香精與香料(60)—桃醛

桃醛（CAS號：104-67-6），化學(xué)名稱γ-十一內(nèi)酯（英文名稱：γ-Undecalactone），桃醛并不是一種真正意義上的醛，而是屬于內(nèi)酯化合物，為無色至淺黃色粘稠液體，具有強(qiáng)烈的桃子香氣，是一種重要的內(nèi)酯香料，在桂花、茉莉、梔子花、鈴蘭、橙花、白玫瑰、紫丁香、金合歡等香型的日用香料中均常使用，也是配制桃子、甜瓜、梅子、杏子、櫻桃、桂花等食品香精的上好原料。它幾乎不溶于水，溶解于乙醇和大多數(shù)普通有機(jī)溶劑，可廣泛應(yīng)用于日化香精和食用香精。

中文別名：桃醛、γ-十一內(nèi)酯、丙位十一內(nèi)酯、十一烷酸內(nèi)酯、十四醛、α-庚基-γ-丁內(nèi)酯

英文名稱：γ-undecalactone;5-heptyldihydro-furanone; gamma- undecanolactone;4-n-heptyl-4-hydroxybutanoic acid lactone；peachaldehyde

結(jié)構(gòu)式：

桃醛的結(jié)構(gòu)式

外觀與性狀：無色至淡黃色略粘稠透明液體。具有強(qiáng)烈桃子似香氣。

沸點(diǎn)：297℃

閃點(diǎn)：137℃

溶于乙醇(1ml溶于5mL60%乙醇)、芐醇、苯甲酸芐酯、丙二醇、堿液、大多數(shù)非揮發(fā)性油和礦物油，幾不溶于甘油和水。天然品存在于桃子、杏子、桂花、大豆水解蛋白、奶油、雞蛋果花等中。

密度：0.944g/mL at 20 °C(lit.)

沸點(diǎn)：164°C

閃點(diǎn)：>230°F

折射率：n20/D 1.451

蒸汽壓：0.00271mmHg（at 25°C）

FEMA號：3091

功能：食品用合成香料

編碼：S0162

色狀：無色至淺黃色液體

感官特征：奶脂香和內(nèi)酯氣息，帶有桃子、椰子樣果香，以及香草、堅(jiān)果香韻。γ-十一內(nèi)酯有強(qiáng)烈的果香香氣，有桃子和杏仁樣香氣，商業(yè)上被稱為桃醛。γ-十一內(nèi)酯產(chǎn)品中的主要雜質(zhì)是：帶有油脂氣味的δ-己基-δ-戊內(nèi)酯，以及γ-己基-γ-丁內(nèi)酯。這些雜質(zhì)的存在和數(shù)量多少，是影響香氣質(zhì)量的關(guān)鍵。

用途：食品用香料，可用于調(diào)制蘋果、梨、桃子、杏子、西瓜、甜瓜、哈密瓜、葡萄、獼猴桃、果汁、油桃、桑葚、藍(lán)萄、草莓、覆盆子、椰子、木瓜、芒果、熱帶水果、香草、奶油、奶糖、堅(jiān)果、茉莉、冬青、藥草、辛香等風(fēng)味。

γ-十一內(nèi)酯是我國《食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定暫時(shí)允許使用的食品香料，主要用于配制櫻桃、椰子、桃、杏、梅等香型食用香精。在口香糖中使用量為90mg/kg；糖果中11mg/kg,布丁類中7.5mg/kg；烘烤食品中7.1mg/kg；軟飲料中4.4mg/kg；冷飲中3.0mg/kg.

