Food Chem：基于热力学与量子力学解析葡萄酒中苯甲酸与乙酸酯的相互作用及其香气调控、缓释机制

基于热力学与量子力学解析葡萄酒中苯甲酸与乙酸酯的相互作用及其香气调控、缓释机制

期刊：Food Chemistry（10.4）

发表日期：2025年08月

 

 

研究摘要

 

本研究结合热力学与量子力学方法，探究了苯甲酸类物质（没食子酸、原儿茶酸）与乙酸酯之间的分子相互作用，并分别在模拟体系与真实葡萄酒体系中，分析了苯甲酸类物质对乙酸酯释放行为及香气感官特性的影响。研究结果表明，苯甲酸类物质与各类乙酸酯可发生自发结合（ΔG<0），结合亲和力强弱顺序为：辛酸乙酯＞己酸乙酯＞乙酸异戊酯＞丁酸乙酯＞乙酸乙酯，其中没食子酸的结合能力更强。苯甲酸分子中的羟基与乙酸酯分子中的羧酸根是两类物质相互作用的关键官能团。氢键作用、色散作用与疏水效应协同驱动二者结合，而静电作用是相互作用能的主要来源，占比达43%~60%。苯甲酸类物质会显著抑制乙酸酯的释放，且该作用呈现出结构依赖性与浓度依赖性特征。香气轮廓与感官评价结果显示，苯甲酸类物质能够促进葡萄酒发酵香气的形成与留存，提升酒体风味层次与果香品质。本研究从作用机理层面，为利用苯甲酸与乙酸酯的相互作用调控葡萄酒香气提供了理论依据。

 

 

研究背景

 

葡萄酒独特的香气不仅取决于香气物质的挥发释放，还与酒体中非挥发性基质的相互作用密切相关。在各类香气物质中，酯类是微生物发酵的核心产物，这类物质香气阈值低，能赋予葡萄酒浓郁怡人的花果香气。其中，乙酸酯与脂肪酸乙酯是构成葡萄酒花果香的主要物质。乙酸酯由乙酸与高级醇经代谢反应生成，乙酸乙酯和乙酸异戊酯是葡萄酒果香、香蕉香气的主要来源，脂肪酸乙酯则由对应脂肪酸与乙醇反应生成，丁酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯可依次赋予酒体草莓香、苹果香、茴香味、啤酒味及焦香等典型风味。已有大量研究证实，非挥发性基质中多酚类物质的种类、分子结构与浓度，会显著影响香气物质的释放规律。但目前多数研究仅对多酚影响真实葡萄酒或模拟体系中香气释放的现象进行定性描述，相关研究结论存在较大分歧。这一现象也反映出多酚调控酯类物质释放的过程十分复杂，亟需深入探究多酚与酯类相互作用的分子机制。

多酚可通过疏水作用、氢键等弱相互作用，改变香气分子在气相与葡萄酒液相之间的分配系数，进而影响香气物质的挥发释放。现阶段，针对不同结构、不同浓度的多酚对葡萄酒典型酯类物质释放特性的综合研究仍较为匮乏。同时，由于分析方法、检测模式及溶剂环境的差异，不同研究得到的实验结果往往难以统一，且无法定量揭示二者相互作用的主导驱动力、结构特征及关键官能团。因此，亟需建立有效的研究手段，阐明多酚调控酯类物质释放与香气感知的分子机制。

量子力学（QM）是分析多酚与香气分子之间弱电子相互作用的先进手段。结合氢键分析、相互作用可视化、能量分解及静电势分析，量子力学方法可精准定量分子间结合驱动力，并锁定关键作用基团，既能从微观层面解析分子相互作用机制，也能对宏观层面的特殊理化性质与实验现象进行解释和预测。不过，现有研究尚未结合氢键分析与能量分解技术，系统阐明多酚与香气物质相互作用的主导作用力及核心官能团，该领域仍存在研究空白。

