米饭挥发性风味物质的形成及其与蛋白质交互机制的研究进展
稻米作为重要的谷类作物，是全球约半数居民的日常主食。随着经济快速发展，人民生活水平日益提升，对于日常饮食的要求从“吃饱、吃好”的温饱模式逐渐向“健康膳食”模式发展，因此米饭的食味品质（包括食用品质、营养特性、香气特征等）成为消费者选择大米的关键因素。由于米饭在食用时不添加调味品，因此米饭本身的品质就变得格外关键。米饭中风味物质的形成主要依赖于主要物质（淀粉、蛋白质、脂肪）的分解，蛋白质分解产生的次级产物本身就是重要的风味前体物质，这些物质通过参与美拉德反应等途径，生成醛、酮等关键香气化合物。同时蛋白质在分解生成风味物质的同时，也可以作为风味物质的载体，通过范德华力、离子键、氢键和疏水相互作用与风味化合物发生可逆和不可逆性结合，制约着风味物质的保留与释放，这种结合作用既可能促进风味物质的稳定保留，也可能因结合过强导致风味释放受阻，进而制约米饭的风味感知。先前已有研究初步证明蛋白质可与米饭中风味物质结合从而调控米饭风味品质，但当前研究仍面临部分问题。一方面，当前对米饭蒸煮过程中蛋白质与风味化合物的相互作用机制解析尚不明确，不仅难以区分非共价结合与共价反应的贡献比例，对大米蛋白中具体参与结合的活性位点及风味化合物的反应特异性认知也较为有限。另一方面，风味检测技术存在明显限制，传统风味检测技术中依赖气相色谱等技术仅能测量风味物质的总量变化，既无法精准量化结合态与游离态风味化合物的比例，也难以直接捕捉蛋白质-风味化合物复合物的分子结构特征。
哈尔滨商业大学食品工程学院的刘思琪、王冰*、张娜*等重点概述米饭中淀粉、蛋白质、脂质在蒸煮期间的降解转化，及对风味合成的驱动作用，深入剖析蛋白质与风味物质的非共价及共价相互作用机制，以期明确米饭风味调控的内在规律，助力提升米饭感官品质稳定性，满足消费者需求，为优化稻米加工工艺提供理论支撑。
1、米饭中挥发性风味物质形成的机理
1.1 米饭中挥发性风味物质的分类
风味是香气、味道和口感的结合。气味和滋味作为风味感知中两个主要的驱动因素，彼此协同作用共同构建起复杂的感官体验。食品的香气主要经过多种挥发性风味物质共同作用产生，其产生的风味物质可以从食品释放到环境中，引起食品风味特征的变化。而食品的滋味主要通过多种非挥发性风味物质共同作用呈现出来，如无机盐、游离氨基酸和核酸代谢产物等。蒸煮过程产生的醛类、吡嗪类等挥发性化合物通过鼻后嗅觉形成80%以上的风味感知，挥发性组分易受加工条件影响发生动态变化，是风味调控的关键靶点。
米饭特有的香气可归因于米粒中存在的挥发物以及烹饪过程中产生的挥发物。米饭的挥发性风味物质由多元化的次生代谢产物构成，涵盖醛类、酮类、杂环化合物及含硫衍生物，并通过感官协同效应共同塑造米饭的复合香气轮廓，同时在米饭的复杂基质中，蛋白质、淀粉、脂质和香气化合物之间存在相互作用，影响香气的释放与感知。早在1966年即在煮熟的米饭蒸汽中发现了乙醛、丙醛、2-丁酮、戊醛和己醛5种重要的挥发性化合物。目前关丽娜等对籼稻米饭关键香气成分鉴定及感官特性形成进行分析，米饭中主要的风味物质包括醛类、酮类等不同官能团的11种化合物。其主要分类及其产生来源如表1所示。
1.1.1 2AP的生成
迄今为止大米中已被报道的挥发性物质已有300余种，其中2AP被认为是赋予稻米香气的关键化合物之一，并为大米带来类似爆米花的香味，是米饭中最具代表性的挥发性化合物。2AP的形成主要归因于水稻生长期间的生物合成作用，其生成途径如图1所示。米饭的香气主要受到OsBadh2基因的调控，该基因在大米中通常以隐性纯合子的形式存在。大米中含有氨基醛脱氢酶，其功能是将γ-氨基丁醛（GAB-ald）催化转化为γ-氨基丁酸（GABA）。而OsBadh2基因的隐性突变会阻断该转化途径，导致GAB-ald的异常积累。积累的GAB-ald通过与甲基乙二醛的非酶反应转化为有效的风味成分2AP，这一转化过程为米饭赋予了其标志性的香气，2AP的生物合成与GABA代谢途径紧密相连。可以通过上调转基因水稻中脯氨酸生物合成的限速基因表达水平，或解除1-吡咯啉-5-羧酸酶催化亚基的反馈抑制机制，提高脯氨酸含量从而产生更多的2AP，通过靶向调控米饭挥发性有机化合物的生物合成通路，实现香气成分的定向富集与风味品质优化。
1.1.2 其他特征性风味物质的生成
米饭中除标志性香气成分2AP外，还存在多种特征性风味物质，包括己醛、壬醛、苯乙烯、吲哚等物质，这些物质共同构成米饭的复合香气轮廓。Ye Guodong等对米饭蒸煮过程进行动态检测，得到13种挥发性特征性风味物质，即为米饭中有效的可被人体所感知到的贡献型风味物质。己醛、壬醛、癸醛等主要通过脂质氧化分解产生。壬醛是油酸在加热或脂氧合酶（LOX）的作用下发生氧化，形成9-醛基壬酸或13-醛基壬酸，进一步通过β-裂解生成，其在米饭中主要贡献柑橘味道，是米饭“清新香气”的标志性物质之一。癸醛产生路径与壬醛相似，米饭中油酸在氧自由基攻击下生成9-氢过氧油酸，氢过氧化物进一步裂解为癸醛，赋予米饭清新的果香和类似玫瑰的甜香。在米饭中，两种风味共同作用，形成类似柑橘的香气特征。