JECFANO.：233

折光指數(shù)：（20℃）1.448~1.453

相對密度：（25/25℃）0.941~0.944

酸值：≤2.0

溶解度：（25℃）1mL試樣可全溶于5mL60%（體積分?jǐn)?shù)）乙醇中。

應(yīng)用：γ-十一內(nèi)酯可用于日化香精配方中，主要用以調(diào)配紫丁香、茉莉、紫羅蘭等花香型香精和幻想型香精，用量在5%以內(nèi)。IFRA沒有限制規(guī)定。γ-十一內(nèi)酯被FEMA認(rèn)定為GRAS，F(xiàn)EMA編號3091，并經(jīng)FDA批準(zhǔn)食用，歐洲理事會(huì)將γ-十一內(nèi)酯列入可用于食品中而不危害人體健康的人造食用香料表中，并給出其ADI為1.25mg/kg。γ-十一內(nèi)酯可用于食用香精配方中，主要用以調(diào)配桃、杏、李子、櫻桃、草莓等香精。

來源：γ-十一內(nèi)酯天然存在于桃子、杏仁中

全球范圍內(nèi)，桃醛市場參與者包括花王株式會(huì)社、曾田香料株式會(huì)社、國際香料、奇華頓等。受技術(shù)、市場需求限制，早期我國桃醛生產(chǎn)規(guī)模小，且工藝技術(shù)水平落后，國內(nèi)桃醛產(chǎn)量和質(zhì)量與國際水平相比存在較大差距，近年來，隨著國內(nèi)香精香料市場快速發(fā)展，以及居民消費(fèi)水平提升，桃醛市場需求逐漸釋放，桃醛產(chǎn)能逐漸擴(kuò)張。

現(xiàn)階段，我國桃醛生產(chǎn)企業(yè)包括寧夏萬香源生物、上海華盛香料、上海萬香日化、安徽華業(yè)香料等企業(yè)，其中安徽華業(yè)香料是目前國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大、產(chǎn)銷量最多、系列產(chǎn)品配套齊全的內(nèi)酯系列合成香料生產(chǎn)企業(yè)，根據(jù)公司年報(bào)顯示，2020年華業(yè)香料營業(yè)收入約為2.06億元，其中主要產(chǎn)品桃醛營收占比較高。近期，華業(yè)香料在互動(dòng)平臺(tái)上表示，公司募投項(xiàng)目一期1800噸桃醛生產(chǎn)線已投產(chǎn)，2021年已陸續(xù)投放市場。

桃醛的合成：

1、內(nèi)酯的微生物生物合成:可持續(xù)生產(chǎn)的缺口和機(jī)遇

內(nèi)酯是廣泛存在于食品中的揮發(fā)性有機(jī)化合物。這些化學(xué)品被用作食品、化妝品和制藥行業(yè)的香料和香料。最近，內(nèi)酯作為綠色溶劑和燃料前體的潛力加強(qiáng)了它們作為未來生物經(jīng)濟(jì)平臺(tái)化合物的作用。然而，它們目前的生產(chǎn)方式需要改變。內(nèi)酯主要是通過化學(xué)合成或微生物對羥基脂肪酸進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化而得到的。后一種方法是首選，但仍需要使用更可持續(xù)的基質(zhì)。從環(huán)境、健康和經(jīng)濟(jì)角度來看，羥基脂肪酸是一種不豐富且不可持續(xù)的基質(zhì)。因此，迫切需要識(shí)別和改造具有罕見能力的微生物，從碳水化合物或可再生脂類中合成內(nèi)酯。在此，我們首先討論內(nèi)酯的種類和重要性。然后，利用在微生物和水果中獲得的知識(shí)，介紹了目前對內(nèi)酯生物合成途徑的理解。從那里，我們提出和作出的區(qū)別之間的生物轉(zhuǎn)化過程和從頭合成內(nèi)酯。最后，本文討論了更可持續(xù)生產(chǎn)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，以及兩種著名的工業(yè)微生物——棉囊阿舒氏酵母(Ashbya gossypii)和解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)。[1]

