后鼻腔香氣感知影響因素及其分析方法研究進(jìn)展

蒲丹丹，陜怡萌，史伊格，張莉莉，周雪巍，張玉玉

（北京工商大學(xué) 北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

香氣是重要的食品感官品質(zhì)之一，決定了消費(fèi)者的接受度。香氣感知是人對香氣化合物的化學(xué)刺激、生理反應(yīng)以及心理作用的總和，是人與食品相互作用的結(jié)果。香氣感知包括前鼻腔和后鼻腔兩種路徑且互不干擾，前鼻腔路徑指通過鼻孔感知環(huán)境中的香氣，提供對外界環(huán)境預(yù)警信號和食品可食用性信息；后鼻腔路徑強(qiáng)調(diào)食品在咀嚼過程（口腔加工）中所感知的食品香氣，提供了對食品接受度、感官享受的信息，也體現(xiàn)了人類的行為學(xué)特征。Bojanowski等從心理物理、電生理和功能性磁共振成像多角度闡述了人類的前鼻腔和后鼻腔香氣感知在受體和中樞水平上的差異。此外，Craft等采用多電極陣列記錄了大鼠體內(nèi)嗅球二尖瓣細(xì)胞在前鼻腔和后鼻腔刺激模式下對丁酸乙酯反應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了前鼻腔和后鼻腔香氣感知的差異。

后鼻腔香氣感知發(fā)生在食品口腔加工過程中，通常與同時(shí)發(fā)生的味覺刺激有關(guān)，導(dǎo)致嗅覺呈現(xiàn)類似味覺的特性，因此嗅覺缺失會影響味覺感知。此外，后鼻腔嗅覺感知需要味覺皮質(zhì)參與并受多種皮質(zhì)協(xié)同作用，可與味覺、口腔觸覺等多種感官存在跨模交互作用。當(dāng)香氣特征與滋味特征表現(xiàn)出一致性時(shí)兩種刺激具有增效作用，如3-甲硫基丙醛、1-辛烯-3-醇和2,5-二甲基吡嗪可顯著增強(qiáng)氯化鈉溶液的咸味感知強(qiáng)度，香蘭素能夠增強(qiáng)蔗糖溶液的甜味感知強(qiáng)度。明確后鼻腔香氣感知機(jī)制，對利用多感官的跨模交互規(guī)律實(shí)現(xiàn)低鹽和低糖健康食品的配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要意義。

由于負(fù)責(zé)香氣檢測、辨別以及識別處理的高級區(qū)域同時(shí)還肩負(fù)人體的神經(jīng)調(diào)控、情緒和行為管理等高級功能，因此嗅覺異常可作為許多疾病的重要標(biāo)志，如精神類疾病患者的嗅覺識別能力受到了影響，阿爾茲海默癥患者具有明顯的嗅覺障礙，以及新冠肺炎患者的嗅覺喪失。另外，后鼻腔香氣強(qiáng)度的衰減曲線是非侵入性評估吞咽困難患者咽部殘留的有效方法，可用于預(yù)測咽部殘留的食物量。由于后鼻腔香氣感知刺激難以控制且易引入其他感官的干擾，后鼻腔香氣感知經(jīng)常被大家所忽略。本綜述對后鼻腔香氣感知的概念、基本過程、主要影響因素及其分析方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，旨在理解后鼻腔香氣感知機(jī)制以及為健康美味食品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)和疾病預(yù)警提供新的思路。

1 前鼻腔與后鼻腔香氣感知差異

1.1 遺傳變異與飲食文化差異

嗅覺受體是人類對食品和外界環(huán)境香氣感知主要接收器，在人類進(jìn)化和環(huán)境選擇過程中嗅覺基因的遺傳變異對香氣認(rèn)知和靈敏度有重要影響。嗅覺受體的基因序列多樣性已被證明有助于食物偏好，Eriksson等通過對14 604 名歐洲人全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，位于11 號染色體嗅覺受體基因簇存在對醛類香氣敏感的嗅覺受體基因，導(dǎo)致對香菜排斥。Gisladottir等證實(shí)基因變異可影響冰島人對魚腥味的認(rèn)知和感知，部分個(gè)體攜帶的特定基因突變可使其感知的魚腥味減弱，甚至覺得魚腥味令人愉悅。此外，基因變體可使個(gè)體對甘草香氣的感知能力更強(qiáng)烈，并對其感知更愉悅，這種變異在東亞比在歐洲更常見。飲食文化與遺傳變異存在必然聯(lián)系，飲食文化決定了香氣感知的偏好，而偏好會促進(jìn)遺傳變異，進(jìn)而反饋調(diào)節(jié)香氣感知。不同國家和地區(qū)的飲食文化存在顯著的多元性和差異性，如西方人認(rèn)為豆類食品應(yīng)該劃分為咸味食品，然而在亞洲地區(qū)豆制品雖然可作為咸味食品，但在多數(shù)情況下被劃分為甜味食品。Gotow等證實(shí)文化差異會驅(qū)動消費(fèi)者增強(qiáng)對熟悉食品的后鼻腔香氣感知，同時(shí)也伴隨著食品味覺感知的強(qiáng)化。

