噻唑類食品香料的研究進(jìn)展

梁 森， 房子林， 李 培， 田紅玉， 孫寶國(guó)

(北京工商大學(xué) 輕工科學(xué)技術(shù)學(xué)院/北京市食品風(fēng)味化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100048)

食品香料作為一類非常重要的食品添加劑，對(duì)食品風(fēng)味起著舉足輕重的作用。在食品香料中，含硫香料占有非常重要的地位，由于其香氣閾值低、特征性強(qiáng)，被廣泛用于食用香精尤其是肉味香精的調(diào)配，對(duì)提高香精的質(zhì)量和檔次具有重要作用。近些年，含硫香料的發(fā)展速度非?？?，在已經(jīng)通過(guò)美國(guó)食用香料與萃取物制造者協(xié)會(huì)(Flavor and Extract Manufacturers Association，F(xiàn)EMA)安全評(píng)價(jià)的2 980種食品香料中就有400多種含硫香料[1]。

含硫香料根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同主要分為：硫醇類、硫醚類、硫酯類、縮硫醛(酮)類、噻唑類等雜環(huán)類。其中，噻唑類香料是一類重要的含硫雜環(huán)類香料，由于其香氣濃郁、特征性強(qiáng)，一直備受調(diào)香師的喜愛(ài)。噻唑類香料通常具有青香、堅(jiān)果香、烤肉香、蔬菜香、爆米花等香氣特征，可廣泛用于食品香精、煙用香精及調(diào)味品中[2]。

由于噻唑類化合物具有獨(dú)特的香氣特性，有關(guān)其天然存在、香氣特性、合成、應(yīng)用等方面的研究非常活躍。因此，本研究重點(diǎn)對(duì)經(jīng)過(guò)FEMA安全評(píng)價(jià)的39種噻唑類香料的允許使用情況、香氣特征、天然存在情況，食品中噻唑類化合物的可能形成途徑以及人工合成方法進(jìn)行介紹，以期為噻唑類香料化合物的分析、合成、應(yīng)用等研究提供參考。

1 噻唑類食用香料的允許使用情況、香氣特征及天然存在情況

噻唑又稱1,3-硫氮雜茂，是一類含有硫、氮原子的具有芳香性的五元雜環(huán)化合物。噻唑啉又稱二氫噻唑，有4,5-二氫噻唑(2-噻唑啉)、2,5-二氫噻唑(3-噻唑啉)和2,3-二氫噻唑(4-噻唑啉)3種異構(gòu)體，香料中常見(jiàn)的是2-噻唑啉和3-噻唑啉(圖1)。

圖1 噻唑類化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1967年，Stoll 等[3]在可可提取物中分離出具有強(qiáng)烈堅(jiān)果樣氣味的4-甲基-5-乙烯基噻唑，自此以后人們才意識(shí)到該類化合物在食品中的存在及作為香料的重要性，有關(guān)其香氣特性的研究也受到了越多越多的重視[4]。例如，在高影響力香料風(fēng)味輪[5](圖2)的20種關(guān)鍵風(fēng)味中，作為青香型最具代表性的化合物——2-異丁基噻唑具有典型的新鮮青香、番茄葉香氣，其對(duì)番茄的風(fēng)味具有重要影響[6]。

灰色底紋物質(zhì)是含硫香料化合物。

隨著分析技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，在食品及Maillard反應(yīng)產(chǎn)物中檢測(cè)到了越來(lái)越多的噻唑類化合物。目前經(jīng)過(guò)美國(guó)食用香料與萃取物制造者協(xié)會(huì)批準(zhǔn)允許使用的噻唑類香料有39種，GB 2760—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中允許使用的食品用合成香料名單中有29種噻唑類香料，這些香料的香氣特征與天然存在情況見(jiàn)表1[7-40]。

表1 FEMA允許使用的噻唑類香料香氣特征和天然存在情況

續(xù)表1

續(xù)表1

統(tǒng)計(jì)的FEMA批準(zhǔn)允許使用的噻唑類香料時(shí)間截至2022年5月，“—”表示未被GB 2760—2014批準(zhǔn)或無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道其香氣、天然存在情況。