內(nèi)酯是一種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，在化學(xué)上被分類為羥基酸酯，并以環(huán)來定義。環(huán)的大小決定了內(nèi)酯的類型:α-(3個(gè)原子)，β-(4個(gè)原子)，γ-(5個(gè)原子)和δ-(6個(gè)原子)。γ-內(nèi)酯和δ-內(nèi)酯是最多樣化、化學(xué)穩(wěn)定性和商業(yè)價(jià)值最高的(圖1)。內(nèi)酯來源于脂質(zhì)代謝，自然存在于水果(桃子、草莓和芒果)、蔬菜、肉類、牛奶、黃油、奶酪和葡萄酒等。它們是這些食品香氣和風(fēng)味的主要來源。γ-內(nèi)酯多見于水果中，而δ-內(nèi)酯則多見于動(dòng)物產(chǎn)品中。這些化合物具有較低的感知閾值(例如，γ-壬內(nèi)酯nonalactone 25μg/L， γ-癸內(nèi)酯decalactone 0.88-1 mg/L和γ-十二內(nèi)酯dodecalactone 7μg/L)和非常強(qiáng)烈的氣味描述符，從桃狀和椰子狀到奶油狀和花狀。一般來說，氣味感知閾值與內(nèi)酯側(cè)鏈的長度成反比。此外，一些內(nèi)酯具有抗菌和抗炎特性。[1]

化學(xué)物質(zhì)的香氣特性與香水、化妝品和食品的制造高度相關(guān)。不同內(nèi)酯環(huán)的化學(xué)性質(zhì)決定了內(nèi)酯作為食品添加劑和香料的最直接的商業(yè)價(jià)值。為此目的最有價(jià)值的內(nèi)酯γ-癸內(nèi)酯，具有果香和花香描述符，滿足日益增長的消費(fèi)者對天然化合物的需求。因此，內(nèi)酯在世界市場上的年產(chǎn)量達(dá)到了幾千萬噸，價(jià)值在大約300-6000美元/公斤之間，由于生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，其產(chǎn)量呈逐年下降的趨勢。此外，內(nèi)酯也被報(bào)道為綠色溶劑和燃料前體(例如γ-戊內(nèi)酯)，擴(kuò)大了其與向生物基礎(chǔ)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)過渡的相關(guān)性。一些內(nèi)酯是綠色/無毒的溶劑替代品，它們的化學(xué)性質(zhì)使它們可以用于生產(chǎn)C8烷烴(用于航空燃料)、C9和C18-C27烷烴(汽油和生物柴油)和其他聚合物，如尼龍前體。因此，內(nèi)酯目前被認(rèn)為是未來可持續(xù)循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)的平臺(tái)化合物。[1]

微生物從頭合成不同γ-內(nèi)酯和δ-內(nèi)酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)。表1給出這些內(nèi)酯的編號，并描述了它們的主要特性

表1 微生物通過從頭合成產(chǎn)生的內(nèi)酯[1]

內(nèi)酯仍然主要是通過化學(xué)合成，在強(qiáng)酸催化劑存在下，通過過氧化氫和乙酸氧化環(huán)酮來獲得。然而，由于大量使用溶劑和酸，最終產(chǎn)品產(chǎn)生不受歡迎的外消旋混合物，以及消費(fèi)者不太接受這一事實(shí)，這引起了環(huán)境問題。反過來，微生物生產(chǎn)是一種更可持續(xù)和更有效的方式，以生產(chǎn)光學(xué)純內(nèi)酯與那些在水果中發(fā)現(xiàn)的同類化合物和性質(zhì)相似。自主研發(fā)并獲得專利的內(nèi)酯生產(chǎn)生物技術(shù)工藝，完全采用生物轉(zhuǎn)化技術(shù)。生物轉(zhuǎn)化是指微生物將直接前體轉(zhuǎn)化為內(nèi)酯，并將該前體添加到具有將其轉(zhuǎn)化為特定內(nèi)酯能力的微生物的生產(chǎn)介質(zhì)中來完成。對于微生物生產(chǎn)γ-癸內(nèi)酯，酵母耶羅氏脂溶菌是首選的系統(tǒng)開發(fā)，使用羥基脂肪酸為前體。然而，這種生產(chǎn)方法有一些局限性。首先，某種內(nèi)酯的生產(chǎn)完全取決于相應(yīng)前體的可得性。因此，不可能使用相同的介質(zhì)來產(chǎn)生不同的內(nèi)酯。第二，所使用的前體的工業(yè)和商業(yè)價(jià)值很高，常常與內(nèi)酯相競爭。第三，羥基脂肪酸不是一種豐富的或可再生的原料，例如，從蓖麻油中提取的蓖麻油酸(用作γ-癸內(nèi)酯前體)與提取它的植物的作物有關(guān)，具有若干健康、季節(jié)和經(jīng)濟(jì)問題。[1]

