摘要

葡萄中的荔枝香气是一种具有巨大市场潜力的独特果实性状，但其化学组成和分子基础尚不明确。本研究采用整合的多组学与感官分析策略，阐明了该香气的化学基础、感知机制及生物合成调控途径。代谢组学分析鉴定出顺式-玫瑰氧化物和香叶醇是产生荔枝香气的关键挥发性物质。葡萄食用过程中的脑电图（EEG）检测显示，嗅觉与味觉整合相关的神经活动被激活，揭示了跨模态感知在风味体验中的重要作用。模型溶液实验与分子对接研究表明，这些挥发物可能通过调节味觉受体与配体的相互作用，增强甜味与酸味感知。整合代谢组学与转录组学分析揭示了糖-酸-萜类代谢网络，并鉴定出Vitvi037507为顺式-玫瑰氧化物和香叶醇生物合成的候选基因。总体而言，本研究阐明了葡萄中荔枝香气的化学与感知机制，为风味化学研究提供了新见解，并为品种选育和代谢工程奠定了基础。

引言

葡萄是全球最重要的果树作物之一，既可作为鲜食水果直接食用，也可作为酿酒、果汁生产及其他加工产品的原料。其风味特征主要由可溶性糖、有机酸和挥发性芳香化合物的组成决定，其中香气在塑造感官吸引力、市场价值及消费者接受度方面起着决定性作用。近年来，消费者对具有浓郁且独特香气特性的葡萄品种的需求日益增长。尽管花香型和果香型品种仍广受欢迎，但因其较强的市场竞争力，具有独特香气特征的品种正受到越来越多关注。值得注意的是，具有荔枝香味的葡萄能带来新颖而诱人的感官体验，因而备受关注。然而，这种特征性香气背后的关键代谢物及其分子机制目前尚不明确，其对人类感官感知的影响也尚未得到充分研究。因此，阐明葡萄中荔枝样香气形成的化学与分子基础，对于推动葡萄风味化学的发展至关重要，并为开发感官吸引力更强的产品提供宝贵的指导。

先前关于荔枝的研究已鉴定出多种对独特香气起关键作用的挥发性化合物，包括顺式-玫瑰醇氧化物、反式-玫瑰醇氧化物、1-辛烯-3-醇和香叶醇。对罐装荔枝与以荔枝香味著称的琼瑶浆葡萄酒进行的比较分析表明，顺式-玫瑰醇氧化物的气味活度值（OAV）最高，凸显了其在赋予水果和葡萄酒荔枝风味中的重要作用。这些发现为识别葡萄中产生荔枝香气的挥发性化合物提供了重要线索。除了挥发性芳香物质外，可溶性糖与有机酸之间的平衡在塑造葡萄风味方面同样至关重要。糖酸比是衡量果实成熟度和风味品质的关键指标，直接影响消费者的喜好及整体感官体验。值得注意的是，风味感知并非源于单一的化学成分，而是由嗅觉与味觉模态之间的相互作用所产生，其中跨模态交互可显著增强或抑制风味属性的感知。跨模态感知涉及大脑中嗅觉与味觉信息的整合，一种感觉模态（如嗅觉）的刺激能够增强或调节另一种模态（如味觉）的反应，从而形成统一的风味体验。为揭示这一复杂过程，结合感官评价与脑电图（EEG）分析提供了强有力的手段。感官评价有助于识别关键描述词和特征性代谢物，而EEG则可直接测量大脑对风味刺激的响应，为嗅觉-味觉交互的神经基础提供独特的洞察。脑电图（EEG）已应用于食品科学领域，用于研究风味感知及其对消费者情绪和行为的影响，包括葡萄酒感官特征、果汁味觉感知以及啤酒风味对消费者反应影响的研究。