2-戊基呋喃和吲哚是米饭香气中报道最多的杂环化合物。亚油酸在LOX或高温作用下生成氢过氧化物后分解为戊烯醛，经分子内环化生成2-戊基呋喃。蒸煮过程中，高温和酶降解淀粉以产生还原糖，还原糖将与氨基酸反应以形成杂环化合物，同时，高温使脂肪酶和LOX活性提高，氢过氧化物分解加速，产生更多的脂肪酸。2-戊基呋喃和吲哚被认为是对米饭香气贡献最大的呋喃化合物，具有坚果气味。
1.2 挥发性风味物质的形成机理
米饭的香气形成机理源于其宏量组分（淀粉、脂质、蛋白质）在蒸煮过程中经历的非酶促与酶促协同反应体系，可通过改变蒸煮条件（升高温度、增加压力等方式）促使挥发性化合物的生成与释放。蒸煮初期温度和压力的升高会导致结合态风味前体溶胀解体，同步伴随内源酶如LOX、脂肪酶催化亚油酸生成醛酮类物质。通过美拉德反应等多种反应协同作用，形成呋喃酮类、吡嗪类等高香气活性化合物，因而，米饭的香味强度在熟化后极大增强。
1.2.1 美拉德反应
美拉德反应是指还原糖与氨基酸或蛋白质之间的非酶促褐变反应，反应过程如图2所示。美拉德反应过程主要包含3个连续阶段：初期、中期和后期。现有研究对前两个阶段（初期与中期）的分子机制已形成较明确认知，然而后期生成的高分子聚合物形成机理仍存在研究空白。
在美拉德反应的初期，大米在高温蒸煮的环境中，淀粉在内源酶和热处理的作用下部分分解为还原糖，葡萄糖是米饭烹饪过程中美拉德反应的主要前体之一，可与蛋白质降解产生的氨基酸或肽进行反应。醛糖与氨基发生亲核加成反应，产物N-糖基胺通过失去水分子转化为席夫碱，其化合物会自发地通过Amadori重排反应转化为活性中间体1-氨基-1-脱氧-2-酮糖，可作为多种风味物质的前体物质。Heyns重排是Amadori重排产物进一步反应的一种形式。在这个过程中，1-氨基-1-脱氧-2-酮糖发生脱水反应，形成α、β-不饱和羰基化合物。Zhao Yuguang等通过升高温度产生美拉德反应，实现了风味物质与大分子组分的共价偶联，傅里叶变换红外光谱进一步证实了淀粉降解产物以共价键形式与大米蛋白交联，导致氨基酸等含氨基化合物—NH2官能团的消失，氨基化合物与羰基化合物结合使美拉德反应产物相关的官能团（C＝O、C＝N和C—N）增加。Wang Yu等在对2-乙酰呋喃等风味物质的形成途径展开研究时，同样发现美拉德反应会产生1-脱氧酮糖中间体，在氨基酸作用下环化生成具有焦糖香的物质。
在美拉德反应的中期，不稳定的中间产物在酸性反应体系下通过烯醇化重排生成3-脱氧葡萄糖酮，或在中性和弱碱性反应条件下生产糖醛等化合物。Amadori产物在高温下进一步降解，生成两类关键中间体：一类是具有较强还原性的还原酮，可参与后续氧化反应；另一类是羰基化合物如丙酮醛、乙二醛，这类高活性物质是后续风味物质的前体，从而产生各种挥发性芳香化合物。Kim等借助同位素标记技术验证并获得了美拉德反应中期不稳定中间体可与二价铁离子形成二元配合物，进而检测到此阶段生成的糖醛类化合物、还原酮前体以及高活性羰基化合物前体等物质。
在美拉德反应的后期，α、β-不饱和羰基化合物在加热或碱性条件下，发生逆羟醛缩合，生成更小的醛和酮类化合物如乙醛（青草香）、丙酮（果香）等；还可进行氧化裂解，双键被氧化断裂，生成羧酸或酮类；同时可发生Strecker降解，即α-氨基酸与羰基化合物反应生成醛类含硫化合物等如吡咯类（烘烤香）、含硫化合物（肉香、葱蒜香）从而为米饭提供各种风味化合物。当烹饪温度达到100 ℃以上，系统中的水分会降低，从而增强煮熟过程中的美拉德反应，产生吡嗪、呋喃类等香气化合物，形成独特的焦化香气。美拉德反应在米饭蒸煮的风味形成的过程中发挥着关键作用。
1.2.2 脂质氧化
脂质氧化是米饭香气形成的另一个重要途径，米饭蒸煮过程中，脂肪酶水解脂质产生游离脂肪酸，如图3所示。大米中的脂肪可以分为淀粉脂质和非淀粉脂质。淀粉脂质与直链淀粉形成复合物分布在淀粉颗粒内部，非淀粉脂质在大米中含量较少。由于淀粉-脂肪复合物的解链温度低于蒸煮温度，导致在蒸煮过程中，高温会使分子运动加剧，从而削弱复合物内部的范德华力和氢键等作用力。同时，高温也会破坏淀粉分子的有序结构，使淀粉发生糊化，淀粉颗粒吸水膨胀、晶体结构破坏，脂肪酸从淀粉的螺旋空腔中释放出来从而产生挥发性化合物。在脂肪酶、LOX和热裂解作用下，脂肪酸进一步氧化形成氢过氧化物和小分子羰基化合物。除了LOX氧化途径外，脂肪酸的α-氧化和β-氧化降解也被认为是所有生物中形成香味化合物的重要过程。