1.2 香氣傳遞路線差異

鼻腔香氣感知通過鼻孔將外界環(huán)境中的香氣分子吸入鼻腔，傳輸至嗅覺上皮后與嗅覺受體結(jié)合，從而形成前鼻腔香氣感知。后鼻腔香氣感知主要源于食品口腔加工過程中釋放的香氣，通過呼吸氣流將口腔中的香氣分子傳輸至口腔后部，再經(jīng)口咽部和鼻咽傳輸?shù)胶蟊乔粎^(qū)域，與嗅覺上皮的嗅覺受體結(jié)合，最終形成后鼻腔香氣感知（圖1）。前鼻香氣與外部環(huán)境有關(guān)，后鼻腔香氣伴隨著口腔加工行為，體現(xiàn)了口腔的內(nèi)部狀態(tài)。

圖1 鼻腔和口腔的剖面圖Fig. 1 Sectional view of nasal cavity and oral cavity

香氣感知存在路徑依賴，由于前鼻和后鼻氣流方向的差異和口腔環(huán)境的影響，嗅覺上皮中的嗅覺受體被不同程度地激活形成感知差異，這種嗅覺感知的差異現(xiàn)象也被稱之為嗅覺二元性。對于常見且較為熟悉的香氣，前鼻腔和后鼻腔香氣感知無明顯差異，而將不熟悉或類似的香氣與測試香氣匹配則差異較大，且后鼻腔對陌生香氣的感知?jiǎng)t更為靈敏，表明這兩種途徑存在感知差異。與前鼻腔香氣感知相比，后鼻腔香氣感知路徑較長，因此感知速度更慢。香氣從鼻孔沿著鼻黏膜遷移至嗅覺上皮過程中受鼻黏膜的吸附影響，Mozell通過比較不同香氣化合物刺激青蛙的嗅覺神經(jīng)電信號放電比例，發(fā)現(xiàn)其與化合物在色譜柱上的保留指數(shù)存在一致性，因此提出口咽、鼻咽、鼻甲等器官以及鼻腔中的黏膜對香氣傳遞與感知存在“色譜分離”效果，該結(jié)果說明了后鼻腔香氣感知相比于前鼻腔所需時(shí)間更長。核磁成像證實(shí)了前/后鼻腔香氣感知差異源于香氣認(rèn)知、香氣傳遞途徑以及大腦的獎(jiǎng)賞機(jī)制差異。通過比較男性和女性的前鼻腔和后鼻腔嗅覺感知差異性發(fā)現(xiàn)，在女性受試者中差異明顯，但在男性受試者中無顯著差異，說明了男性的后鼻腔嗅覺比女性具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。對于閾上水平的同種香氣刺激，在大多數(shù)情況下前鼻腔感知的強(qiáng)度高于后鼻腔，但也有少部分例外，如2,3-丁二酮和肉桂酸甲酯的后鼻腔感知閾值則低于前鼻腔。

2 后鼻腔香氣分析研究進(jìn)展

通過Web of Science對后鼻腔香氣關(guān)鍵詞檢索，共檢索到204 篇論文（截止2022年5月6日），其中發(fā)文量最多的國家為德國（43 篇），其次為日本（31 篇）、美國（28 篇）、法國（27 篇）、西班牙（24 篇）、英格蘭（16 篇）、意大利（14 篇）、新西蘭（14 篇）、中國（13 篇）以及澳大利亞（6 篇）。采用Citespace 5.8.R3軟件作為文獻(xiàn)可視化分析工具，可實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)的共被引、研究主題聚類以及研究主題突現(xiàn)分析。研究主題的聚類分析結(jié)果顯示＝0.832 4、＝0.929 6，共得到13 種研究主題聚類模塊，包括香氣釋放、口腔模型、未經(jīng)訓(xùn)練評價(jià)人員、食品香氣成分、感官評價(jià)、橄欖油、快速進(jìn)食增加靈敏度、老鼠嗅覺上皮、生理-風(fēng)味相互作用、青香香氣、葡萄酒香氣成分、變化和揮發(fā)性成分糖基化。研究主題的分析結(jié)果說明后鼻腔香氣感知主要聚焦在香氣釋放與感知評價(jià)、口腔模型、食物基質(zhì)和口腔生理參數(shù)對香氣釋放和感知影響等方面。

