电子鼻与综合二维气相色谱-嗅觉仪-飞行时间质谱技术的结合，用于解析沉香精油在热处理后嗅觉品质的提升机制

《Journal of Chromatography A》：Integration of electronic nose and comprehensive two-dimensional gas chromatography-olfactometry-time-of-flight mass spectrometry to decode the olfactory quality enhancement of agarwood essential oil upon thermal treatment

艾纳香精油通过热处理（180-240℃）可在1小时内有效消除新鲜精油中的异味，并增强甜木质香气，缩短传统6个月陈化时间。结合电子鼻（E-Nose）与二维气相色谱-嗅觉质谱联用技术（GC×GC-O-TOF-MS），发现热处理调控了11种关键倍半萜烯成分的组成，其与嗅觉受体（ORs）的氢键、范德华力和疏水作用相关，通过分子对接模拟验证了结构-活性关系。热处理法为规模化生产高品质精油提供了新途径，并验证了GC×GC-O-TOF-MS在复杂香气分析中的有效性。

　　

马胜|秦家慧|朱建毅|李盖云|严婷婷|陈源

中国林业科学院木材工业研究所，北京100091

摘要

沉香精油因其优雅的香气而备受推崇；然而，其新鲜状态通常带有刺鼻的气味，限制了其直接应用。传统的陈化过程需要数月时间才能减轻这些异味，这使得它不适合大规模生产。为了解决这一挑战，本研究采用热处理作为一种创新方法来快速陈化精油。结果表明，热处理的去异味效果与六个月的传统陈化相当，同时增强了整体的香气，使香味更加丰富。为了进行客观评估，本研究使用了电子鼻（E-Nose）技术与二维气相色谱-嗅觉仪-飞行时间质谱联用技术（GC × GC-O-TOF-MS）。多元分析（PCA、OPLS-DA等）区分了样品的香气特征，并表明了香气的优化。进一步的GC × GC-O-TOF-MS分析鉴定出11种对香气增强有贡献的关键倍半萜类化合物。分子对接模拟探讨了它们与嗅觉受体的相互作用，建立了结构-活性关系，初步解释了它们通过氢键、范德华力和疏水作用对香气的贡献。热处理方法能够快速提升精油品质，并展示了GC × GC-O-TOF-MS在分析复杂香气活性化合物方面的实用性。

引言

随着人们对健康和福祉的重视日益增加，天然香料的营养和治疗价值也得到了越来越多的认可[1]。香气在人类日常生活中起着关键作用，不仅能带来感官愉悦，还能调节心理和生理功能[2]。芳香疗法利用精油和其他芳香化合物进行治疗，因其能够提升整体幸福感、减轻压力和改善情绪而变得尤为重要[3]。沉香（Aquilaria spp）是一种兼具药用和熏香用途的独特材料，其丰富的香气和多样的生物活性（包括抗炎、抗氧化、镇静和缓解焦虑作用）使其具有独特的地位。在中国，沉香常被称为“香料之王”，因其迷人的持久香气[[4]、[5]、[6]、[7]]。沉香在高端香水、制药和健康产业中具有极高的价值。在沉香的各种衍生物中，沉香精油是一种极具潜力的高价值产品，尤其是在芳香疗法领域[8]。在提取方法中，水蒸气蒸馏是生产高浓度倍半萜类化合物沉香精油的首选方法，从而赋予其更复杂的香气、更持久的香气和层次感。相比之下，超临界CO?提取法得到的精油中2-(2-苯乙基)色酮含量较高，但这些成分并不贡献于沉香的香气[9]。此外，沉香精油的甜美、木质和薄荷香气被业界普遍认为是理想的香气特征。然而，新鲜提取的沉香精油通常含有强烈的刺鼻气味，类似汽油的味道，这主要是由于挥发性醛类和不稳定的萜类化合物所致[10]、[11]。

传统上的陈化过程是让新鲜精油自然氧化和发生化学变化，从而逐渐优化其香气特性。在传统的陈化过程中，精油中的不良气味会随着时间的推移而消散，从而提升整体品质。然而，这一自然陈化过程通常需要数月甚至更长时间，难以满足现代工业对效率和规模化的要求[12]、[13]、[14]。为了加速沉香精油的品质提升，可以利用倍半萜类化合物的热敏感性，开发出具有精确温度控制的热处理技术。这种方法能够快速将不稳定的倍半萜类化合物转化为稳定的香气活性成分[15]、[16]，有效去除异味并改善香气品质，从而大幅缩短传统陈化所需的时间。然而，目前关于热处理过程中成分转化和香气特征变化机制的研究还不够充分。例如，不同温度对最终产品化学成分和香气特性的影响尚未完全阐明，也不清楚热处理是否能够完全复制传统陈化所达到的香气效果。此外，热处理是否会导致活性成分的损失或副产物的生成，以及这些变化如何影响精油的生物活性，仍需进一步深入研究。这些研究空白限制了热处理的精确应用和优化。