2 食品中噻唑類化合物的可能形成途徑

2.1 含硫化合物熱降解產(chǎn)生

在食品加工過(guò)程中，氨基酸在較高溫度下會(huì)經(jīng)過(guò)脫氨、脫羧等發(fā)生熱降解反應(yīng)，特別是含硫氨基酸(如胱氨酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等)加熱反應(yīng)會(huì)形成噻唑及其衍生物[41-43](圖3)。

圖3 胱氨酸受熱降解產(chǎn)生噻唑類衍生物的可能途徑

此外，研究表明硫胺素加熱時(shí)也可以分解成多種含硫和含氮揮發(fā)性香味物質(zhì)，已經(jīng)鑒定的硫胺素分解產(chǎn)物有68種，其噻唑類降解產(chǎn)物主要有4-甲基-5-(β-羥基乙基)噻唑、4-甲基噻唑、4,5-二甲基噻唑、4-甲基-5-乙基噻唑等[44-45](圖4)。

圖4 硫胺素受熱降解產(chǎn)生的噻唑類化合物

2.2 美拉德反應(yīng)產(chǎn)生

美拉德反應(yīng)廣泛存在于食品貯藏和加工過(guò)程中，指羰基化合物(醛、酮、還原糖以及具有類似結(jié)構(gòu)的化合物)和氨基化合物(胺、氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等含氨基的化合物)在特定的溫度下發(fā)生的一系列復(fù)雜反應(yīng)，是食品風(fēng)味形成的重要途徑之一。含硫氨基酸參與Maillard反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生噻唑等許多含硫化合物，對(duì)于食品風(fēng)味起到非常重要的作用。

2.2.1L-半胱氨酸與還原性糖降解產(chǎn)物的美拉德反應(yīng)

L-半胱氨酸與還原性糖的降解產(chǎn)物(乙二醛、丙酮醛、丁二酮等)發(fā)生美拉德反應(yīng)，可以產(chǎn)生噻唑類化合物。1973年，Milders等[46]利用L-半胱氨酸和核糖模型體系反應(yīng)，證實(shí)了噻唑類化合物的產(chǎn)生，并提出了2-位酰基噻唑的可能的生成途徑(圖5)。首先，L-半胱氨酸中的氨基與核糖降解產(chǎn)生的α-酮羰基醛的醛基發(fā)生親核加成、脫水生成亞胺，再經(jīng)脫羧、異構(gòu)化、環(huán)化、氧化脫氫生成2-位酰基噻唑。

圖5 L-半胱氨酸與核糖模型體系反應(yīng)生成噻唑類化合物

2.2.2L-半胱氨酸降解產(chǎn)物半胱胺與還原性糖降解產(chǎn)物的美拉德反應(yīng)

L-半胱氨酸受熱脫羧產(chǎn)生的半胱胺也可以與還原性糖的降解產(chǎn)物發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生噻唑類化合物。1978年，Sakaguchi等[47]報(bào)道了利用半胱胺和葡萄糖降解產(chǎn)物(甲醛、乙醛、丙醛、乙二醛、丙酮醛等)經(jīng)醛氨縮合、環(huán)化、氧化脫氫制備噻唑類化合物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明噻唑類化合物C-4、C-5來(lái)源于半胱胺，C-2來(lái)源于葡萄糖降解產(chǎn)物(圖6)。2003年，Cerny等[48]利用半胱胺和核糖模型體系實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噻唑類化合物僅有C-2來(lái)源于核糖，C-4、C-5來(lái)源于半胱胺。

圖6 半胱胺與醛反應(yīng)生成噻唑類化合物

2009年，筆者課題組[49]發(fā)現(xiàn)在L-半胱氨酸與葡萄糖組成的Maillard反應(yīng)體系中加入脂肪醛后，檢測(cè)到了2-烷基噻唑烷烴。推測(cè)其形成的機(jī)理是L-半胱氨酸在反應(yīng)中脫羧生成半胱胺的氨基與脂肪醛的羰基發(fā)生親核加成反應(yīng)，得到的中間體脫水關(guān)環(huán)形成2-烷基噻唑烷類化合物。