研究主題突現(xiàn)分析結(jié)果如表1所示，研究主題的突現(xiàn)代表了當(dāng)前的發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)。根據(jù)研究主題的變化分析，后鼻腔香氣感知領(lǐng)域的發(fā)展趨勢可分為兩個(gè)階段：第一階段，1995—2009年，主要針對后鼻腔香氣分析方法開發(fā)，如體內(nèi)和體外模型實(shí)驗(yàn)、后鼻腔香氣感知的離線分析方法和在線質(zhì)譜儀器的開發(fā)。Roberts等構(gòu)建了早期的體外口腔咀嚼模型模擬后鼻腔香氣感知，考慮了唾液分泌、口腔溫度、咀嚼剪切以及脂肪等多種因素對香氣釋放的影響，并依據(jù)此模型研究了不同香氣化合物的釋放曲線。Buettner等構(gòu)建了后鼻腔香氣感知分析方法，采用Tenax吸附對鼻腔呼出氣體中的香氣成分進(jìn)行了定量定性分析，隨后采用熒光透視和實(shí)時(shí)磁共振成像觀察吞咽過程后鼻腔香氣感知的影響因素；第二階段，2010年至今，主要聚焦于人的感官以及生理參數(shù)對香氣感知的影響，如味覺與后鼻腔嗅覺的跨模交互作用、唾液成分對食品口腔加工過程中的香氣釋放、鼻黏膜和口腔黏膜對香氣的代謝以及感知評價(jià)。Lim和Green等通過心理物理學(xué)方法評價(jià)了口腔加工過程中的嗅覺與味覺相互作用，證實(shí)了口腔味覺和后鼻腔香氣感知兩個(gè)解剖學(xué)上不同器官的感覺輸入可在口腔中實(shí)現(xiàn)整合，且具有相同特征的組合存在協(xié)同增效的作用。Canon和Mu?oz-González團(tuán)隊(duì)在食品口腔加工香氣感知以及唾液對香氣釋放的影響規(guī)律領(lǐng)域做了大量工作，包括唾液模型反應(yīng)和食物口腔加工風(fēng)味釋放規(guī)律，并比較了人工模擬唾液、單一唾液組分與全唾液組分的差異和不足，強(qiáng)調(diào)了全唾液組分的不可替代性及其研究的必要性。

表1 后鼻腔香氣研究主題突現(xiàn)分析結(jié)果Table 1 Burst title analysis of retronasal aroma in Web of Science database

3 影響后鼻腔香氣感知的主要因素

后鼻腔香氣感知發(fā)生在食品口腔加工階段，因此口腔是后鼻腔香氣感知的起點(diǎn)。食品口腔加工是一個(gè)動態(tài)變化過程，包括食品攝入、咀嚼破碎、食物團(tuán)形成、吞咽和口腔清洗5 個(gè)基本步驟，且涉及食品科學(xué)、材料學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)學(xué)以及腦科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。食品口腔加工過程中的香氣感知受到多個(gè)因素的影響，可分為內(nèi)在因素和外在因素。其中外在因素為食品本身的物理化學(xué)性質(zhì)（香氣組成及其性質(zhì)、基本組分構(gòu)成和質(zhì)構(gòu)/流變特性等），內(nèi)在因素主要指口腔生理參數(shù)（口腔體積/表面積、口腔溫度變化、咀嚼方式/效率、唾液流速、唾液組成以及口腔黏膜等）和鼻腔的生理參數(shù)（呼氣流速、鼻腔體積、鼻黏膜以及鼻腔結(jié)構(gòu)等）。其中食品本身的物理化學(xué)性質(zhì)與口腔加工生理參數(shù)決定了口腔中的香氣構(gòu)成與含量，而后鼻腔香氣感知的關(guān)鍵在于鼻腔的生理參數(shù)，即如何將口腔中的香氣成分有效傳遞至后鼻腔與嗅覺上皮細(xì)胞結(jié)合形成后鼻腔香氣感知。

3.1 食品基本性質(zhì)

食品中的香氣種類復(fù)雜，Dunkel等報(bào)道在230多種食品中共檢測到超過10 000 種香氣化合物，但對于食品的香氣輪廓具有關(guān)鍵作用的僅240多種。香氣活性值（odor activity value，OAV）是衡量香氣對嗅覺感知貢獻(xiàn)的主要方法，通常OAV≥1即香氣濃度與其對應(yīng)食品體系中的香氣閾值比值大于1則認(rèn)為其對食品的香氣輪廓具有重要貢獻(xiàn)。香氣分子的取代基位置不同、手性差別和對映體差異都會導(dǎo)致香氣特征和強(qiáng)度的差異。這些結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致香氣與嗅覺受體結(jié)合模式的差異，最終形成不同的激活信號。此外，香氣分子的沸點(diǎn)和疏水常數(shù)會影響它們在鼻腔中的濃度分布，進(jìn)而導(dǎo)致嗅覺感知差異。由于食品口腔加工的復(fù)雜性，食品-唾液混合體系受到食品基質(zhì)中各組分的影響，分配系數(shù)是衡量口腔中復(fù)雜食物基質(zhì)釋放的香氣化合物相對濃度的重要參數(shù)，在固定溫度和溶液體系中每種香氣分子的分配系數(shù)恒定。