 

材料与方法

 

2.1.实验材料

原料：宁夏贺兰山东麓赤霞珠葡萄、BV818酿酒酵母；

试剂：没食子酸、原儿茶酸、5种乙酸酯（乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯）等均为高纯度分析试剂，采购自国内专业生化试剂公司。

 

2.2.量子力学计算

 

2.3.热力学性质的确定

 

2.4.苯甲酸对乙酸酯类酯化反应的影响评估

 

2.5.葡萄酒酿造

 

2.6.发酵香气的组成与含量的测定

 

2.7.气味活性值的计算

 

2.8.感官分析

 

结果与讨论

 

3.1.没食子酸、原儿茶酸与乙酸酯的分子相互作用机制

本研究采用量子力学（QM）方法，计算并表征了苯甲酸类物质与五种乙酸酯相互作用的热力学特征、结构特点、关键官能团、作用可视化结果、作用力来源及能量分解规律。

 

3.1.1没食子酸、原儿茶酸与乙酸酯相互作用的热力学特征

没食子酸、原儿茶酸与各乙酸酯之间的结合过程可自发进行且为放热反应（ΔG<0、ΔH<0）。各体系相互作用强度排序为：辛酸乙酯＞己酸乙酯＞乙酸异戊酯＞丁酸乙酯＞乙酸乙酯。整体来看，随着酯类碳链长度增加，体系的ΔG与ΔH数值均逐渐降低，说明长碳链乙酸酯与没食子酸、原儿茶酸的相互作用更强，也更能有效抑制酯类物质挥发。此外，长碳链酯类对应的熵变（ΔS）显著低于短碳链酯类（表1），该结果进一步印证了上述结合强度的变化规律。

 

 

3.1.2没食子酸、原儿茶酸与乙酸酯相互作用的结构特征及关键官能团

没食子酸与乙酸酯之间形成O—H…O型氢键（图1A），氢键键长为1.77~1.81 Å，键角介于162.59°~172.63°之间。其中，没食子酸与乙酸乙酯作用体系的氢键键长最短、键角最大，代表该氢键作用最强，而没食子酸与丁酸乙酯形成的氢键键长更长、键角更小，氢键作用相对较弱。堆积结构分析结果表明，没食子酸与乙酸乙酯的最优构象为非堆积结构，两种分子在空间中平行排布并形成氢键。没食子酸与丁酸乙酯、乙酸异戊酯的分子呈倾斜排布并构建氢键结构，增大了分子间接触面积，与己酸乙酯、辛酸乙酯的分子相互平行，酯类长碳链与没食子酸苯环发生部分平行堆积，体系在形成氢键的同时，进一步扩大了堆积接触面积。对相互作用的原子贡献度进行深入分析（图1B）可知，没食子酸参与相互作用的关键官能团为3位羟基，而乙酸酯分子中的酯基是二者结合的核心位点。随着酯类碳链延长，没食子酸的苯环以及酯链上的原子对分子间作用的贡献度显著提升。

图1C为原儿茶酸与各乙酸酯最优作用构象的三视图，二者同样形成O—H…O型氢键，氢键键长范围1.79~1.86 Å，键角为159.41°~179.48°。其中原儿茶酸与乙酸异戊酯形成的氢键强度最高，对应键长最短（1.79 Å）、键角最大（179.48°）。原儿茶酸分别与乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸异戊酯结合时，分子均处于同一平面，为非堆积构型并形成氢键。原儿茶酸与己酸乙酯呈斜向侧置排布，既形成氢键结构，又具备较大的分子接触面积，与辛酸乙酯的分子相互平行，酯类长碳链与原儿茶酸苯环发生部分堆积，体系同时形成氢键与大面积堆积接触结构。原子贡献度分析结果（图1D）显示，原儿茶酸与不同乙酸酯作用时，参与结合的关键官能团存在差异。与乙酸乙酯作用时，核心位点为2位氢原子与3位羟基，与丁酸乙酯、乙酸异戊酯作用时，核心位点为4位羟基，与己酸乙酯作用时，核心位点为3位羟基。各类乙酸酯的酯基均为参与相互作用的关键官能团。当原儿茶酸与辛酸乙酯结合时，前者的关键作用位点为4位羟基与苯环，后者则以羰基氧原子为核心作用位点。

