dynamic changes in key aroma compounds during the processing of Dangui ( Camellia sinensis) tea and the preliminary exploration of its olfactory perception

　　

丹桂（Camellia sinensis）是适于加工乌龙茶的优良品种，但其加工过程中挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）的动态变化仍不明确。研究人员采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（headspace solid-phase microextraction-gas chromatography–mass spectrometry, HS-SPME-GC–MS）探究丹桂加工过程中VOCs的动态变化。结果表明，酯类在萎凋期间短暂积累，随后逐渐下降；萜类总体上升并在揉捻阶段达到峰值，随后略有下降。多变量分析筛选出17种特征VOCs，其中13种可与人类嗅觉受体（human olfactory receptors, ORs）形成稳定复合物。香气轮（aroma wheel）分析显示，茶叶加工过程中关键化合物的动态变化导致花香、青草香、薄荷香和坚果香强度持续增加。萎凋和发酵主要调控坚果香、辛辣香和木香，而揉捻和干燥主导花香、薄荷香、青草香和果香的表达。本研究阐明了丹桂独特的香气组成，并为加工后香气调控提供了理论基础。

研究背景：乌龙茶是经半发酵工艺制成的特色茶类，其独特香气品质的物质基础是挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）。乌龙茶香气不仅来自鲜叶固有挥发物，还依赖加工过程中一系列前体经酶促和非酶促生化转化生成的新挥发产物；萎凋、发酵、杀青、揉捻和干燥等工序均会影响挥发物的组成、含量和相对比例。丹桂（Camellia sinensis）是福建育成的适制乌龙茶优良品种，具有香气显、品质优、产量潜力高等特点，其成品茶滋味醇厚回甘并具品种花香。现有研究多集中于成品茶滋味和香气含量，对丹桂复杂加工过程中VOCs动态演变及关键香气化合物与人嗅觉受体（olfactory receptors, ORs）分子互作机制仍缺乏系统深入认识。为此，研究人员采用HS-SPME-GC–MS结合多变量统计研究丹桂五个关键加工阶段VOCs动态，筛选特征差异VOCs，并用分子对接探讨其与人类ORs的结合模式与亲和力，以期为丹桂茶质量控制和工艺优化提供科学依据与理论支撑。

关键技术方法概括：以福建省漳州市南靖县漳州聚益农业科技有限公司茶园9年生丹桂为材料，2025年6月按乌龙茶标准采一芽三叶，设3个独立生物学重复，每重复150 kg鲜叶；按初制工艺采集鲜叶（DG1）、萎凋（DG2）、发酵（DG3）、杀青揉捻（DG4）和干燥（DG5）样品，每阶段1 kg、3重复。采用HS-SPME-GC–MS鉴定和半定量VOCs；以主成分分析（principal component analysis, PCA）、K-means聚类、正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares-discriminant analysis, OPLS-DA）、随机森林和SHapley Additive exPlanations（SHAP）筛选特征VOCs；基于428个人类ORs、AlphaFold结构、fpocket口袋预测和AutoDock Vina评分开展分子对接，并用PyMOL可视化；构建香气轮（aroma wheel）分析气味特征及强度。

3.1 不同加工阶段对丹桂茶VOCs组成与含量的影响：GC–MS共检测1007种VOCs，分15类，数量最多为酯类18.27%、萜类18.07%、酮类12.41%。五阶段总VOCs差异显著（p < 0.05），PCA前两主成分累计解释82.69%（PC1 49.77%、PC2 32.92%），可区分不同加工阶段。酯、萜、酮、醇为主要四类，DG1–DG5合计占比分别为73.05%、73.63%、70.79%、70.70%、68.82%。酯类在萎凋期短暂积累后下降，萜类总体上升、DG4达峰后略降，酮类持续下降。结果表明丹桂加工香气物质基础主要来自酯、萜、酮、醇，加工阶段显著调控其组成与含量。

3.2 特征差异VOCs筛选：环形火山图比较相邻阶段，DG2 vs DG1、DG3 vs DG2、DG4 vs DG3、DG5 vs DG4分别鉴定983、1003、1002和982种差异VOCs，升降数量分别为829/154、683/320、95/907、192/790。K-means显示92种VOCs规律变化，其中15种持续上升、77种持续下降。对上调组OPLS-DA（R²Y=0.992，Q²=0.988，p < 0.005）筛得11个变量投影重要性（variable importance in projection, VIP）>1的关键VOCs，随机森林结合SHAP得到9个SHAP>1%的特征物；对下调组OPLS-DA（R²Y=0.992，Q²=0.987，p < 0.005）筛得33个关键VOCs，SHAP>1%的特征物为8个；合计17种特征VOCs，代表物包括2,6-dimethylnaphthalene、alpha-terpinyl acetate、naphthalene等。结果表明加工阶段深刻调节VOCs组成与丰度，17种特征VOCs可能在风味形成和阶段判别中起关键作用。