食物中的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、礦物質(zhì)的組成差異會影響口腔加工過程中食物基質(zhì)向鼻腔釋放的香氣組成和含量。較高的脂肪含量會減緩香氣釋放速度，導(dǎo)致香氣感知達(dá)到最大強(qiáng)度的時(shí)間更長。尤其是在乳液體系中，脂肪含量較高會顯著抑制香氣釋放，如奶酪的口腔加工過程中脂肪含量越高，檸檬烯、2-庚酮、丁酸乙酯和己酸乙酯的香氣釋放率越低。蛋白質(zhì)易黏附于口腔和上皮（黏膜），并與香氣化合物結(jié)合改變香氣感知。因此，增加食物中蛋白質(zhì)的比例往往會減少揮發(fā)性物質(zhì)的釋放。在大多數(shù)情況下，碳水化合物（蔗糖）和金屬離子（氯化鈉）可以促進(jìn)口香糖口腔加工過程中的香氣釋放。滋味對香氣的影響也取決于兩者風(fēng)味特征的一致性，增加蔗糖和檸檬酸的含量均可增強(qiáng)草莓香氣感知，其中蔗糖的作用效果顯著高于檸檬酸。相比于氯化鈉，蔗糖對焦甜和甜香的香氣感知增強(qiáng)作用更為顯著。根據(jù)味覺和嗅覺間的跨模交互作用，當(dāng)香氣特征與味覺一致時(shí)香氣物質(zhì)可補(bǔ)償滋味感知，具有咸香特征的化合物如二甲基二硫、二甲基三硫、2,5-二甲基吡嗪可增強(qiáng)咸味感知；具有香草、水果香和櫻桃香特征的化合物如香蘭素、2-甲基丁酸乙酯、丁酸乙酯可增加口香糖和糖溶液的甜味感知強(qiáng)度，其中香蘭素的增甜效果最佳。

食品的質(zhì)構(gòu)也是一種感官特性，是影響人們享受和偏好食物的重要因素。在口腔加工過程中食品的質(zhì)構(gòu)和香氣感知之間存在交互作用。目前已進(jìn)行了多種食物模型研究，包括不同質(zhì)構(gòu)特性食品對后鼻腔香氣感知的影響。凝膠模型表明，軟凝膠比硬凝膠能釋放更多的香氣，且釋放速度更快。Pu Dandan等證實(shí)了面包微觀結(jié)構(gòu)決定了口腔加工行為進(jìn)而影響香氣感知，即食物顆粒大小也會影響口腔加工過程中芳香化合物的釋放速度。Raithore等發(fā)現(xiàn)，平均粒徑為57 μm的口香糖在口腔加工過程中的香氣釋放率高于246 μm的口香糖。對于液體和半固體食品，界面?zhèn)髻|(zhì)直接影響香氣釋放，不同的釋放動力學(xué)受到水溶液性質(zhì)的影響。Bonneau等報(bào)告稱，咀嚼塊狀新鮮芒果的香氣釋放量大于芒果漿，并闡明黏度較高的芒果果肉不利于香氣的快速釋放。因?yàn)轲ざ仍黾右种葡銡忉尫?，即擴(kuò)散與黏度成反比。唾液的緩沖能力以及唾液中的脂肪酶使得乳狀液的成分和結(jié)構(gòu)在口腔加工過程中發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致不同的香氣釋放動力學(xué)和感知強(qiáng)度。Benjamin等報(bào)告稱，微米或亞微米級的液滴大小具有快速的香氣轉(zhuǎn)移動力學(xué)，這與van Ruth等的結(jié)論不同，后者報(bào)告了具有較大界面面積的較小液滴會減緩香氣釋放，并降低氣液分配系數(shù)。這些結(jié)果說明乳狀液的多種性質(zhì)對香氣釋放存在多角度的影響，還需進(jìn)一步研究。

3.2 口腔加工參數(shù)

作為食物消化的第一步，口腔加工對食物的營養(yǎng)攝入和感官享受至關(guān)重要。當(dāng)食物被攝入口腔后，它們被牙齒、舌頭、臉頰以及唾液腺的協(xié)同作用分解成小顆粒，最終形成柔軟、潤滑和具有一定黏彈性的可吞咽食物團(tuán)。由于口腔環(huán)境的復(fù)雜和動態(tài)變化，香氣化合物從食物團(tuán)中主動釋放到口腔中，并通過呼吸氣流傳遞至后鼻腔。因此，牙齒數(shù)量、咬合力、唾液組成與分泌量、口腔黏膜等因素對后鼻腔香氣感知有重要作用。

基于飲食體驗(yàn)，咀嚼易受到食物的質(zhì)構(gòu)特性和組成的影響。咀嚼效率取決于咬合力和食物分解方式，并與個(gè)體的性別、年齡、民族和生活習(xí)慣顯著相關(guān)。一般來說，男性的咬合力大于女性，如具有較高肉食傾向的民族（蒙古族）的門牙咬合力（168 N）顯著高于漢族（146 N）。由于咀嚼食物的速率（頻率）不同，食物基質(zhì)中香氣的釋放速率也不同。How等證實(shí)，具有較小顆粒的大米在口腔加工過程中有較高的香氣釋放速率。Genovese等證實(shí)，更長咀嚼時(shí)間的半/固體食物和多次啜飲的液體食物可以提高食物口腔加工的效率，并促進(jìn)香氣釋放以增強(qiáng)香氣感知。咀嚼頻率越高，顆粒尺寸越小，接觸面越大，會促使更多的芳香化合物釋放到后鼻腔中?？谇痪捉罆r(shí)間越長，香氣化合物在口腔中的傳播時(shí)間就越長，從而產(chǎn)生更高強(qiáng)度的香氣感知。