因此，開發(fā)利用可持續(xù)的和更豐富的底物的生產(chǎn)過程是最重要的。然而，能夠從頭生物合成內(nèi)酯(即從糖或其他非脂質(zhì)底物產(chǎn)生內(nèi)酯)或甚至能從非羥基和更豐富的脂肪酸進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的微生物種類卻很少。對水果或微生物的研究也相當(dāng)缺乏，導(dǎo)致內(nèi)酯生物合成過程中的酶和遺傳空白。此外，與其他高價(jià)值化學(xué)品不同的是，對生產(chǎn)內(nèi)酯的微生物菌株的工程研究并不廣泛，主要局限于解脂耶氏酵母的β-氧化途徑。盡管如此，近年來，越來越多的研究正在解決這一問題，并探索從更多的可再生底物生產(chǎn)內(nèi)酯。最近的例子是，棉囊阿舒氏酵母(Ashbya gossypii)的鑒定和工業(yè)化，它是一種能夠進(jìn)行內(nèi)酯的重新生物合成和非羥基脂肪酸的生物轉(zhuǎn)化的微生物，以及解脂耶氏酵母(Y. lipolytica)進(jìn)行非羥基脂肪酸生物轉(zhuǎn)化的工業(yè)化。[1]

內(nèi)酯的生物合成是一個(gè)復(fù)雜的過程，在遺傳和生化水平上的發(fā)生機(jī)制還不完全了解。首先，強(qiáng)調(diào)內(nèi)酯從頭合成和生物轉(zhuǎn)化過程之間的區(qū)別是很重要的。從目前的知識(shí)來看，內(nèi)酯的從頭合成是指生產(chǎn)微生物不使用最終產(chǎn)品的任何直接前體，即不添加脂肪酸或羥基脂肪酸衍生物到生產(chǎn)介質(zhì)中以獲得其轉(zhuǎn)化為特定的內(nèi)酯。這意味著，為了從頭開始生物合成內(nèi)酯，微生物應(yīng)該能夠：(i)使用底物(如糖)來支持脂肪酸的生長和生物合成；(ii)對這些脂肪酸進(jìn)行后修飾，以生成帶有羥基的衍生物；(iii)在β-氧化過程中縮短該羥基脂肪酸，每循環(huán)還原兩個(gè)碳鏈；(iv)經(jīng)過特定的β-氧化循環(huán)后，生成羥基酸，羥基酸在酸性條件下自發(fā)內(nèi)酯化。據(jù)我們所知，只有絲狀真菌梨孢鐮刀菌(Fusarium poae), 綠色木霉(Trichoderma viride), 棉囊阿舒氏酵母(A. gossypii)和鮭色鎖擲酵母(Sporidiobolus salmonicolor)被報(bào)道了這些性狀(表1)。擔(dān)子菌，如蘑菇豬苓(如Polyporus durus)，已知可以產(chǎn)生幾種揮發(fā)性化合物，包括γ-或δ-內(nèi)酯，無論是通過生物轉(zhuǎn)化還是從頭合成；然而，在這篇綜述中，我們主要關(guān)注子囊菌，因?yàn)樗鼈冊诠I(yè)生物技術(shù)中具有較高的相關(guān)性。真菌鮭色鎖擲酵母S. salmonicolor是一個(gè)例外，因?yàn)樗慕湍笜由L導(dǎo)致了內(nèi)酯生物合成在20世紀(jì)90年代的深入研究。[1]

生物轉(zhuǎn)化僅包括步驟(iii)和步驟(iv)，因?yàn)棣?氧化途徑的直接前體被添加到生產(chǎn)介質(zhì)中。最近，關(guān)于利用非羥基脂肪酸生產(chǎn)內(nèi)酯的生物轉(zhuǎn)化過程有一些進(jìn)展，將進(jìn)行討論。圖2概述了內(nèi)酯生物合成和生物轉(zhuǎn)化的途徑，有關(guān)鮭色鎖擲酵母和其他重要的內(nèi)酯產(chǎn)生物(如水果)的研究對現(xiàn)有的內(nèi)酯生物合成知識(shí)做出了貢獻(xiàn)。其他微生物系統(tǒng)也被用來幫助理解內(nèi)酯生物合成的相關(guān)酶和途徑，但是這些發(fā)現(xiàn)將與通過菌株工程和/或工藝優(yōu)化來提高內(nèi)酯生物合成的方法一起討論。[1]

