Podczas warzenia sosu sojowego różne substancje organiczne zawarte w surowcach ulegają złożonym reakcjom biochemicznym pod wpływem różnych układów enzymatycznych różnych mikroorganizmów, tworząc różnorodne składniki sosu sojowego. Wśród nich białka w surowcach ulegają szeregowi procesów hydrolizy pod wpływem kolejnego działania proteaz i peptydaz, tworząc peptydy o różnych masach cząsteczkowych. Optymalna temperatura działania proteaz i peptydaz wynosi 40–45 stopni.
Białka roślinne zawierają 18 aminokwasów; kwas glutaminowy i kwas asparaginowy nadają smak umami, glicyna, alanina i tryptofan nadają słodycz, tyrozyna nadają gorycz, a peptydy również nadają umami i smak. Azot aminokwasowy stanowi około 50% całkowitego azotu w gotowym sosie sojowym. Jeśli dodana zostanie niewystarczająca ilość soli lub solanka nie zostanie równomiernie wymieszana, w sfermentowanym zacierze mogą łatwo rozwinąć się bakterie gnilne, które rozkładają aminokwasy, tworząc amoniak i aminy, co powoduje utratę smaku umami oraz powstawanie nieprzyjemnych zapachów. Dlatego profilaktyka jest kluczowa. Optymalna temperatura dla rozwoju bakterii gnilnych wynosi około 30 stopni, a odpowiednie środowisko jest obojętne lub lekko zasadowe.
Amylaza hydrolizuje skrobię, wytwarzając cukry, dostarczając składników odżywczych bakteriom fermentacyjnym (takim jak bakterie kwasu mlekowego). Bakterie te stopniowo namnażają się i ulegają fermentacji kwasu mlekowego, tworząc środowisko od lekko kwaśnego do kwaśnego, które skutecznie hamuje bakterie gnilne i stwarza korzystne warunki dla wzrostu i fermentacji drożdży. Białka kontynuują hydrolizę pod wpływem kwaśnych proteaz. Jednocześnie zachodzą także inne rodzaje fermentacji, w wyniku których powstają odpowiednie produkty, takie jak kwasy organiczne i alkohole.
Podczas fermentacji celuloza, hemiceluloza, pektyna i tłuszcze w surowcach również ulegają przemianom enzymatycznym, tworząc odpowiednie produkty rozkładu.
Wśród tych produktów kwasy organiczne i alkohole ulegają reakcjom estryfikacji, tworząc różne estry.
Oprócz produktów aminokwasowych sos sojowy zawiera cukry, takie jak dekstryna, maltoza, glukoza i pentoza; kwasy organiczne, takie jak kwas mlekowy, kwas octowy, kwas cytrynowy, kwas bursztynowy, kwas propionowy i kwas jabłkowy; alkohole, takie jak etanol, metanol, propanol, butanol, pentanol i heksanol; i estry, takie jak octan etylu, mleczan etylu, octan butylu i propionian etylu. Każdy z nich nadaje niepowtarzalny smak sosu sojowego. Brązowienie, czyli rozwój koloru, występuje również podczas warzenia sosu sojowego. Istnieją dwa rodzaje brązowienia: brązowienie enzymatyczne i brązowienie-nieenzymatyczne. Pierwsza polega na utlenianiu tyrozyny do brązowych pigmentów (melaniny) pod wpływem katalizy mikrobiologicznej hydroksylazy fenolowej i oksydazy polifenolowej, zachodzącej głównie w późniejszych etapach fermentacji. To ostatnie nie wiąże się z bezpośrednim udziałem enzymów; zachodzi, gdy produkty fermentacji, takie jak glukoza i aminokwasy, przechodzą reakcję Maillarda, w wyniku której powstają melanoidyny. Wydłużenie okresu fermentacji i zwiększenie temperatury może nasilić tę reakcję, ale wpłynąć na fermentację enzymatyczną. Dlatego tę reakcję brązowienia można zastosować tylko na późniejszych etapach fermentacji. W wyniku powyższego brązowienia powstaje jedynie jasny-sos sojowy. Jeśli pożądany jest ciemnobrązowy sos sojowy, należy dodać barwnik karmelowy (otrzymywany przez karmelizację cukru w temperaturze 150-200 stopni, proces nie związany z fermentacją sosu sojowego). Dlatego zmieszanie przygotowanego koji (startera fermentacji) z solanką podczas procesu fermentacji inkubacyjnej przyspiesza zmiany chemiczne różnych enzymów w odpowiednich temperaturach, tworząc mieszaninę umami, słodyczy, alkoholowego smaku, kwaśności i słoności solanki, co daje niepowtarzalny kolor, aromat, smak i konsystencję sosu sojowego. Tworzenie składników aromatu sosu sojowego jest jeszcze bardziej złożone – odkryto ponad 80 śladowych składników aromatu, w tym głównie estry, alkohole, związki hydroksylowe, acetale i fenole. Ich źródła obejmują te wytwarzane z surowców, te składające się z metabolitów Aspergillus, te wytwarzane przez metabolity bakterii kwasu mlekowego tolerujących sól oraz te powstające w wyniku reakcji chemicznych.
