不同外部颜色胡萝卜的挥发性组分比较：从化学表征到嗅觉受体相互作用

《Applied Food Research》：Comparative Volatile Profiling of Carrots with Different External Colors: From Chemical Characterization to Olfactory Receptor Interactions

　　

为了阐明不同颜色胡萝卜的香气特征及其分子基础，研究人员采用GC-O-MS结合化学计量学分析对四种品种的香气特征进行了表征。共鉴定出121种挥发性化合物，其中萜烯类化合物占主导地位。基于香气活性值 (OAV) ≥ 1，筛选出13种关键香气化合物，其中7种为关键化合物。橙色胡萝卜表现出强烈的柑橘香气，黄色胡萝卜显示出果香-木香-辛香的复杂性，红色胡萝卜呈现辛香-木香特征，而紫色胡萝卜具有细腻的香气。鉴于其独特的柑橘特征，选择橙色胡萝卜的关键柑橘样化合物 (γ-terpinene, p-cymene, Cyclohexene, 1-Methyl-4-(1-methylethylidene)-) 进行分子对接。结果显示它们与嗅觉受体 (OR1A1, OR2T4, OR2J3, OR2W1) 具有高结合亲和力，揭示了橙色胡萝卜特征性柑橘香气形成背后的潜在受体识别机制。这项工作为理解胡萝卜风味特征、提升品质以及开发特定品种的饮料产品提供了理论基础。

胡萝卜作为伞形科根茎类蔬菜，因其独特的风味和健康益处在全球广受欢迎。其富含α/β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素等抗氧化剂以及碳水化合物、矿物质和膳食纤维。香气和颜色是植物性食品的两个基本感官属性，色素的生物合成与香气形成途径之间存在复杂联系，如类胡萝卜素着色与萜烯挥发物相关，花青素积累调节香气形成。不同颜色的胡萝卜 exemplify 这种颜色-香气关系，但关于不同颜色胡萝卜香气化合物变化的系统性理解仍非常有限。现有仪器技术虽能有效表征挥发物，但未能充分阐明特征香气化合物的分子基础及其在嗅觉受体水平的形成机制。因此，开展此项研究以系统鉴定关键香气化合物并将其与感官特征相关联，阐明不同颜色胡萝卜风味差异的机制基础，具有重要的理论意义。该论文发表在《Applied Food Research》上。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用顶空固相微萃取结合气相色谱-嗅闻-质谱 (HS-SPME-GC-O-MS) 技术进行挥发性成分的定性与定量分析；利用香气活性值 (OAV) 筛选关键香气化合物；运用分子对接 模拟关键香气化合物与靶向嗅觉受体 (ORs) 之间的相互作用模式。样本队列来源于中国新疆石河子同一种植基地商业成熟期的四种外部颜色胡萝卜（黄色、红色、紫色、橙色，n=16）。

**不同外部颜色胡萝卜中挥发性香气化合物的鉴定**
通过HS-SPME-GC-O-MS分析，研究鉴定出121种挥发性香气化合物，其中萜烯类在数量和浓度上均最丰富。所有颜色类型共享9种核心挥发性化合物。主成分分析 (PCA) 显示不同颜色胡萝卜样品的挥发物存在明显差异。定量分析表明，橙色胡萝卜化合物数量最多，紫色显著较少。萜烯类中石竹烯最丰富，其次是α-蛇麻烯；酸类以L-乳酸为主；酮类中6-甲基-5-庚烯-2-酮最丰富；醛类中辛醛最丰富；酯类中乙酸异龙脑酯最丰富；醇类中龙脑最丰富。

**不同外部颜色胡萝卜中的挥发性香气化合物**
胡萝卜挥发物具有主导的木香、青草和辛辣香特征。共76种化合物产生可识别香气，分为“胡萝卜顶”、“果香”和“辛辣-木香”三类。单萜如α-蒎烯等与“胡萝卜顶”香气相关，而柠檬烯、γ-萜烯等呈“柑橘”香，β-石竹烯、α-蛇麻烯等提供“辛辣”和“木香”特征。此外，苯乙醇、反式-β-紫罗兰酮等化合物丰富了香气的复杂性。

**基于OAV的关键香气化合物筛选**
研究筛选出13种OAV ≥ 1的关键香气化合物，其中7种在所有颜色品种中OAV均大于1，决定了不同颜色胡萝卜的感官特性。

**单个关键化合物含量变异分析**
γ-萜烯 (γ-Terpinene) 在橙色胡萝卜中含量最高，赋予草本和柑橘香；对伞花烃 在橙色胡萝卜中最丰富，强化了柑橘香；异松油烯 在橙色胡萝卜中平均含量最高；石竹烯 在红色胡萝卜中显著最高，赋予辛辣和木香；辛醛 在橙色胡萝卜中含量最高，带来柑橘和绿香；6-甲基-5-庚烯-2-酮 (6-Methyl-5-Hepten-2-One) 在黄色胡萝卜中最高，带来柑橘和霉香；α-蛇麻烯 (α-Humulene) 在黄色胡萝卜中最高，引入木香和辛辣香。

**关键香气化合物与嗅觉受体的分子对接分析**
鉴于橙色胡萝卜具有独特的柑橘香气特征，选择其3种关键化合物与嗅觉受体 (OR1A1, OR2T4, OR2J3, OR2W1) 进行分子对接。结果显示它们的结合能均低于-5.0 kcal/mol，具有强结合力。异松油烯与核心靶点OR1A1的结合能最低 (?7.23 kcal/mol)，表明其能更有效地与受体结合，释放更强烈的柑橘香气。

**总结讨论与结论**
本研究利用GC-O-MS表征了四种不同颜色胡萝卜的香气特征。结果表明，橙色胡萝卜展现出最显著的柑橘香气，其关键化合物浓度和OAV显著高于其他颜色。分子对接分析揭示了这些柑橘样化合物与人嗅觉受体 (OR1A1, OR2T4等) 之间的强结合亲和力，特别是异松油烯与OR1A1结合能最低 (?7.23 kcal/mol)，从分子层面解释了橙色胡萝卜强烈柑橘香气感知的机制。相比之下，黄色胡萝卜是果香、木香和辛辣香的复杂混合；红色胡萝卜具有强烈的辛辣和木香；紫色 carrots 香气较细腻且特征不明显。由于典型的柑橘特征，橙色胡萝卜更受青睐。同色组内存在显著变异，可能归因于地理起源和生长条件差异。本研究首次从香气化合物-受体相互作用的角度，系统阐明了橙色胡萝卜风味优越的化学和分子机制，为改善胡萝卜风味品质和开发饮料产品提供了科学依据。