唾液（pH 6.0～8.0）是一種復(fù)雜的生物液體，其主要成分為水（99%）、鹽和蛋白質(zhì)。唾液具有潤滑、緩沖、抗菌活性、保護(hù)牙齒以及風(fēng)味感知等多種功能。由于食物咀嚼刺激導(dǎo)致唾液分泌量和基本成分的變化，從而改變了食品香氣在口腔中的釋放。Doyennette等通過建模方法研究了口腔加工過程中不同濃度葡萄糖溶液中2,3-丁二酮的釋放，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)經(jīng)唾液稀釋后香氣的保留率為10%。香氣感知與唾液成分的復(fù)雜性和多變性有重要關(guān)系，目前在唾液中鑒定到的蛋白質(zhì)超過3 000多種，這些蛋白質(zhì)中的大多數(shù)是具有催化能力（氧化、還原、水解等）或結(jié)合能力（非共價(jià)或共價(jià)結(jié)合）的酶，從而影響香氣釋放和感知。María等研究發(fā)現(xiàn)酯類可被唾液中的酯酶水解形成相應(yīng)的醇。硫醇類和醛類分別容易被氧化（過氧化物酶）和還原（脫氫酶和醛還原酶）。Mu?oz-González等報(bào)道了唾液的抗氧化能力與鼻后香氣感知之間的負(fù)相關(guān)性。Piombino等證實(shí)了肥胖人群唾液的抗氧化能力較強(qiáng)，抑制了葡萄酒中18%～60%香氣化合物在口腔中的釋放，從而降低了葡萄酒香氣的感知。在品嘗橄欖油過程中唾液中的富酪蛋白與多酚組分發(fā)生結(jié)合沉降，改變了唾液-食品體系基質(zhì)進(jìn)而抑制香氣釋放和感知。

香氣化合物在食物團(tuán)吞咽后迅速消散，其香氣保留時(shí)間（余香）決定了食物的感官品質(zhì)，即余味越濃、時(shí)間越長、品質(zhì)越高?？谇火つな怯绊懯称房谇患庸み^程中香氣保留的關(guān)鍵，口腔上皮表面的黏蛋白與香氣成分的結(jié)合以及上皮細(xì)胞對香氣化合物的代謝對香氣持久性有重要影響。Ployon等采用體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了口腔和咽部黏膜對香氣的保留規(guī)律，發(fā)現(xiàn)香氣化合物可以以非共價(jià)鍵方式結(jié)合在口腔黏膜表面并逐漸釋放到口腔中，進(jìn)而改變香氣的釋放和感知。Mu?oz-González等采用質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀（proton transfer reaction-mass spectrometry，PTR-MS）結(jié)合口腔上皮細(xì)胞模型探索其對氣味物質(zhì)的代謝發(fā)現(xiàn)，黏蛋白可以改變上皮細(xì)胞的表面性質(zhì)，影響表面的結(jié)合位點(diǎn)并改變香氣成分的分配，以及在口腔加工過程中發(fā)生代謝或降解。為解決香氣保留時(shí)間過短的問題，Dinu等開發(fā)了生物聚合物普魯蘭多糖可與口腔黏膜結(jié)合，并通過唾液-淀粉酶實(shí)現(xiàn)了香氣感知的控釋，解析香氣與口腔黏膜結(jié)合并釋放到口腔中的機(jī)制是改善后鼻腔香氣感知的有效策略。

3.3 鼻腔生理參數(shù)

鼻氣流是將香氣分子傳遞到嗅覺上皮細(xì)胞的主要方式，當(dāng)人受到外界環(huán)境中香氣分子刺激時(shí)，抽鼻子是增強(qiáng)香氣感知的普遍行為。鼻腔氣流改變影響嗅覺上皮細(xì)胞接收到的香氣濃度，并影響嗅覺細(xì)胞中樞神經(jīng)系統(tǒng)對嗅覺感知信號的處理。在靜息狀態(tài)下，約10%的吸入空氣到達(dá)了嗅覺上皮區(qū)域，鼻孔可以在短時(shí)間內(nèi)以湍流的模式抽吸環(huán)境中的氣體（每個(gè)鼻孔大于300 mL/s），使更多的香氣分子沉積在嗅覺黏膜上以促進(jìn)香氣感知。常用的研究手段之一是根據(jù)香氣分子在口腔中的傳遞過程和界面?zhèn)髻|(zhì)滲透理論建立香氣傳遞數(shù)學(xué)模型。由于呼吸氣流中丙酮含量較高且穩(wěn)定存在，常采用丙酮的信號對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，以建立不同氣流速率對后鼻腔香氣感知的影響。然而數(shù)值模型與實(shí)際情況存在差異，需結(jié)合實(shí)際呼吸氣流的數(shù)值更好地揭示香氣的感知原理。Yao Fangshu等采用鼻壓力計(jì)和單側(cè)氣流控制對比分析了不同流速和兩側(cè)鼻孔的鼻腔氣流差異對香氣感知的影響，證實(shí)了鼻氣流增加可增強(qiáng)嗅覺感知濃度增強(qiáng)感知強(qiáng)度，單側(cè)呈現(xiàn)的氣味的感知強(qiáng)度會隨著對側(cè)鼻腔氣流的量而降低，也證實(shí)氣流引起的機(jī)械振動參與了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)并促進(jìn)了香氣感知。