在大米浸泡和蒸煮过程中，可通过提高大米中酶活性促进大米中参与脂质氧化的内源性酶，即脂肪酶和LOX，并加速这些前体的分解。脂肪酶水解甘油三酯释放游离脂肪酸从而参与脂质降解。LOX催化含有如亚油酸和亚麻酸的多不饱和脂肪酸发生氧化，从而产生一系列的氢过氧化物。这些脂质氢过氧化物非常不稳定，容易降解为二次挥发性和非挥发性脂质氧化产物。氢过氧化物通过LOX途径的降解涉及许多脂质降解酶，包括氢过氧化物裂解酶（HPL）、氢过氧化物脱水酶和过氧化物酶。HPL是脂质氧化中LOX途径的下游酶，可以催化脂质氢过氧化物的C—C键裂解，产生挥发性醛类和各种含氧酸，从而产生的主要挥发性化合物，如亚油酸氢过氧化物的分解产物是己醛、庚醛和2-庚醛，为米饭提供果香、植物清香味。
1.2.3 氨基酸分解
大米的蛋白质量分数约为8%，蛋白质本身在大米基质中不具有明显的气味，但是可以为风味的形成提供前体物质。在加热过程中蛋白质分解或氧化的产物，会影响米饭的香气。大米蒸煮后水溶性蛋白和游离氨基酸含量有不同程度的提高。蛋白质在加热的过程中分解后生成的产物可参与美拉德反应，生成醛、酮、呋喃、吡嗪等香气化合物，赋予米饭独特的风味。米饭中风味氨基酸主要分为鲜、甜和苦3类，其中鲜味氨基酸包括天冬氨酸和谷氨酸；甜味氨基酸包括苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸（低浓度具有甜味，高浓度可能带苦味）；苦味氨基酸包括缬氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、组氨酸、精氨酸和蛋氨酸。甜味氨基酸与米饭食味具有正相关关系，鲜味特征的谷氨酸对米饭味感贡献最大，天冬氨酸等氨基酸对米饭的鲜味和甜味同样有重要贡献。苦味氨基酸中的精氨酸、蛋氨酸与味感得分呈强负相关。大米中的蛋白质可在加热过程中分解、氧化，产物既能直接影响米饭香气，又能通过参与美拉德反应生成关键香气物质。
1.2.4 3种反应的协同关系
在米饭在风味形成过程中，美拉德反应、脂质氧化与氨基酸分解是通过底物共享、产物互促等方式紧密协同关系，共同调控米饭的风味、色泽与营养特性。具体而言，淀粉在蒸煮过程中水解生成的还原糖，既是美拉德反应的核心底物，又可通过提供氢质子间接加速脂质氧化。蛋白质水解产生的游离氨基酸，一方面为美拉德反应提供氨基类底物，另一方面其分解产物可直接参与脂质氧化。此外，脂质氧化产生的不饱和醛、酮等中间产物，既能降低美拉德反应的活化能，加速类黑素及风味物质的生成，又能促进氨基酸分解，生成更多风味前体物质。此外，脂质氧化产生的不饱和醛类物质还可作为美拉德反应的交联剂，促进美拉德反应产物的形成，进一步丰富风味物质种类。三者协同作用，共同塑造米饭蒸煮后的清香、焙烤后的焦香等特征风味及相关品质。
1.3 米饭风味的多物质协同作用
米饭的“蒸煮香”“清新感”“坚果甜香”等典型感官体验是由核心标志物、基础香气组与修饰性成分协同形成。需结合感官组学数据与化学计量学分析，揭示不同类别风味物质的交互规律。不同的风味物质具有不同的香气特征，它们相互搭配，共同构成了米饭的复合香气。结构相似的化合物可通过共享嗅觉受体活性位点、激活不同亚型嗅觉受体等方式，产生感官叠加的效果。同类酯类因酯基结构一致，可通过“多配体-单受体”模式激活嗅觉受体，且不同酯类的烷基链可填充受体活性位点的不同疏水区域，增强受体与配体的结合亲和力，进而放大感官信号。Niu Yunwei等对白酒中同类酯类化合物进行两两混合实验，其中11组表现出显著协同效应，混合物的“窖香”感知强度比单一化合物总和高25%～60%。米饭中挥发性物质的嗅觉特征可与非挥发性物质的味觉特征形成感官关联。在米饭咀嚼过程中挥发性风味2AP的“爆米花味”与非挥发性葡萄糖、果糖的“清甜”在大脑皮层中产生协同，强化米饭的风味感知。Wang Guangnan等通过风味重组实验表明，非挥发性物质不直接提供核心香气，而是以调控挥发性物质释放、在感官层面协同嗅觉信号的方式，成为挥发性物质风味表达的载体。研究中仅含挥发性物质的模拟样品，因缺乏非挥发性物质协同调控，虽能通过嗅觉受体传递特征香气，却与原食品风味轮廓差异显著，无法还原完整风味。补充非挥发性物质后，其风味则与原食品高度接近。这证实食品特征风味是二者经多感官互作形成的整合效应，二者结合是调控食品风味真实性与协调性的核心机制。
2、蛋白质-挥发性风味物质交互机制及理论模型
蛋白质与挥发性风味物质的结合通过共价键和非共价键实现结合。蛋白质结构中侧链数量、巯基、氨基活性及构象变化和风味物质的结构会影响结合力。通过物理截留和分子结合可保留风味，调控释放速率。共价结合可能导致风味损失，非共价可逆结合可实现缓释，加工中蛋白质与香气活性竞争，影响最终风味保留或释放。米饭蒸煮时温度对蛋白结构的影响即体现此机制。