圖2 γ-和δ-內(nèi)酯的微生物合成示意圖。不同階段概述:脂肪酸的生物合成(藍(lán)色);形成羥基脂肪酸(紫色);β氧化(綠色);和內(nèi)酯化(橙色)。傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)化過程用灰框表示。虛線框表示與內(nèi)酯生物合成最相關(guān)的酶活性。[1]

通過微生物生產(chǎn)獲得的純內(nèi)酯優(yōu)于外消旋混合物，因?yàn)榍罢哂欣谙掠渭庸?。用于這一目的的操作方法是液-液兩相萃取和蒸餾，其目的是純化一種內(nèi)酯。由于作為天然香料的應(yīng)用是其商業(yè)化的最相關(guān)的途徑，因此，對γ-內(nèi)酯的生物合成進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，從而創(chuàng)造量身定制的工程菌株是可能的。因此，AgPOX1基因被含有來自解脂耶氏酵母Y. lipolytica的POX2基因的異源過表達(dá)盒所取代(圖3a)。AgPOX1編碼?；鵆oA氧化酶(EC 1.3.3.6)，該氧化酶在棉囊阿舒氏酵母a . gosypii基因組中編碼，催化β-氧化途徑的第一個(gè)反應(yīng)，而YlPOX2編碼特定的長鏈?；鵆oA氧化酶(EC 1.3.3.6)，具有C11-C18脂肪酸的活性。通過這種修飾，β-氧化途徑中脂肪酸的降解應(yīng)該停止在C10水平，從而阻止短于γ-癸內(nèi)酯的內(nèi)酯的生物合成。此外，該策略進(jìn)一步證實(shí)了β-氧化途徑在棉囊阿舒氏酵母內(nèi)酯從頭合成中的作用。與親本菌株相比，過表達(dá)的YlPOX2對總產(chǎn)量和生物合成的γ-內(nèi)酯譜沒有任何顯著影響。然而，將DES589/elo624Δ/ YlPOX2菌株的3個(gè)基因修飾結(jié)合在一起進(jìn)行了精細(xì)調(diào)控。與DES589和DES589/elo624Δ菌株相比，Tis菌株的γ-辛內(nèi)酯產(chǎn)量與DES589菌株相似，但γ-辛內(nèi)酯產(chǎn)量較低。值得注意的是，該菌株產(chǎn)γ-癸內(nèi)酯的百分率顯著高于另外兩株高產(chǎn)菌株DES589和DES589/elo624Δ。這種精細(xì)調(diào)控發(fā)生在γ-癸內(nèi)酯占γ-內(nèi)酯總產(chǎn)生的99.3%的程度上，證實(shí)了?；鵆oA氧化酶在β氧化中的特異性有助于最終產(chǎn)品的定性。[2]

圖3 棉囊阿舒氏酵母內(nèi)酯從頭合成的代謝工程。a. 內(nèi)酯從頭生物合成過程中所涉及的代謝途徑之間相互連接的示意圖。一個(gè)?；?2-輔酶A表示一個(gè)脂肪酸，經(jīng)過1個(gè)循環(huán)的β-氧化，去掉了初始鏈長的兩個(gè)碳。b. 使用Golden-Gate快速組裝構(gòu)建的異源過表達(dá)盒。灰色圈出的名字代表工程目標(biāo)基因。虛線表示多種反應(yīng)。M-CoA: malonyl-CoA;trans-2 3-DA-CoA: trans-2 3-dehydroacyl-CoA。[2]