在食品领域，跨模态相互作用对于塑造风味、增强感官复杂性以及开发更具消费者吸引力的产品至关重要。值得注意的是，香气化合物可通过跨模态相互作用显著提升味觉感知。具有甜味相关特性的香气化合物，如花香或果香挥发物，已被发现能够增强甜味的感知强度，从而提升整体风味体验。在茶和水果基质中，已有研究证实（E）-β-大马士革烯、芳樟醇和呋喃酮等化合物可通过感官相互作用增强蔗糖诱导的甜味。然而，香气引发的酸味增强效应却鲜有关注。目前仅有少量证据，例如在酒精饮料中的观察结果，表明存在香气与酸度之间的相互作用，暗示香气化合物在酸味感知中可能具有重要意义，尽管其潜在机制尚不明确。为了更好地理解这些跨模态感知现象，分子对接已成为模拟香气化合物和味觉物质与味觉及嗅觉受体相互作用的有力工具。作为计算化学中的前沿技术，分子对接利用物理化学原理和算法预测配体与受体之间的结构相互作用。它能够优化蛋白质和小分子配体的三维构象，构建受体-配体复合物模型，并通过结合能计算评估结合亲和力，最终确定最有利于自发结合的构象。研究表明，甜橙中的香气化合物能够与蔗糖及甜味受体形成稳定的三元复合物，从而增强甜味。这为香气诱导的甜味增强提供了分子层面的依据。

除了感官相互作用外，葡萄的风味还受到基因调控的化学转化过程的影响，这些过程由复杂的表达网络所控制。最近的研究表明，不同水果中的特征性芳香化合物可能通过不同的代谢途径合成，例如氨基酸降解、脂肪酸代谢或萜类生物合成。在葡萄中，可溶性糖和有机酸不仅决定了甜度与酸度的平衡，还作为次生代谢的中心碳源，从而影响芳香化合物的生物合成。目前，关于调控糖、酸及挥发性物质代谢通路的分子机制，包括结构基因和转录因子的作用，尚不明确。高通量组学技术提供了整合的代谢组学和转录组学方法，有助于揭示这些调控网络。

主要内容

本研究选取了五种具有不同风味特性的葡萄品种，以探究荔枝香气的化学基础、感官相关性及分子调控机制。首先，通过比较挥发性物质、糖类和有机酸的组成，鉴定出与荔枝类感官特征相关的候选化合物。随后，重点研究顺式-玫瑰醇氧化物和香叶醇，并采用描述性分析、香气交互试验以及基于脑电图（EEG）的神经反应分析评估其感官相关性。基于这些感官结果，进一步开展模型溶液实验和分子对接分析，探讨这些关键挥发物是否通过受体水平上的跨模态相互作用调节甜味和酸味感知。最后，结合代谢组学与转录组学综合分析，将上述发现置于更广泛的糖-酸-萜类调控网络中，并鉴定出可能参与关键荔枝类香气挥发物生物合成的候选基因。这些连续的分析共同构建了一个综合框架，将葡萄中荔枝香气形成的挥发性物质鉴定、风味感知、机理解释和分子调控联系起来。

1.     五种葡萄品种的电子鼻分析

Fig. 1. E-nose analysis of five grape cultivars. (A) Morphological characteristics of five grape cultivars. (B) Radar plot of E-nose sensor responses to grape juice volatiles. (C) PCA of E-nose data from five grape cultivars. (D-E) Classification performance of seven machine learning algorithms based on E-nose data. (D) Training set accuracy, (E) Test set accuracy.

2.     对五个品种的代谢组分析发现，顺式-玫瑰氧化物和香叶醇是荔枝香气的关键决定因素

Fig. 2. Flavor profiles of five grape varieties. (A) PCA of soluble sugars and organic acids. (B) Heatmap showing the distribution of soluble sugars and organic acids. (C) Classification of volatile compounds identified in the five grape varieties. (D) PCA of volatile compounds. (E) Composition of volatile compounds in five grape varieties. (F) Hierarchical clustering heatmap of volatile compounds. (G) Venn diagram showing differential volatile compounds in RL compared with other varieties. (H) Quantification of cis-Rose oxide across grape cultivars. (I) Quantification of Citronellol across grape cultivars. 