2.1 蛋白质-挥发性风味物质交互机制
蛋白质与风味物质结合不仅取决于风味物质的结构、性质，还取决于蛋白质结构中侧链的数量及其结构，侧链可以提供结合过程中的多种结合力。在蛋白质-风味物质化合物的结合过程中存在可逆或不可逆的非共价键和共价键。
2.1.1 非共价结合作用
非共价作用力一般是可逆的，如范德华作用、离子键、氢键和疏水作用等。Zhang Jian等在肌球蛋白与风味物质交互的研究中发现，随着胰蛋白酶含量的增加，肌球蛋白对醛类和酮类的吸附能力增强。胰蛋白酶通过特异性切割肌球蛋白中精氨酸或赖氨酸羧基端的肽键，导致蛋白质一级结构断裂，进而破坏其三级结构的维系力。同时，酶解作用使氨基与巯基暴露量增加，促使蛋白质三级结构趋于松散，这种构象改变释放出更多可与风味物质结合的疏水口袋和极性位点。蛋白质中的疏水区域通过形状互补和范德华力等方式与风味物质的疏水基团进行结合。Guichard等在风味物质-蛋白质相互作用研究中，得出蛋白质和风味物质结合与疏水性呈现正相关性的结论。Snel等通过静态顶空测量添加蛋白前后风味化合物的浓度变化评估风味保留率。结果表明风味化合物的保留率与其疏水性呈正相关，疏水性越强的风味化合物更容易被蛋白保留。离子强度是调控蛋白结合能力的关键环境因子，随离子强度升高，蛋白与风味物质的结合率均显著上升，这可能与盐离子促进肌球蛋白溶解度提升、构象舒展并暴露更多疏水结合位点有关。Wang Kun等研究发现离子强度显著影响风味物质的顶空浓度，极端pH值或离盐溶液会破坏蛋白天然结构，降低结合能力，而非离液盐高浓度时可稳定蛋白疏水区域，促进蛋白质与风味物质结合。范德华力属于更弱的物理结合，风味物质会被物理包裹在蛋白质的毛细管或缝隙中，或通过分子间瞬时偶极矩产生微弱吸引力，这种作用常见于烃类等小分子非极性风味物质与蛋白质的结合。热处理能不同程度地改变蛋白质的构象，热变性的蛋白质双螺旋结构展开，形成特殊的伸展结构，稳定结构变疏松，疏水基团外露，更好地与风味物质结合。蛋白质相互作用通过非共价作用力，可以改善含蛋白质食品的整体风味特征。
2.1.2 共价结合作用
风味分子也可以通过共价结合的方式与蛋白质的侧链相互作用，包括醛-赖氨酸和胺-羰基，这些相互作用通常不可逆。含硫风味物质可与蛋白质中的巯基发生氧化反应，形成二硫键，或通过迈克尔加成反应与蛋白质的不饱和键结合，这种结合不仅会固定风味，还可能改变蛋白质的结构与功能特性。豌豆蛋白分离物与部分挥发性风味化合物存在共价作用，可能导致蛋白质聚合，影响食品的质地。赖氨酸残基侧链的ε-氨基也会与醛类化合物通过形成席夫碱发生结合。而胺类挥发物与天冬氨酸、谷氨酸的末端羧基之间形成酰胺键，也属于共价键合，这些结合均能够导致食品风味特征发生变化。Anantharamkrishnan等以β-乳球蛋白为模型蛋白，选用苯甲醛、柠檬醛、异硫氰酸烯丙酯3种常见风味物质，开发了结合超高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱与蛋白质组学的分析方法，成功表征并监测了二者间的共价相互作用。苯甲醛仅通过席夫碱反应与β-乳球蛋白的赖氨酸结合，柠檬醛通过席夫碱和迈克尔加成反应导致β-乳球蛋白交联，异硫氰酸烯丙酯仅通过迈克尔加成形成多组加合物。
共价键的不可逆结合特性对食品风味品质与加工特性具有显著调控作用，其影响主要体现在风味稳定性与蛋白质功能特性两个维度：在风味调控层面，该不可逆结合会导致风味物质分子被永久固定，若结合对象为食品体系中产生的不良风味成分，将造成产品异味固化且难以通过常规工艺去除，严重破坏食品感官品质；在蛋白质功能改性层面，共价结合可引发蛋白质分子结构与功能特性的不可逆改变，如脂肪氧化产生的醛类物质与蛋白质分子中的赖氨酸残基发生共价交联反应，导致蛋白质聚合度升高，最终对食品质构与口感产生负面影响。从食品加工与贮藏的实际应用角度看，蛋白质与风味物质间的共价相互作用是导致食品体系特征香气成分流失、产品货架期缩短的关键诱因之一。
2.1.3 蛋白质-风味物质交互在米饭加工中的应用
在米饭的蒸煮过程中，温度和压力是导致米饭香味损失或变化的重要参数。在加热的初始阶段，蛋白质折叠后可能会暴露出内部疏水位点，从而提供更多的结合位点，加工过程中温度的升高增加了芳香化合物的活性系数，促进香气化合物的结合。与此同时，蛋白质在加热过程中部分聚集，降低了与芳香化合物结合的能力，蛋白质-蛋白质相互作用取代了蛋白质-香气活性成分相互作用，导致香气保留减少。所以米饭中香气物质的保留或释放可能部分取决于热处理过程中蛋白质构象变化和蛋白质-蛋白质结合与蛋白质-香气活性成分之间的竞争结果。