 

 

3.1.3没食子酸、原儿茶酸与酯类物质的相互作用可视化

图2A为没食子酸与乙酸酯相互作用的基于赫希菲尔德划分的独立梯度模型（IGMH）等值面图与散点图。没食子酸与各乙酸酯的作用区域均出现大小不一的绿色等值面，说明该区域存在较弱的范德华相互作用。对IGMH结果进一步分析发现，随着乙酸酯碳链延长，绿色等值面的覆盖范围逐渐扩大，仅辛酸乙酯体系的等值面面积略有减小。没食子酸与乙酸酯之间O—H…O氢键所在的等值面中心均呈现蓝色，进一步证实体系中存在强度更高的氢键作用。散点图分析显示，等值面中的蓝色氢键区域与散点图中的蓝色峰一一对应。

图2B为原儿茶酸与乙酸酯相互作用的IGMH等值面图及散点图。原儿茶酸与各乙酸酯的作用区域同样形成大小不等的绿色等值面，代表该区域存在弱范德华作用。其中，原儿茶酸与辛酸乙酯体系的等值面面积最大，说明二者间的范德华作用显著强于其余四种乙酸酯。原儿茶酸与各乙酸酯形成的O—H…O氢键对应等值面中心均为蓝色，证明氢键作用强度高于范德华作用，结合分子结构可确定，该类相互作用以氢键为主。散点图结果显示，代表原儿茶酸与各乙酸酯氢键作用的蓝色特征峰从左至右依次为：乙酸异戊酯、丁酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸乙酯。由于函数sign(λ2)ρ的绝对值与相互作用强度呈正相关，因此原儿茶酸与各乙酸酯的氢键作用强度排序为：乙酸异戊酯＞丁酸乙酯＞己酸乙酯＞辛酸乙酯＞乙酸乙酯。

 

 

3.1.4没食子酸、原儿茶酸与酯类物质的相互作用驱动力

没食子酸、原儿茶酸与各乙酸酯相互作用的色散作用能（ΔEdisp）范围为−9.60~−2.85 kcal/mol。体系色散作用强度排序为：辛酸乙酯＞己酸乙酯＞乙酸异戊酯＞丁酸乙酯＞乙酸乙酯，该变化规律与IGMH可视化结果一致，即酯类碳链越长，分子间范德华作用越强。对比发现，没食子酸与乙酸酯之间的色散作用整体强于原儿茶酸。乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯可与没食子酸、原儿茶酸的苯环形成平行堆积构型，分子间作用力主要依靠酯链与芳环之间的色散作用，而乙酸乙酯、丁酸乙酯与两类苯甲酸呈共面排布，相互作用以氢键为主，因此前三者与后两者的色散作用特征存在明显差异。此外，两类苯甲酸与乙酸酯相互作用的氢键作用能（ΔEHB）为−7.79~−5.20 kcal/mol，说明该类结合属于弱键作用。同时，随着酯类碳链不断延长，色散作用能逐渐超过氢键作用能，该结果进一步佐证：长碳链乙酸酯更易与没食子酸、原儿茶酸形成平行堆积构型，从而强化分子间色散作用。

 

 