3.     “Rola”浆果的感官特征分析及基于脑电图的神经反应

Fig. 3. Sensory characterization, key aroma compound evaluation, and EEG-based neural responses to ‘Rola’ berries. (A) Word cloud of sensory descriptors for ‘Rola’ grape obtained from trained panel evaluation. (B) Aroma wheel constructed based on sensory descriptions of ten volatile compounds with OAV > 1. (C) Aroma intensity evaluation of cis-rose oxide at different concentrations. (D) Aroma intensity evaluation of citronellol at different concentrations. (E) Aroma intensity evaluation of the mixture of cis-rose oxide and citronellol at different concentrations. (F-G) EEG topographic maps of cortical activity before and after berry tasting in female (F) and male (G) participants. (H-I) Differential brain region activation heatmaps in female (H) and male (I) participants.

4.     顺式玫瑰氧化物和香叶醇对甜味与酸味的增强作用：模型溶液中的感官评价及风味相互作用

Fig. 4. Effect of key aroma-active compounds on perceived sweetness and sourness intensity. (A) Contribution of retronasal aroma perception to aroma, sweetness, and sourness intensity with and without a nose clip. (B) Flowchart of sensory evaluation for cis-rose oxide and citronellol on sweet and sour perception at different concentrations. (C) Effect of cis-rose oxide and citronellol on perceived sweetness intensity. (D) Effect of cis-rose oxide and citronellol on perceived sourness intensity. (E) Sensory interaction plot of cis-rose oxide with fructose and tartaric acid. (F) Sensory interaction plot of citronellol with fructose and tartaric acid. 

5.     分子对接揭示了顺式玫瑰氧化物与香叶醇在增强甜味和酸味方面的跨模态相互作用的受体水平机制

Fig. 5. Molecular docking analyses of soluble sugars, organic acids, and aroma-active compounds with human taste and olfactory receptors, suggesting putative cross-modal interactions. (A) Docking heatmaps and binding modes of d-glucose and d-fructose with sweet taste receptors T1R2 and T1R3. (B) Docking heatmaps and binding modes of tartaric acid, malic acid, and citric acid with the sour taste receptor OTOP1. (C) Docking heatmaps and binding modes of five characteristic aroma compounds with 25 human olfactory receptors. (D) Effects of cis-rose oxide and citronellol on the binding affinity of d-fructose to the sweet taste receptor complex T1R2/T1R3. (E) Effects of cis-rose oxide and citronellol on the binding affinity of tartaric acid to the sour taste receptor OTOP1. 

6.     代谢组与转录组整合揭示了可溶性糖、有机酸和萜类化合物的调控网络及葡萄中荔枝香味的生物合成

Fig. 6. Integrated metabolomic and transcriptomic analysis of genes related to lychee-like aroma biosynthesis in grapes. (A) PCA of the transcriptomic data from five grape cultivars. (B) Venn diagram analysis of up-regulated genes in ‘Rola’ relative to the other four cultivars. (C) KEGG enrichment analysis of the 92 common up-regulated genes. (D) metabolic pathways of soluble sugars, organic acids, and terpenoid biosynthesis in grapes. (E) Co-expression network of metabolites, structural genes, and transcription factors. (F) Proposed co-expression network associated with cis-rose oxide and citronellol biosynthesis. 

亮点

• 阐明了葡萄中荔枝香气的化学成分及其生物合成调控机制。

• 确定顺式-玫瑰醇和香叶醇为荔枝香气的主要挥发性物质。 

• 脑电图（EEG）揭示了跨模态感知在风味体验中的关键作用。 

• 在受体水平上揭示了挥发性物质对甜味和酸味增强的作用机制。 

• Vitvi037507 是顺式-玫瑰醇和香叶醇生物合成的候选基因。

来源：公众号-食品组学加

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/HsCUc6yL0fz_H9jZFYQnhg