2.2 挥发性风味物质结合蛋白质的表征方法
检测蛋白质与风味物质的表征方法主要分为常规分析方法和模型分析方法两类。常规分析方法通过实验手段直接获取相互作用信息，包括测定溶液或外部游离风味化合物的浓度以确定蛋白质结合量，以及利用同步荧光光谱、紫外-可见光谱等光谱技术分析蛋白质结构变化；模型分析方法则借助分子对接、分子动力学模拟、模型构建等技术，从理论层面研究风味化合物与蛋白质相互作用的特定位点和结合方式，以检测食品蛋白质和风味化合物之间的相互作用模式。
2.2.1 仪器分析方法
风味物质的定性定量分析是食品科学和感官科学的重要研究内容，常用气相色谱-质谱联用、气相色谱-嗅觉测量、液相色谱-质谱联用等方法，顶空分析法基于气-液分配系数结合气相色谱-质谱分析，可通过顶空瓶中挥发性化合物浓度预估进食时的风味感知程度。光谱技术常用于阐明香气化合物与蛋白结合时引起的蛋白质构象改变，采用气相色谱法对蛋白质-香气物质结合进行分析如图4所示。Tong Wenghua等综合运用紫外-可见吸收光谱、荧光猝灭光谱、同步荧光光谱、圆二色光谱等多光谱技术，解析出牛血清白蛋白与吡嗪类风味物质的相互作用机制，证实吡嗪类通过疏水和静电作用与牛血清白蛋白结合，其烷基取代程度影响结合强度及蛋白构象变化，为风味控释提供了分子层面理论依据。
2.2.2 模型分析方法
模拟分析方法中，分子对接和分子动力学模拟常被用于探究蛋白质与风味物质的结合方式。Wang Danqing等应用分子对接模拟，研究β-乳球蛋白与47种带有13种不同官能团的气味物质之间共价键的形成，观察到二硫键等共价键的形成过程，发现熔化的球状态蛋白质能更好地与烯醛通过迈克尔加成和席夫碱反应进行共价结合，形成稳定的复合物，结合3D模型如图5所示。
2.3 风味物质-蛋白质相互作用的理论模型
模型预测是一种高效、经济的研究手段，能够探究风味化合物的结构和物理化学性质对结合机制的影响。Barallat-Pérez等通过对5种蛋白质与7个化学类别的33种风味化合物的结合情况进行测试，构建了QSAR模型。利用气相色谱-质谱联用技术测定蛋白质-风味物质的结合情况并计算结合率，从PubChem获取风味化合物的SMILES、沸点、蒸气压等物化参数，同时通过实验测定蛋白质的溶解度、粒径、电位等特征。接着使用Boruta算法筛选关键描述符，最终确定12个关键描述符（如电荷分布指标、疏水性参数等）。Boruta算法能精准选全特征，适配复杂数据，结果稳定可解释。QSAR模型验证方法与Liu Xiao等的实验类似，其以随机森林作为核心预测模型，结合集成模型辅助，通过网格搜索优化超参数，并运用留一交叉验证和外部验证方法对模型进行验证，结果显示模型可高度拟合训练数据。Barallat-Pérez等构建的QSAR模型成功关联了风味化合物的物理化学性质与蛋白质结合行为，为食品工业优化风味添加提供了有力工具。
蛋白的疏水性指数与风味保留能力相关，疏水性指数越高，风味保留能力越强，当风味保留主要依赖于疏水相互作用并且蛋白质来源已知时，即可预测风味保留。为预测风味与蛋白质之间的相互作用的经典理论模型为Scatchard（或Klotz）方程（式（1））或Hill模型方程（式（2））：
式中：v为与1 mol蛋白质结合的风味配体的物质的量/mol；n为蛋白质上的结合位点数；K和[L]分别为平衡条件下的结合常数/（L/mol）和溶液中游离风味配体的浓度/（mol/L）。
结合常数K可以被认为是气-液分配系数，它定义了平衡时风味在空气和液相中的浓缩比。为了判断蛋白质和风味物质相互作用的具体结合力，通常采用热力学分析方法计算结合自由能（ΔG）、结合焓（ΔH）和结合熵（ΔS）的变化，具体按式（3）、（4）计算：
式中：R为气体常数；T为热力学温度/K。
随着研究技术的发展，科研人员在经典模型的基础上开发了更贴合实际食品体系的数学模型。
例如，Harrison和Hills针对含有大分子的液体体系，建立了专门预测亲水性和疏水性化合物风味保留的模型。与经典模型相比，该模型的优势在于充分考虑了大分子在液体中的聚集状态、空间位阻效应对风味分子扩散与结合的影响，更符合实际食品的微观结构特征。
一般而言，风味与蛋白质的结合属于自发过程，从热力学参数的角度可以将结合机制分为两类：焓驱动和熵驱动。焓驱动的过程表明，风味与蛋白质的结合可以在低温下发生。由熵驱动的风味与蛋白质的结合意味着高温有利于相互作用。Bi Shuang等通过Klotz模型和Stern-Volmer方程分析非共价结合位点的数目和结合力的强度，利用Scatchard方程的双倒数形式，绘制Klotz双倒数图。结果表明豌豆蛋白与风味化合物的结合为独立结合，进而计算出豌豆蛋白与(Z)-2-戊烯-1-醇、己醛和(E)-2-辛烯醛结合的位点数量、结合常数，结合位点数量和结合常数均呈现(E)-2-辛烯醛＞己醛＞(Z)-2-戊烯-1-醇的顺序，这表明豌豆蛋白对(E)-2-辛烯醛的保留能力最强，该结论与实验中通过键中断剂验证的结果一致，说明该模型得出的结论可靠。许多研究证明风味化合物与蛋白质的结合行为大多遵循Scatchard方程。