口腔加工運(yùn)動是復(fù)雜的動態(tài)過程，香氣化合物向后鼻腔的運(yùn)輸是一系列交替的動態(tài)和靜態(tài)事件，因此如何實(shí)時(shí)監(jiān)測氣流變化過程是解析后鼻腔香氣運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。由于鼻腔解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及氣流的高頻率性，采用計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)可更加精確研究鼻腔氣流的詳細(xì)變化。計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）成像技術(shù)和磁共振成像結(jié)合CFD分析可獲得有價(jià)值的鼻腔3D重建，有助于準(zhǔn)確了解鼻子的結(jié)構(gòu)以及呼吸期間鼻腔氣流的輸送，是研究不同解剖區(qū)域和嗅覺性能之間相關(guān)性的有效方法。Ni Rui等采用CT、CFD和3D打印技術(shù)重建了口腔-鼻腔-咽喉-氣管的立體模型（圖2A），并模擬了呼吸氣道中的流場，通過熒光粒子示蹤軌跡分析方法，發(fā)現(xiàn)在正常的吸氣和呼氣過程中，連接口咽和口腔后部的虛擬腔外部會形成氣幕以陰止香氣成分被輸送到肺部的主流中（圖2B方框區(qū)域），且在呼氣過程中促進(jìn)口腔中的香氣分子傳輸?shù)奖乔坏闹髁髦?，促進(jìn)后鼻腔香氣感知。這項(xiàng)研究首次證明人類口咽幾何形狀能夠有效地將氣味物質(zhì)輸送到鼻腔的嗅覺受體。

圖2 模擬呼吸過程中后鼻腔氣流分析結(jié)果[4]Fig. 2 Simulation analysis results of retronasal airflow during breathing[4]

在被轉(zhuǎn)移到嗅覺上皮之前，香氣分子會溶解到鼻腔的黏液中，隨后經(jīng)香氣結(jié)合蛋白運(yùn)載與嗅覺受體進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)信號和電信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。鼻腔黏膜層中含有的多種蛋白質(zhì)，如香氣結(jié)合蛋白、細(xì)胞色素P450、酯酶、羧基酯酶、還原酶和氧化酶等，是調(diào)節(jié)嗅球?qū)馕哆x擇性的關(guān)鍵因素之一。Ijichi等采用PTR-MS監(jiān)測到小鼠嗅覺上皮黏液能夠在短時(shí)間內(nèi)將2-糠基硫醇甲基化為糠基甲基硫醚，將己醛還原成己醇，將乙酸芐酯水解成苯甲醇，以上結(jié)果證實(shí)了鼻腔黏膜中存在具有催化功能的酶類，且催化速率足以影響嗅覺感覺神經(jīng)元對香氣的識別。此外，Asakawa等還證實(shí)細(xì)胞色素P450 1A2酶通過將苯乙酮轉(zhuǎn)化為水楊酸甲酯來影響或激活嗅覺受體對苯乙酮的反應(yīng)。Nagashima等發(fā)現(xiàn)添加酶抑制劑處理后的小鼠不能辨別氣味劑，進(jìn)一步證實(shí)了鼻腔黏膜中酶的存在及其對嗅覺的重要影響。

4 后鼻腔香氣分析方法

4.1 香氣檢測方法分類

香氣是推動食品風(fēng)味感知的主要驅(qū)動力之一，明確后鼻腔香氣組成和變化對完善香氣感知理論具有重要意義。后鼻腔香氣檢測是分析鼻腔呼出氣體，該過程發(fā)生時(shí)間短且香氣濃度低，因此研究人員提出了富集濃縮方法以及設(shè)計(jì)了高靈敏度的在線分析儀器。根據(jù)采樣類型分為離線、半離線和在線分析模式（圖3），其中離線分析模式利用Tenax吸附法收集鼻腔呼出氣體，隨后采用氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀（gas chromatographymass spectrometry，GC-MS）對其進(jìn)行分析，該方法主要基于Tenax材料對呼出氣體的捕捉和富集能力以及GC-MS的色譜分離和定性定量分析能力。半離線模式為氣相色譜-離子遷移譜（gas chromatography-ion mobility spectrometry，GC-IMS），該方法可直接將鼻腔呼出氣體吸入，隨后分別經(jīng)氣相色譜和離子遷移譜進(jìn)行二維分離。由于該方法可直接分析鼻腔呼出氣體，但樣品的分析時(shí)間較長（＜30 min），因此稱之為半離線分析模式。在線分析模式包括PTR-MS、選擇離子流管質(zhì)譜儀（selected ion flow tube-mass spectrometry，SIFT-MS）和大氣壓化學(xué)電離質(zhì)譜儀（atmospheric pressure chemical ionization-mass spectrometry，APCI-MS）。這3 種在線分析方法均可直接采集鼻腔呼出氣體，且可不間斷監(jiān)測分析呼出氣體中的香氣種類和含量變化，實(shí)時(shí)反映鼻腔中的香氣組成和濃度。