表2结果表明，溶剂极性对疏水作用具有显著影响。疏水作用在水溶液中贡献最大，在乙醇溶液中贡献最小。针对乙醇-水混合溶剂体系，没食子酸、原儿茶酸与各乙酸酯相互作用的疏水作用能范围为−7.02~−2.94 kcal/mol，其数值波动幅度远小于色散作用能。在两类苯甲酸与乙酸酯的结合体系中，酯类碳链越长，疏水作用效果越显著，但当二者与同一种乙酸酯作用时，没食子酸与原儿茶酸所产生的疏水作用并无明显差异。不同结构乙酸酯的疏水作用贡献与体系结合能强弱变化趋势高度一致。这一结果证明，疏水作用是苯甲酸类物质与乙酸酯相互作用的关键作用力。据此可推断酯类碳链延长会进一步增强疏水效应，强化苯甲酸与乙酸酯的分子间结合，最终使苯甲酸对酯类挥发的抑制效果更加突出。

通过量化分析色散作用、氢键作用与疏水作用的贡献占比（表2），明确了没食子酸、原儿茶酸与酯类物质相互作用的主要驱动力。结果显示，当没食子酸与乙酸乙酯、丁酸乙酯结合时，氢键作用占主导地位，其贡献度高于色散作用与疏水作用。当没食子酸与乙酸异戊酯、己酸乙酯作用时，色散作用与氢键作用的强度均大于疏水作用，二者共同作为体系的主要驱动力，而没食子酸与辛酸乙酯结合时，氢键、色散、疏水三种作用的贡献度无显著差异，说明三类作用力在该体系中均起到同等重要的驱动作用。对于原儿茶酸而言，其与乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯结合时，氢键作用强度超过色散作用与疏水作用，为体系的主导作用力，但原儿茶酸与辛酸乙酯相互作用时，色散作用的贡献远大于氢键作用和疏水作用，成为该体系最主要的驱动力。

 

3.1.5没食子酸、原儿茶酸与酯类物质相互作用的能量分解分析

没食子酸与乙酸乙酯的相互作用以静电作用为主，色散作用与诱导作用为辅，与丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯结合时，同样由静电作用主导，色散作用为次要作用力，诱导作用起到补充效果。原儿茶酸与乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯的相互作用也以静电作用为核心，色散作用与诱导作用起辅助作用。而原儿茶酸与辛酸乙酯的结合体系中，静电作用与色散作用共同占据主导，诱导作用仅作为次要作用力。此外，随着乙酸酯碳链不断延长，色散作用在分子间作用中的贡献占比大幅提升，逐渐由次要作用力转变为主导作用力。

整体而言，苯甲酸类物质与乙酸酯之间的静电作用强度高于色散作用。因此，没食子酸与原儿茶酸会优先与乙酸酯结合形成氢键结构，分子间关键作用基团也主要依靠静电作用驱动形成氢键。随着酯类碳链长度增加，色散作用的影响逐步增强，分子间作用模式也逐渐转变为以色散作用为主的堆积作用。

静电势图中明显的范德华表面交叠现象，预示着苯甲酸类物质与乙酸酯相互作用过程中可能存在电荷转移效应。数据显示，两类苯甲酸与乙酸酯相互作用的电荷转移能范围为−0.63~−1.25 kcal/mol，远低于诱导作用、色散作用与静电作用的能量贡献。电荷转移量分析结果表明，短碳链乙酸酯体系中，电荷由没食子酸/原儿茶酸向乙酸酯转移，长碳链乙酸酯体系中，电荷转移方向发生逆转，由乙酸酯向没食子酸/原儿茶酸转移，电荷转移量区间为−0.19~0.06 |e|。综合以上结果可以确定，电荷转移效应对苯甲酸类物质与乙酸酯的分子相互作用影响极小。

 

 