2.2.3L-半胱氨酸分解形成的醛、硫化氫和氨與α-二羰基類化合物的美拉德反應(yīng)

1976年，Takken等[50]利用α-二羰基類化合物、醛、硫化氫和氨為模型體系反應(yīng)得到了不同取代基取代的噻唑啉和噻唑類化合物。首先，α-二羰基類化合物和硫化氫反應(yīng)生成2-羥基-2-巰基羰基類化合物，與醛和氨反應(yīng)生成的亞胺，依次經(jīng)過(guò)親核加成、環(huán)化、脫水等形成不同取代基取代的噻唑啉和噻唑類化合物，可能的反應(yīng)路徑見(jiàn)圖7。

圖7 α-二羰基類化合物與氨、硫化氫和醛反應(yīng) 生成噻唑類化合物

研究發(fā)現(xiàn)α-二羰基類化合物可以由還原糖降解得到。1997年，Tai等[51]以L-半胱氨酸和葡萄糖為模型體系反應(yīng)得到了2-甲基噻唑、2,5-二甲基噻唑和2,4,5-三甲基噻唑。推測(cè)該反應(yīng)體系下噻唑類化合物的形成途徑是由還原糖降解產(chǎn)生的α-二羰基類化合物與L-半胱氨酸分解形成的醛、硫化氫和氨反應(yīng)產(chǎn)生。2009年，筆者課題組[52]利用L-半胱氨酸與葡萄糖反應(yīng)，檢測(cè)到噻唑、2-甲基噻唑、4-甲基噻唑、5-甲基噻唑、2,5-二甲基噻唑、2,4,5-三甲基噻唑和2-乙酰基噻唑共7種噻唑類化合物，其中2-乙?；邕虻暮孔畲?。

3 噻唑類化合物典型的化學(xué)合成方法及其反應(yīng)機(jī)理

3.1 傳統(tǒng)化學(xué)合成方法

噻唑類化合物具有廣泛的生物活性，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、材料、香料等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)其合成方法已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[53-54]，經(jīng)典合成路線主要包括以下幾種。

3.1.1以α-鹵代羰基化合物和硫代酰胺為原料的方法

1887年，Hantzsch[55-56]就提出利用α-鹵代醛酮與硫代酰胺、硫脲等反應(yīng)合成噻唑類化合物(圖8)。該方法作為合成2-取代噻唑類化合物的有效方法之一，被命名為Hantzsch法。該反應(yīng)涉及親核取代、親核加成、環(huán)化脫水等步驟制備噻唑類化合物。

圖8 Hantzsch噻唑合成法

此外，文獻(xiàn)還報(bào)道了一系列利用該方法制備噻唑類化合物的改進(jìn)方法，這些研究多數(shù)在尋找合適的催化劑，文獻(xiàn)報(bào)道的催化劑有I2[57]、 Br2[58]、 NBS[59]、 NIS[60]、 PhI(OH)OTs[61]、 HBr/H2O2[62]、 HBr/DMSO[63]、HI/DMSO[63]等(圖8)。

3.1.2以α-酰胺基酮和五硫化二磷為原料的方法

α-酰胺基酮、酯等在五硫化二磷作用下，可生成噻唑類化合物，該方法叫作Robinson-Gabriel噻唑合成法。該反應(yīng)涉及硫化、環(huán)化、脫水等步驟制備噻唑類化合物(圖9)[64]。

圖9 Robinson-Gabriel噻唑合成法

3.1.3以α-氨基氰化合物和二硫化碳為原料的方法

α-氨基氰化合物與二硫化碳、氧硫化碳等反應(yīng)可生成5-氨基噻唑的，該方法叫作Cook-Heilbron噻唑合成法[65]。該反應(yīng)涉及加成、環(huán)化、異構(gòu)化等歷程，是一種合成噻唑及其衍生物的經(jīng)典合成方法(圖10)。