有關(guān)桃醛的應(yīng)用歷史

雅克·嬌蘭(Jacques Guerlain)用一種天然茉莉花打破了橡樹苔的力量，更重要的是，用一種最近才出現(xiàn)的新合成分子，打造出了蝴蝶夫人Mitsouko 。Jukov和Schestakow可能已經(jīng)申請了桃醛的專利(實(shí)際上不是醛而是內(nèi)酯；它真正的名字是γ-十一內(nèi)酯) 。1908年，根據(jù)邁克爾·愛德華茲報(bào)告稱，桃醛已經(jīng)可以從其他供應(yīng)商——芬美意購得，并使用在雅克嬌蘭香水中，以一種稱為桃醛Persicol的分子作為基調(diào)，當(dāng)嬌蘭在1908年投放市場便大獲成功。桃醛是一個(gè)奇跡，一種水果味，芳香，美味的氣味，具有成熟的桃子皮的特征。嬌蘭完美地將桃醛加入到配方中(事實(shí)上，有傳言稱，這款香水與香奈兒5號類似，其實(shí)是他不小心過量使用了這個(gè)香料；誰知道呢)，而蝴蝶夫人Mitsouko變成了一種微妙的富裕、力量、平衡和柔滑的朦朧調(diào)香水。[3]

一種名字(桃醛)容易令人混淆的γ-十一內(nèi)酯，是在內(nèi)酯上添加一個(gè)六碳側(cè)鏈而產(chǎn)生的，有一種模糊的桃子味。1908年，俄羅斯化學(xué)家Zhukov和Shestakov合成了這個(gè)化合物，并以桃醛(Persicol)的名義出售，它是香水史上最偉大的兩款香水的直接創(chuàng)造者。第一個(gè)是“蝴蝶夫人Mitsouko”，雅克·嬌蘭(Jacques Guerlain)在1919年與弗朗索瓦·科蒂(Francois Coty)進(jìn)行商業(yè)競賽時(shí)創(chuàng)作的杰作。兩年前，科蒂提出了極其抽象但棱角凝重的西普香水Chypre(又稱素心蘭，一種檀香型香調(diào)的香水)。蝴蝶夫人Mitsouko顯然被西普Chypre擊敗了，她試圖比西普更好。他的典型想法是在科蒂樸素的優(yōu)雅韻調(diào)中添加一點(diǎn)舒適的毛絨的感覺，于是他偶然發(fā)現(xiàn)了桃醛。說桃醛Persicol成就了蝴蝶夫人Mitsouko，有點(diǎn)像說卡拉拉(意大利城市，Carrara)大理石成就了貝爾尼尼(意大利著名建筑設(shè)計(jì)師，Bernini)的達(dá)芙妮(創(chuàng)立于1976年的女士長靴品牌)。雅克·嬌蘭用盡了所有的天才才使它成功。幸運(yùn)的是，盡管西普香水Chypre早已過時(shí)，但蝴蝶夫人Mitsouko還在我們身邊，嬌蘭的新東家路威酩軒集團(tuán)(LVMH)至今仍對其表示尊重。第二款香水，或許更讓人驚嘆的是雅克?法斯(Jacques Fath) 1947年創(chuàng)作的鳶尾花(Iris Gris)。由文森特·魯伯特作曲，它可能是迄今為止唯一完全成功的鳶尾。大多數(shù)鳶尾都是葬禮上的理想香料。面對這種慢性傷感的韻調(diào)，魯伯特靈機(jī)一閃，想出了一個(gè)絕妙的主意：用同樣粉狀但更有活力的桃醛(Persicol)來讓它活躍起來。從灰色到粉色，效果天衣無縫，就像鴿子喉嚨上的羽毛，平添了一種亮色。[3]

參考文獻(xiàn)

[1] Silva R, Coelho E, Aguiar TQ, Domingues L. Microbial Biosynthesis of Lactones: Gaps and Opportunities towards Sustainable Production. Applied Sciences. 2021; 11(18):8500. https://doi.org/10.3390/app11188500

[2] Silva, R., Aguiar, T.Q., Coelho, E. et al. Metabolic engineering of Ashbya gossypii for deciphering the de novo biosynthesis of γ-lactones. Microb Cell Fact 18, 62 (2019). https://doi.org/10.1186/s12934-019-1113-1

[3] https://bgirlrhapsody.wordpress.com/2015/08/23/chemistry-101-gamma-undecalactone-persicol/.