香气的分析主要依赖于仪器技术和感官评估。虽然感官评估是评估香气的经典方法，但其区分相似气味的局限性可能会影响准确性[17]。气相色谱-嗅觉仪-质谱联用技术（GC-O-MS）可以全面分析精油中香气活性成分与感官感知之间的关系。然而，沉香精油中倍半萜类化合物组成的复杂性和相似性导致GC-O-MS过程中出现香气峰的重叠，可能导致特定香气特征的遗漏或误判，从而影响精油的整体香气评估。二维气相色谱-嗅觉仪-飞行时间质谱联用技术（GC × GC-O-TOF-MS）使用不同分离机制的色谱柱，显著提高了分离效率，减少了香气峰的重叠，使得对复杂香气活性成分的评估更加准确。从感知机制的角度来看，香气分子进入嗅觉上皮细胞并与嗅觉受体相互作用，触发信号级联反应，将化学信息转化为神经信号，最终由中枢神经系统处理形成嗅觉感知[18]。人类大约有400种嗅觉受体（ORs），包括OR1A1、OR1G1、OR5AN1、OR52D1和OR2W1，它们属于一类广泛调控的受体蛋白，能够响应多种香气活性化合物[19]、[20]。此外，分子对接技术可以分析嗅觉受体与香气化合物之间的相互作用，揭示嗅觉感知的机制[21]。

此外，在快速筛选领域，基于传感器阵列的电子鼻（E-Nose）技术越来越受到关注。它通过模拟生物嗅觉系统，捕捉样品的整体香气特征，并结合模式识别算法实现快速识别和分类。与人类感官评估相比，E-Nose具有客观性强和重复性好的优势，已广泛应用于食品和调味品等领域的质量控制[22]。然而，E-Nose通常只能提供整体香气特征信息，难以解析特定化合物的组成。因此，将E-Nose与高分辨率分离和识别技术（如GC × GC-O-TOF-MS）结合使用，可以从整体香气特征快速筛选到关键香气活性成分的精确分析，为复杂香气系统的深入研究提供了有力工具。

本研究开发了一种精确的温度控制热处理技术，以加速新鲜沉香精油的陈化过程，调节其倍半萜类化合物组成，从而优化其香气品质。首先进行了感官评估，以初步评估香气变化。随后使用E-Nose技术快速、客观地收集处理前后样品的整体香气特征，并进行模式识别分析，评估热处理对整体香气特性的优化效果。接着采用先进的分析技术（GC-MS、HS-GC-MS，尤其是GC × GC-O-TOF-MS）揭示香气活性成分与感官属性之间的关联。之后，通过分子对接模拟探讨了关键香气化合物（通过GC × GC-O-TOF-MS和感官评估鉴定）与嗅觉受体（ORs）之间的相互作用，建立了结构-活性关系框架，初步解释了香气的分子基础。这种方法补充了化学和感官数据，而不仅仅是作为独立的机制证明，将香气活性化合物的结构特征与其与嗅觉受体的结合行为联系起来。此外，还评估了热处理后精油的生物活性。通过这种环保工艺优化的沉香精油不仅展现了出色的香气品质，还验证了GC × GC-O-TOF-MS在精油品质评估中的有效性，显著提升了其在高端香水、化妆品等相关行业的竞争力。此外，这一创新工艺为其他精油的香气优化提供了宝贵的实践经验和理论借鉴。

材料

材料

在中国广东省，通过物理钻孔方法诱导十年生的沉香（Aquilaria sinensis）树木产生沉香，并在一年后收获。新鲜沉香精油（FAEO）通过水蒸气蒸馏法提取。然后分别将精油在180°C（AEO-180）、210°C（AEO-210）和240°C（AEO-240）下热处理1小时，冷却后用氮气净化。或者，将FAEO放置在覆盖有滤纸的开放小玻璃瓶中陈化3个月（AEO-3）。

感官评估和电子鼻评估

如图1a所示，FAEO随着时间的推移颜色从浅黄色变为深黄色。而在热处理过程中，其颜色变为红色，最终在240°C时变为紫黑色，表明可能发生了化学变化。长时间陈化和提高热处理温度有效减轻了FAEO的刺鼻气味（图1b）。然而，加热到240°C会导致更强烈的刺鼻感，而其他香气特性

结论

本研究采用电子鼻传感器阵列技术和GC × GC-O-TOF-MS的联合分析策略，证实热处理是一种有效的调节倍半萜类化合物组成的方法。它显著缩短了消除FAEO中异味的六个月陈化时间，同时通过添加令人愉悦的木质和甜味成分丰富了其香气特征。特别是210°C的热处理效果最为理想。

作者贡献声明

马胜：撰写原始稿件、方法设计和数据管理。秦家慧：数据管理。朱建毅：数据管理。严婷婷：资源协调。李盖云：监督和资金获取。陈源：资源协调、概念构思。

数据可用性

数据可应要求提供。

附录A. 补充数据

本文的补充数据可在线获取。

作者贡献声明

马胜：撰写原始稿件、数据管理和概念构思。秦家慧：数据管理。朱建毅：数据管理。李盖云：资源协调、资金获取和概念构思。严婷婷：资源协调。陈源：资源协调。