3、影响蛋白与挥发性风味物质交互的因素
挥发性风味物质和蛋白质的结合能力随结合位点的变化而改变，而位点的变化又与蛋白质的结构相关，会影响蛋白质结构的因素都会影响蛋白质与挥发性风味物质的结合如图6所示。常见的蛋白质种类、含量、挥发性风味物质结构及外界影响因素（pH值、温度、加工方式等）都会影响其结合。蒸煮过程中的热力学参数是调控蛋白质构象转变的关键驱动因素。
3.1 蛋白质结构及含量
3.1.1 蛋白质结构
蛋白质种类的不同，包括氨基酸残基、二级结构等存在差异，能够影响其与香气化合物作用时所表现的结合能力强弱。表2总结了香气化合物与不同蛋白质的结合作用。在蛋白质折叠过程中，非极性氨基酸残基基于疏水作用自发向分子内部聚集，逐渐形成相对封闭的疏水核心。极性氨基酸残基因更易与水形成氢键，暴露在蛋白质分子表面。随着非极性残基在分子内部的进一步聚集，彼此间的间距不断缩小，残基间的范德华力显著增强。对于表面疏水性强的蛋白质，会对风味物质直接产生吸附，对于表面疏水性较弱的蛋白质，风味物质则会进入蛋白分子内部或空腔的位置与蛋白质进行结合。香气化合物结合可诱导无规卷曲含量增加，进一步扩大结合位点数量，降低结合特异性但提升结合效率。Gao Ziwu等研究发现，当蛋白与特征性风味物质作用时，会破坏蛋白质内部氢键，促使无规卷曲含量增加，原本隐藏的疏水基团被暴露到蛋白质表面，为风味物质的结合增加结合位点。
3.1.2 蛋白质含量
风味吸附效果与蛋白质含量密切相关，结合位点的数量及分子间作用力的强弱可决定其吸附情况。在一定范围内，随着蛋白质含量升高，可利用的疏水结合位点增多，与风味物质的结合能力增强。但当蛋白质含量过高，会出现饱和效应，结合位点被占满，游离风味物质浓度增加，结合率增速变缓。Wang Haitang等研究了4种醛与肌原纤维蛋白之间的相互作用，发现醛类与肌原纤维蛋白的结合能力随蛋白浓度增加先增强后减弱，且碳链较长的醛类结合能力更强，其相互作用包括不可逆共价结合和可逆物理化学结合，其中共价结合占主导。蛋白质含量变化会引起结构改变。低浓度时，蛋白质发生解聚，暴露更多内部结合位点；高浓度时，因分子间相互作用形成聚集体，使有效结合位点减少。Snel等对4种植物蛋白及乳清蛋白与不同链长酮类和酯类的相互作用进行研究，发现随着蛋白质浓度增加，长链酮类和酯类的顶空浓度降低（风味保留增强），但短链风味物质因蛋白质的尺寸排阻效应顶空浓度升高；不同蛋白的风味结合能力与疏水性正相关。
通过调控蛋白质种类及含量可定向影响风味物质的吸附或释放，从而优化食品口感。在浓度过高时，这类大分子易发生聚集或分子间联结，致使结合位点构象改变或部分结构被遮蔽，削弱与风味成分的相互作用。
3.2 挥发性风味物质结构
挥发性化合物的结构对其与蛋白质作用的结合位点及结合常数具有显著影响，其结构在官能团、链长和不饱和度方面差异很大，这种差异不仅会导致香味特性的变化，还会影响蛋白质-风味的相互作用，从而影响食品的最终风味。通过Hill模型分析可得，挥发性风味化合物浓度增大导致蛋白质去折叠或肽链展开，暴露新的结合位点，因而与蛋白质的结合能力增强。风味化合物分子质量越大，碳链越长，分子疏水性越强，吸附效率越高。反之，化合物的分子体积越大，空间位阻效应越明显，越难进入蛋白质分子内部的结合位点，导致吸附效率低。一般研究倾向于认为风味成分与蛋白质的结合强度依次为：醛类＞酮类＞醇类。与酮类化合物相比，醛类化合物通常与蛋白质有更高的结合亲和力。然而，同一类风味化合物例如醛类，会随着碳链长度的增加，与蛋白质的结合强度增加。Wang Juan等通过顶空固相微萃取和气相色谱-质谱联用技术及蛋白结构分析辅助分析发现，对于(E)-2-辛烯醛、己醛、(Z)-2-戊烯-1-醇这3种风味化合物，(E)-2-辛烯醛与豌豆蛋白结合的百分比最高，结合位点数最多且结合常数最大，其次为己醛和(Z)-2-戊烯-1-醇。一般来说，结合常数与化合物碳链长度呈正相关，如醛和反式-S-十一烯醛对大豆分离蛋白的结合亲和力随着链长的增加而增加。研究表明，蛋白与这些风味化合物的相互作用可逆，主要由疏水作用和氢键共同驱动，通过控制蛋白与风味物质反应底物的种类和比例、温度、pH值以及反应时间，可实现对蛋白质与风味物质交互反应的合理控制，从而生成理想的风味物质和食味品质。
3.3 温度