圖3 后鼻腔香氣感知分析方法[34,70-71]Fig. 3 Analytical methods of retronasal aroma perception[34,70-71]

4.2 檢測方法比較

快速響應(yīng)、直接分析、痕量檢測限和高靈敏度是后鼻腔香氣分析儀器的主要特征，針對這些特點(diǎn)，學(xué)者們研發(fā)了可應(yīng)用于在線檢測后鼻腔香氣的分析儀器。目前有3 種分析儀器已在多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，根據(jù)其歷史發(fā)展以及科學(xué)問題聚焦角度差異，每種技術(shù)都具有其針對的特定領(lǐng)域：1）SIFT-MS主要用于醫(yī)療目的的呼吸氣體分析，包括鑒定疾病患者的呼吸揮發(fā)物和動態(tài)監(jiān)測特定的醫(yī)學(xué)生物標(biāo)志物，如?paněl等通過SIFT-MS對揮發(fā)性呼吸代謝物氨、丙酮、氰化氫、醇、戊烷、乙酸、甲烷和硫化物進(jìn)行了定量，并討論了其作為生物標(biāo)志物的潛力；2）PTR-MS主要針對環(huán)境科學(xué)和各種生態(tài)領(lǐng)域，包括氣象監(jiān)測、環(huán)境氣體污染物監(jiān)測以及植物對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。然而隨著食品風(fēng)味分析和食品口腔加工風(fēng)味感知的快速發(fā)展，PTR-MS也廣泛應(yīng)用于食品風(fēng)味領(lǐng)域，如鼻黏膜對香氣成分的代謝變化、面包口腔加工香氣變化；3）APCI-MS主要針對于食品和風(fēng)味相關(guān)研究，如草莓、薄荷、口香糖和番茄等食品口腔加工過程中的香氣釋放。4）GC-IMS主要用于安全防護(hù)領(lǐng)域，如爆炸物的快速檢測、毒品的檢測以及有毒有害氣體的檢測。由于其高靈敏度和二維分離能力，隨后在食品溯源分析、真?zhèn)舞b別和風(fēng)味分析等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在線分析儀器均采用破壞性較小的軟電離模式，目標(biāo)分析物電離后的碎片程度最小，且通常具備完整的分子。在線分析儀器的主要差異在于離子源、分離部件以及檢測器的結(jié)構(gòu)與組成：1）質(zhì)子化反應(yīng)。目標(biāo)香氣化合物與氫離子試劑發(fā)生離子碰撞，形成離子化的目標(biāo)分子以提高分離和鑒定的效果（圖4A～C）。SIFT-MS、PTR-MS和APCI-MS的離子源和相應(yīng)的試劑離子分別是電暈放電電源（HO、NO和O）、空心陰極放電電源（HO、NO和O

）和微波放電電源（(HO)H）。其中，HO是最受歡迎的試劑離子；2）分析物電離。電離化的目標(biāo)分子在外加電場的作用下沿漂移管漂移，其中SIFT-MS中配備的是快速漂移管，PTR-MS中配備是的流動漂移管，而APCI-MS中無漂移管；3）化合物檢測。目標(biāo)分子經(jīng)過濾后由四極桿質(zhì)譜儀或飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。由于進(jìn)樣口無色譜分離能力，PTR-MS配備快速GC分離系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)快速升溫至1 000 ℃（5～20 ℃/s），實(shí)現(xiàn)同分異構(gòu)體的高效分離和屏蔽乙醇干擾。GC-IMS儀器的原理與在線分析儀器不同（圖4D），目標(biāo)揮發(fā)物經(jīng)六通閥注入后先經(jīng)GC分離（恒定溫度30～80 ℃；調(diào)整載氣流速0～150 mL/min），隨后經(jīng)Ni或氚（300～500 MBq）電離后在漂移管中進(jìn)行二次分離。離子在電場作用下被加速向法拉第板（檢測器）移動，在離子向檢測器漂移的過程中由于與漂移氣體分子碰撞的減速和電場的加速之間的平衡，離子以恒定的速度移動。

圖4 用于食品口腔加工過程中分析儀器種類及其原理示意圖Fig. 4 Schematic representation of analytical instruments for food oral processing