3.3 特征VOCs与人类嗅觉受体的分子对接：17种特征VOCs与428个人类ORs的结合能为?2.2至?9.1 kcal/mol，以
3.4 关键特征VOCs的气味特征及强度演变：基于13种特征VOCs构建香气轮，归为木香、辛辣、花香、果香、青草香、薄荷香和坚果香7类。随加工推进，花香、青草香、薄荷香和坚果香总体上升，木香、辛辣和果香持续下降；这主要与propiophenone、p-methylacetophenone、hotrienol、methylisoeugenol、2,6-dimethylnaphthalene、3-methylcyclohexanone和5-ethyl-2-methylpyridine相对含量渐升，以及thymol acetate、alpha-terpinyl acetate、naphthalene、durene、3-nonen-5-one和2-furanpropionic acid下降有关。萎凋期辛辣气味急降后缓降，与适度失水软化激活采后酶反应网络、辛辣相关物快速转化及残留物温和氧化降解有关；发酵期thymol acetate和alpha-terpinyl acetate水解降低木香，5-ethyl-2-methylpyridine积累使坚果香突出；杀青揉捻通过机械损伤、脱水及细胞结构破坏促进底物与酶接触，加速氧化水解，促进propiophenone、p-methylacetophenone和3-methylcyclohexanone形成，使花香、薄荷香和青草香快速增加；干燥期高温触发美拉德反应（Maillard reaction）并造成低沸点、热不稳定物挥发损失和降解转化，热化学反应持续产生propiophenone、p-methylacetophenone、hotrienol等而增强花香，果香相关物快速热分解挥发使果香骤降，青草香和薄荷香相关物热稳定性较优并在干燥中由内源黄酮等前体氧化降解逐渐形成积累。结果表明萎凋和发酵主要调控坚果香、辛辣香和木香的形成转化，揉捻和干燥主导花香、薄荷香、青草香和果香的最终表达。

讨论部分总结：研究显示不同加工阶段对丹桂茶香气轮廓具有差异化塑造作用；分子对接结果为香气感知的分子机制提供线索，但仅能预测配体-受体结合潜力，不直接对应真实嗅觉感知，后续仍需感官评价、电生理实验以及感官重组和缺失试验验证筛选的关键香气化合物。

研究结论翻译：本研究聚焦适制乌龙茶的优良品种丹桂，系统阐明加工过程中VOCs的动态演变及其嗅觉感知的分子基础。结果表明，酯类、萜类、酮类和醇类构成丹桂茶主导香气成分，五个加工阶段合计相对含量始终超过68%。酯类在萎凋期间短暂积累后逐渐下降，萜类总体上升并在揉捻阶段达峰后略降。通过K-means聚类、OPLS-DA建模和随机森林机器学习整合筛选策略，成功鉴定17种能有效区分不同加工阶段的特征差异VOCs。分子对接模拟进一步揭示，2,6-dimethylnaphthalene、alpha-terpinyl acetate和naphthalene等13种特征VOCs能够与人类嗅觉受体蛋白形成稳定复合物；结合界面以芳香族氨基酸为主，配体-受体特异性识别由氢键、疏水相互作用和π–π堆积共同驱动。气味特征分析表明，这些特征VOCs主要呈现木香、辛辣、花香、果香、青草香、薄荷香和坚果香7类气味特征，并随加工推进表现分化演变轨迹。加工过程中特征VOCs持续变化导致花香、青草香、薄荷香和坚果香强度持续增加，而木香、辛辣和果香逐渐降低；萎凋和发酵阶段主要调控坚果香、辛辣香和木香转化，揉捻和干燥阶段对花香、薄荷香、青草香和果香最终表达起关键作用。总体而言，这些发现从化学组成、特征标志物筛选、分子感知和气味特征多维度系统阐明丹桂茶加工香气品质形成机制，为乌龙茶香气品质精准调控和靶向改良提供重要理论基础。然而，分子对接仅预测配体-受体结合潜力，不直接对应真实嗅觉感知，仍需感官评价和电生理实验验证，并可进行感官重组和缺失试验验证筛选的关键香气化合物。