食品风味轮廓的形成直接受热加工过程中蛋白质构效关系调控，而热诱导蛋白变性是核心作用机制。高温处理促使蛋白发生交联聚集，这一结构变化不仅调控着风味前体物质的释放效率，更通过空间位阻效应决定醛类、吡嗪类等特征香气成分的保留率。
研究表明，当热诱导蛋白聚集体形成致密网络时，其疏水区可吸附60%以上的脂质氧化产物，显著改变终产品的风味强度。Xu Yongxia等通过热处理对豌豆蛋白与风味物质结合行为进行研究，结果表明，温度与处理时间通过调控蛋白构象和热力学过程，对不同特性的风味物质呈现差异化结合效。随温度升高，疏水性风味物质2-甲基吡嗪与蛋白质的结合率增加，这归因于升温诱导蛋白热变性，暴露更多疏水基团以提供结合位点。风味化合物与蛋白结合能力的变化与疏水性和巯基含量的变化一致。蛋白风味结合能力在温度升高的前提下初步增强，归因于二级结构的展开，暴露出更多的疏水键合位点和氢键位点，增加其与风味物质结合的能力；而后期温度升高导致蛋白质聚集，疏水位点隐蔽，降低了蛋白质与风味物质的结合作用。
3.4 pH值
pH值可以改变蛋白质的结构、电荷分布以及风味物质的化学性质，从而影响它们之间的结合能力、反应速率和最终的风味表现。Gu Saiqi等研究了关键的异味风味化合物（KFOCs）——庚醛、辛醛、壬醛和1-辛烯-3-醇与蛋白的结合。肌球蛋白是所有4种KFOCs的主要结合受体，在中性pH值和较高离子强度下表现出最强的结合能力。pH值通过改变蛋白的二级结构和表面特性显著影响其与风味物质的结合能力。低pH值条件会增强蛋白质间相互作用，促使蛋白形成大颗粒聚集体，增加表面疏水性并暴露更多疏水结合位点；然而，聚集产生的空间位阻可能限制与风味物质的结合，反而促进风味的释放。随着pH值升高，蛋白质对醛类和酯类的吸附能力增强，而对酮类的吸附减弱，这主要源于静电作用和疏水作用的动态平衡。研究表明，低pH值环境下，蛋白质的氨基质子化增强静电排斥，而高pH值下疏水作用主导，尤其是醛类化合物通过与赖氨酸残基的氨基形成可逆氢键或共价键增强结合。此外，pH值诱导的构象变化会改变蛋白质的极性基团分布，如吡嗪类化合物与蛋白的结合在低pH值时因蛋白质聚集而受限，但在中性pH值下因疏水区域暴露而结合能力提升。pH值通过调控蛋白质构象及分子间作用力类型，直接影响不同风味物质的吸附与释放行为。
3.5 离子强度
蛋白质的结构决定了其表面结合位点的暴露程度，而离子浓度通过“盐溶”或“盐析”效应改变蛋白质构象，直接影响风味物质的结合效率。其中，低盐浓度以盐析效应为主，会屏蔽蛋白质表面电荷、促进疏水相互作用，从而增强与风味物质的结合；中高盐浓度则以盐溶效应为主，多抑制二者结合。Teng Jie等研究得出低浓度NaCl通过盐溶效应促大米蛋白解折叠，导致其表面疏水性升高；高浓度通过盐析效应致其再折叠/聚集，导致其表面疏水性降低，且离子竞争使蛋白对醇酮醛吸附力减弱。不同盐浓度通过改变蛋白的溶解度、聚集状态及分子间作用力，间接影响风味前体物质释放及风味化合物结合效率，最终导致食品风味差异。尽管低盐和中高盐浓度对二者相互作用的影响趋势已初步明确，但不同离子的特异性作用机制及离子强度与pH值的协同影响仍需进一步研究。
3.6 加工技术
近年来，微波、高压加工等新型食品加工技术，因高效节能、利于食品品质等优势，在食品工业应用研究渐深。其中高压加工技术作为非热加工代表，影响食品中蛋白质与风味物质交互作用，是当前米饭风味调控研究方向之一。
高压环境的核心作用在于改变蛋白质的二级与三级结构，进而重构其与风味物质的结合界面。在压力作用下，蛋白质分子会发生构象展开，原本包裹在分子内部的疏水区域大量暴露，这一结构变化直接影响了其与不同类型风味物质的相互作用模式。对于以疏水作用为主要结合力的风味化合物，低压处理因未能显著破坏蛋白质的疏水口袋结构，对二者结合率无明显影响，而当压力升高到一定阈值时，蛋白质疏水口袋被破坏，同时蛋白质分子发生聚集，导致其与风味物质的疏水结合位点减少，最终使结合率显著降低。对于含双键、以共价作用为主的风味物质，高压引发的蛋白质构象展开会暴露更多氨基酸残基，这些残基可与其风味物质形成新的共价键，且随着压力的升高，蛋白质构象展开程度加深，暴露的氨基酸残基数量增加，二者的共价结合率呈现出明显的上升趋势。实际米饭加工中，传统米饭加工以常压蒸煮为主，而高压无沸腾蒸煮技术通过压力调控，可改变米饭中蛋白质的二级与三级结构，进而影响蛋白质对挥发性风味物质的保留与释放效率。高压无沸腾蒸煮技术相比传统常压蒸煮，能使米饭挥发性成分种类、含量更高，中长链挥发性成分占比显著提升，印证了加工技术调控蛋白质-风味物质结合以优化风味的机理。同时，米饭预处理（如预浸）会分解含硫氨基酸生成不良风味物质，影响高压调控效果，实际应用时需综合考量预处理工艺。