圖10 Cook-Heilbron噻唑合成法

3.1.4以α-鹵代羰基化合物、硫代羧酸(鹽)和乙酸銨為原料的方法

α-鹵代羰基化合物和硫代羧酸反應(yīng)生成α-酰硫基酮，其與NH3反應(yīng)經(jīng)過(guò)烯胺中間體環(huán)化、脫水生成噻唑，是一種高效的 “一鍋法”制備二、三取代噻唑的方法(圖11)[66-67]。

圖11 α-鹵代羰基化合物、硫代羧酸(鹽)和 氨生成噻唑類化合物

在這些噻唑類化合物的合成方法中，Hantzsch法簡(jiǎn)單、有效，能引入眾多基團(tuán)，目前使用最廣。但它們都或多或少存在一些不足，如使用有毒溶劑、需要昂貴催化劑、耗能大、產(chǎn)率低、反應(yīng)條件苛刻、后處理困難等，限制了許多噻唑類香料化合物的生產(chǎn)及應(yīng)用。因此，開發(fā)綠色環(huán)保節(jié)能減排新工藝，來(lái)突破合成香料行業(yè)中存在的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝落后、環(huán)境污染嚴(yán)重等瓶頸問(wèn)題是未來(lái)的工作重點(diǎn)。

3.2 光化學(xué)合成方法

光化學(xué)合成作為一種新的綠色合成方法，為有機(jī)合成化學(xué)提供了新途徑、新方法和新技術(shù)，在天然產(chǎn)物、醫(yī)藥、香料等精細(xì)化學(xué)品的合成中具有特別重要的意義。2018年，Roslan等[68]利用光化學(xué)合成方法，使用四碘熒光素作為光催化劑，誘導(dǎo)硫脲原位產(chǎn)生硫自由基，與1,3-二羰基化合物發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)來(lái)合成氨基噻唑衍生物(圖12)。與傳統(tǒng)合成方法相比，該光化學(xué)合成方法具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

圖12 光化學(xué)合成噻唑類化合物

3.3 電化學(xué)合成方法

電化學(xué)合成以電子為試劑，通過(guò)電子的得失實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的氧化還原，從工藝本身消除了污染的形成，是名副其實(shí)的“綠色可持續(xù)化學(xué)”。近期，筆者課題組采用電化學(xué)合成方法，開發(fā)了碘負(fù)離子為電催化劑的電解體系，建立了一種噻唑類化合物的電化學(xué)合成方法(圖13)[69-70]。該方法為噻唑類化合物的合成提供了新的思路和方向。

圖13 電化學(xué)合成噻唑類化合物

4 展 望

隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多天然存在的噻唑類化合物得以鑒定，其對(duì)食品特征香味的貢獻(xiàn)也將進(jìn)一步得到認(rèn)識(shí)和發(fā)掘。盡管如此，噻唑類食品香料仍存在一些問(wèn)題，新品種開發(fā)與創(chuàng)新不足，缺乏優(yōu)勢(shì)特色品種；傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、環(huán)境污染嚴(yán)重，限制了許多香料的生產(chǎn)及應(yīng)用。因此，加快研究噻唑類香料分子結(jié)構(gòu)與香氣特性之間的關(guān)系，探索該類香料化合物的呈香規(guī)律，開展高品質(zhì)噻唑類香料新品種的開發(fā)與應(yīng)用研究，特別是高影響力、附加值高的香料新品種，是未來(lái)研究的重點(diǎn)。相較于噻唑類化合物傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，光化學(xué)合成、電化學(xué)合成等綠色制備技術(shù)更符合綠色化學(xué)的原則，加快開展此類綠色制備技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用研究，突破實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究，開發(fā)出高質(zhì)量、低能耗、環(huán)境友好的綠色工藝，是未來(lái)合成香料行業(yè)研究趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)噻唑類香料化合物的合成與應(yīng)用進(jìn)行深入研究，其在食品香精中的應(yīng)用中也會(huì)發(fā)揮更加重要的作用，必將促進(jìn)食品及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。