3.2.没食子酸、原儿茶酸与乙酸酯相互作用的实验热力学特征

实验测得两类苯甲酸与各乙酸酯作用的吉布斯自由能（ΔG）均为负值，说明该类分子结合过程均可自发进行。对比结合平衡常数（K）与ΔG可知，没食子酸与不同乙酸酯结合的自发趋势及结合强度排序为：乙酸乙酯＞己酸乙酯＞乙酸异戊酯＞丁酸乙酯＞辛酸乙酯。其中，没食子酸与乙酸乙酯反应的平衡常数最高，达3319.60 mol/L，同时ΔG最低（−4.88 kcal/mol），代表该组合的自发结合趋势最强、结合作用最稳定。原儿茶酸与乙酸酯的作用规律则有所不同，结合强度排序为：己酸乙酯＞乙酸异戊酯＞辛酸乙酯＞乙酸乙酯＞丁酸乙酯，说明原儿茶酸与己酸乙酯、乙酸异戊酯的相互作用更强。

 

3.3.没食子酸、原儿茶酸调控乙酸酯释放的构效关系

本研究采用气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC-FID）测定酯类释放抑制率，在摩尔比1:1的条件下，定量分析了原儿茶酸、没食子酸对乙酸酯释放行为的构效关系。如表3所示，添加0.40 mM没食子酸后，乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸异戊酯、己酸乙酯、辛酸乙酯的释放抑制率分别为14.01%、17.67%、20.84%、8.99%、12.11%，添加同等浓度原儿茶酸后，对应酯类的释放抑制率依次为13.29%、14.66%、19.92%、7.39%、10.72%。

实验结果表明，两种苯甲酸类物质均能抑制乙酸酯的释放，且没食子酸的抑制效果更强。相较于原儿茶酸，没食子酸多出一个酚羟基，可增强其与乙酸酯形成氢键的能力，进而提升对酯类挥发的抑制效果。研究同时发现，同一种酚类物质对不同结构酯类的释放抑制效果存在明显差异。排除酯类本征挥发性差异后可以看出，两种苯甲酸对乙酸酯的释放抑制效果，均随酯类碳链延长而增强。针对这一现象，本文提出两种解释：第一，苯甲酸与乙酸酯之间的色散作用随酯链延长而增强，分子间结合更紧密，对酯类的截留效果提升；第二，酯类疏水性随碳链延长不断增大，使苯甲酸-乙酸酯体系中的疏水作用占比提升，最终降低乙酸酯的释放量。

 

 

3.4.没食子酸、原儿茶酸调控乙酸酯释放的量效关系

由表3可知，随着没食子酸浓度升高，乙酸乙酯、乙酸异戊酯的释放抑制率先增大，当浓度超过0.60 mM后，抑制效果开始下降。在0~1.0 mM浓度范围内，没食子酸对丁酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯的释放抑制效果则随浓度升高而显著增强。

对于原儿茶酸，在0~0.4 mM区间内，其浓度升高会使乙酸乙酯、丁酸乙酯的释放抑制率上升，浓度超过0.40 mM后，抑制效果逐步减弱。当原儿茶酸浓度达到1.0 mM时，还会对乙酸乙酯产生明显盐析效应。原儿茶酸对乙酸异戊酯挥发的抑制效果同样呈现“先升后降”的变化趋势。在0~1.0 mM范围内，原儿茶酸对己酸乙酯、辛酸乙酯释放的影响规律与其他酯类不同，抑制效果随浓度升高持续增强。以上结果充分说明，两种苯甲酸的浓度会显著改变乙酸酯的释放行为。对于疏水性较弱的酯类，高浓度苯甲酸抑制效果减弱的原因可结合分子结合比例解释：过量的苯甲酸会竞争结合原本与酯类相连的溶剂分子，最终引发乙酸酯的盐析现象。

 