當(dāng)前，應(yīng)用最為廣泛且檢測化合物最多的后鼻腔香氣分析儀器為PTR-MS。但在線和半在線分析儀器均存在同分異構(gòu)體分離困難、相同碎片離子難鑒定、高沸點(diǎn)組分難以捕捉等共性問題。因此，首先采用多種萃取方法結(jié)合GC-MS解析食品香氣組成，隨后結(jié)合在線分析儀器對比監(jiān)測后鼻腔感知的目標(biāo)香氣化合物可較為全面解析后鼻腔香氣感知。此外，開發(fā)更加靈敏且捕捉范圍更為寬泛的新型質(zhì)譜是全面解析后鼻腔香氣釋放的有效解決方案。

5 香氣感官評價(jià)

感官評價(jià)是衡量香氣感知的有效表征方法，可以直觀反映消費(fèi)者對產(chǎn)品的評價(jià)，也是衡量消費(fèi)者對產(chǎn)品接受度的主要方法。食品在口腔加工過程中的香氣感知是一個(gè)動態(tài)過程，常用于食品口腔加工過程中的香氣感知評價(jià)方法有時(shí)間-強(qiáng)度法（time-intensity，TI）、動態(tài)定量描述分析法（dynamic quantitative descriptive analysis，D-QDA）、動態(tài)主導(dǎo)屬性測試法（temporal dominance of sensations，TDS）和動態(tài)選擇合適詞匯分析法（temporal check-all-that-apply，TCATA）。TI法要求評價(jià)人員在時(shí)間軸上對整體香氣強(qiáng)度或者某一種或者兩種香氣特征進(jìn)行強(qiáng)度打分，具有操作簡單、快速的優(yōu)點(diǎn)；D-QDA法要求評價(jià)人員同時(shí)對食品品嘗過程中的多個(gè)感官輪廓進(jìn)行強(qiáng)度評價(jià)，該方法適用于香氣屬性較少的樣品，對于過多的香氣輪廓?jiǎng)t會降低準(zhǔn)確性。因此，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了TDS和TCATA評價(jià)法，TDS法要求評價(jià)人員篩選出一種具有主導(dǎo)性的感官屬性，快速且有針對性，更加利于產(chǎn)品比較和產(chǎn)品開發(fā)，適用于沒有感官評價(jià)經(jīng)驗(yàn)的廣大消費(fèi)者。TCATA法源于選擇合適詞匯分析法，以調(diào)查問卷的方式要求評價(jià)人員對設(shè)定好的描述詞匯進(jìn)行篩選，可選擇多項(xiàng)感官特征以及關(guān)聯(lián)消費(fèi)者情緒等其他心理狀態(tài)，能夠從更多維度解析消費(fèi)者對樣品的偏好信息。

Pu Dandan等結(jié)合TDS和D-QDA兩種方法全面闡述了面包口腔加工過程中的香氣感知，發(fā)現(xiàn)這兩種評價(jià)方法都能鑒定出后鼻腔感知主要香氣特征的變化，即面粉香、發(fā)酵香和酸香占據(jù)主導(dǎo)性并對面包香氣感知有重要貢獻(xiàn)，而奶油香、甜香和烤香在面包咀嚼過程中變化最顯著。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮托枨筮M(jìn)行組合，如采用TDS或TCATA分析獲取最關(guān)鍵的香氣特征，隨后采用TI獲取口腔加工過程中的強(qiáng)度變化，不僅能夠獲取多維度變化信息，還可明確其具體感知強(qiáng)度變化。

6 結(jié) 語

后鼻腔香氣感知受多種因素影響，其中遺傳變異與飲食文化差異決定了消費(fèi)者的嗅覺認(rèn)知，該因素也是食品生產(chǎn)企業(yè)調(diào)整區(qū)域性食品風(fēng)味偏好的重要依據(jù)。此外，食品本身的物理化學(xué)性質(zhì)與口腔加工行為決定了食品口腔加工過程中香氣釋放規(guī)律，呼吸氣流和鼻腔的生理結(jié)構(gòu)對香氣化合物的運(yùn)輸起到了重要作用，決定了香氣化合物通過后鼻腔感知的最終種類和濃度。后鼻腔香氣感知分析方法主要包括儀器分析和動態(tài)感官評價(jià)，其中傳統(tǒng)質(zhì)譜與在線質(zhì)譜分析方法的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍（低沸點(diǎn)和高沸點(diǎn)）的香氣成分捕捉，更加完整的解析后鼻腔感知的香氣成分；由于口腔加工過程的復(fù)雜性和多變性，通過組合使用多種動態(tài)感官評價(jià)方法可從多維度解析消費(fèi)者的感知和喜好。未來需深入研究口腔原位香氣釋放與感知規(guī)律，解析唾液組分對香氣釋放的作用機(jī)制，明確口腔黏膜對香氣的釋放、保留以及代謝機(jī)制，挖掘鼻氣流對香氣的傳遞作用，以實(shí)現(xiàn)食品口腔加工過程中的風(fēng)味靶向控釋，設(shè)計(jì)符合消費(fèi)者需求的美味食品。