4、结语
在米饭的食用研究领域，米饭风味品质作为决定消费者偏好与市场价值的核心指标，其研究虽已取得阶段性进展，但仍存在多方面待突破的瓶颈。米饭蒸煮过程中特征风味物质的生成规律虽已初步明晰，但这些风味物质如何与大米蛋白发生交互作用，进而影响风味的保留与释放，其深层机制尚未完全厘清。米饭蒸煮过程中与淀粉、脂质、蛋白质等宏量组分降解转化的协同机制，以及加工条件对风味前体物质释放效率的精准调控规律，仍缺乏系统性的量化研究。本文围绕米饭风味品质，系统梳理了挥发性风味物质的形成机理与蛋白-风味交互机制，明确了米饭蒸煮过程中的风味形成过程；解析了蛋白质与风味物质的非共价结合与共价结合的作用形式，探讨了蛋白质结构与含量、风味物质分子特性及外界条件对二者交互作用的影响规律，为理解米饭风味的动态变化提供了全面的理论框架。米饭风味的研究不仅需要在基础理论上取得突破，还需在技术开发和应用层面不断创新。当前米饭风味研究面临机制未完全明确、高效蛋白质改性技术待开发、检测方法需优化等挑战，未来需深入基础理论研究，开发天然安全的风味改良剂，结合现代加工技术提升米饭品质，为大米加工产业高质量发展提供支撑。
通信作者
张娜 教授
哈尔滨商业大学食品工程学院 院长
博士研究生导师，美国威斯康星大学访问学者，黑龙江省政府特殊津贴专家，黑龙江省高层次人才，黑龙江省领军人才梯队后备带头人，中国食品科学技术学会理事、青年工作委员会副主任，全谷物分会秘书长，中国粮油学会理事，中国粮食行业协会大米分会理事，黑龙江省稻米精深加工产业技术研究院负责人；黑龙江省食品科学技术学会副理事长兼秘书长；黑龙江省粮油学会副理事长，国内外多家学术期刊编委、审稿专家。
主要从事谷物化学及粮食高值化利用研究。先后承担国家省部级等项目25 项；参与完成国家、省级项目22 项。先后获省科技进步奖二等奖等科技奖励11 项，累计发表SCI收录100余篇。发明专利授权10余件。主编、副主编《食品安全与卫生》《现代食品分离技术》等著作8 部。获中国科协全民科学素质工作先进个人，中国食品科学技术学会杰出青年奖，省委教育工委优秀共产党员、省优秀科技工作者，黑龙江省青年科技奖等荣誉称号。
王冰 高级工程师
哈尔滨商业大学食品工程学院
博士（在站博士后），硕士生导师，2018年赴俄罗斯远东联邦大学生物医学院访学交流，黑龙江省食品科学技术学会副秘书长、中国民族医药学会方药量效研究分会常务理事，《食品工业科技》《Food Chemistry》等期刊审稿人。主要从事谷物发酵、谷物化学与加工机理/药食同源产品开发领域的技术研究；主持中国博士后科学基金特别资助项目、中国博士后科学基金面上资助项目、省博士后面上项目（一等资助）、省优秀青年教师基础研究计划、省教育厅高校青年创新人才计划等科研项目7 项，参与国家自然科学基金面上项目3 项、科技部“十四五”国家重点研发计划课题2 项、科技部“十三五”国家重点研发计划子课题1 项，参与省科技攻关、重大专项、重点研发计划、自然科学基金等省部级科研项目6 项，厅局级课13 项；发表科研论文60余篇，其中SCI论文20余篇；授权发明专利6 项；获黑龙江省科技进步二等奖1 项，中国商业联合会科技进步二等奖1 项。
第一作者
刘思琪
研究生就读于哈尔滨商业大学
研究方向为农产品加工及贮藏工程，曾获得中国食品科学技术协会举办的CIFST-第三届国家乳业技术创新中心大赛中第二名
引文格式： 刘思琪, 杨杨, 孙秀宇, 等. 米饭挥发性风味物质的形成及其与蛋白质交互机制的研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(5): 351-363. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250715-124. LIU Siqi, YANG Yang, SUN Xiuyu, et al. Research progress on the formation of volatile flavor substances in rice and their interaction with proteins[J]. Food Science, 2026, 47(5): 351-363. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250715-124. 下方原文可查看文章相关信息。
实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。图片来源于文章原文及摄图网。
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