3.5.没食子酸、原儿茶酸对真实葡萄酒发酵香气轮廓的影响

本研究在发酵前分别单独添加没食子酸与原儿茶酸，探究两类物质对真实葡萄酒香气轮廓的影响。结果如图4所示，共有18种香气物质在至少两组样品间存在显著性差异（p<0.05），其中包含12种酯类、4种醇类和2种酸类。发酵前添加没食子酸后，葡萄酒中乙酸乙酯、异戊酸乙酯、乙酸异戊酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯、琥珀酸二乙酯、乙酸苯乙酯的含量分别提升了11.82、0.12、0.20、45.21、0.05、1.04、0.43 mg/L。由此可见，没食子酸可在酒精发酵过程中促进多数高级醇乙酸酯的积累。然而，不同酚酸对香气物质挥发性的影响存在明显差异。经检测，添加原儿茶酸后，葡萄酒中乙酸乙酯、异戊酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、琥珀酸二乙酯、乙酸苯乙酯的含量分别提升了3.07、0.12、0.08、10.77、1.46、0.60 mg/L。这一结果说明，不同结构的酚酸对发酵过程中香气物质的生成与积累作用存在差异。

 

 

本研究采用主成分分析（PCA）解析没食子酸与原儿茶酸对葡萄酒关键香气物质的影响。由图5A可知，对照组（CK）分布在第一主成分（PC1）与第二主成分（PC2）负半轴围成的区域，添加没食子酸的样品组集中于PC1正半轴，添加原儿茶酸的样品组则位于PC2正半轴。上述结果证明，没食子酸与原儿茶酸均可显著改变葡萄酒的香气轮廓。PC1正半轴主要对应乙酸异戊酯、辛酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸异丁酯、乙酸乙酯、2-甲基-1-丙醇、3-甲基-1-丁醇等物质，这类物质共同赋予葡萄酒浓郁的花果香气。由此可见，没食子酸能够促进花果香相关酯类与醇类物质的积累。异丁酸、乙酸苯乙酯、月桂酸乙酯、异戊酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯则主要富集在PC2正半轴，说明原儿茶酸可直接影响上述物质的积累，进而改变葡萄酒香气特征。本研究后续进一步评价了两种酚酸对葡萄酒感官品质的影响。

 

3.6.没食子酸、原儿茶酸对真实葡萄酒香气感官的影响

与对照组相比，添加没食子酸后，乙酸乙酯、乙酸异戊酯、异戊酸乙酯、乳酸乙酯、辛酸乙酯、乙酸苯乙酯的香气活度值分别提升14.73%、16.12%、68.42%、20.25%、15.63%、110.25%（图5B）。香气活度值升高表明，添加没食子酸可增强上述酯类物质对葡萄酒整体香气的贡献。相较于对照组，添加原儿茶酸后，乙酸乙酯、异戊酸乙酯、己酸乙酯、乙酸苯乙酯的香气活度值分别提升0.41、40.00、8.00、2.40。结合风味特征分值，分析两种酚酸对葡萄酒花香、甜香、酸果香、浆果香、青香及柑橘香的影响。相较于对照组，没食子酸处理组的花香、青香与甜香更为突出，原儿茶酸处理组的浆果香明显增强，但柑橘香有所减弱。

 

 

研究结论

 

本研究阐明了没食子酸、原儿茶酸两类苯甲酸与乙酸酯的分子相互作用机制，二者可在热力学条件下发生自发结合，氢键、色散作用与疏水效应是结合过程的主要驱动力。酚羟基与酯基是参与互作的核心官能团，静电作用与诱导作用则进一步保障了分子复合物的结构稳定性。苯甲酸与乙酸酯的分子结构均会影响香气物质的释放行为，相较于原儿茶酸，没食子酸对长碳链酯类挥发的抑制效果更强。同时，两类物质的作用效果具有明显浓度双重效应。中低浓度可抑制酯类释放，而浓度过高时，抑制作用反而减弱。此外，两种苯甲酸均可通过截留香气物质，提升葡萄酒的香气感知强度。

本研究基于模拟体系明晰了分子互作机理，但葡萄酒基质成分复杂，后续研究需充分考虑基质效应，推动研究成果落地应用。本研究不仅为预判苯甲酸与香气物质的互作规律提供了理论支撑，也为开发基于多酚调控葡萄酒风味的技术方案奠定了基础。