王九龍，廖圣良，張 檜，饒小平，陳尚钘，王宗德

（1.江西農(nóng)業(yè)大學·林學院，國家林業(yè)草原木本香料（華東）工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330045；2.江西省林業(yè)科技推廣和宣傳教育中心，江西 南昌 330038；3華僑大學·化工學院，福建 廈門 361021）

檸檬腈是一種與檸檬醛香氣接近的新型香料品種，具有新鮮類檸檬樣香氣。與檸檬醛相比，其香味更持久，性能更穩(wěn)定，可作為檸檬醛的替代物[1]。此外，檸檬腈在加香產(chǎn)品形成新香型的過程中起著重要作用，添加檸檬腈的加香產(chǎn)品具有一種天然的韻味，香味更具自然感。因此，檸檬腈受到調(diào)香界的廣泛歡迎。檸檬腈在許多行業(yè)中具有廣泛的應用，例如：在日化行業(yè)，經(jīng)常用于肥皂、洗滌劑以及化妝品類香精的加香中[2-4]。此外，檸檬腈在食品、農(nóng)藥、醫(yī)藥等領(lǐng)域也具有廣闊的應用前景。

檸檬腈廣泛存在與許多天然植物當中，但是市場中尚無天然提取的檸檬腈銷售。目前，檸檬腈主要是通過人工合成制備[3]。近年來，關(guān)于檸檬腈的特性及其制備一直廣受關(guān)注并獲得了較大的研究進展，但尚無相關(guān)綜述文章對其進行總結(jié)分析。為了更好地了解檸檬腈，本文綜述了近年來檸檬腈的研究進展，對檸檬腈的性質(zhì)、天然來源、制備方法、應用和未來發(fā)展趨勢等進行了總結(jié)分析，旨在為檸檬腈的綜合開發(fā)利用提供理論參考。

1 檸檬腈的簡介

檸檬腈是由香葉腈和橙花腈組成的混合物，其分子式為C10H15N,化學名為3,7-二甲基-2,6-辛二烯腈[4]。其結(jié)構(gòu)式見圖1。

圖1 檸檬腈的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Formula of citonitrile

1.1 檸檬腈的理化性質(zhì)

檸檬腈為淡黃色透明狀液體[5]，相對密度0.860～0.872(25℃)，沸點247～248℃（760.00 mmHg）[6]，折光率1.4730～1.4750，幾乎不溶于水，易溶于油類和乙醇[7]。在酸性條件下不穩(wěn)定，在溫和堿性條件下較穩(wěn)定[8]。

1.2 檸檬腈的香氣特征

檸檬腈具有新鮮油脂樣類似檸檬味香氣，少量時香氣更好（一般用量0.5%～3%即可起到明顯修飾香氣的作用[9]）。一般認為檸檬腈與檸檬醛具有相似香氣，且在調(diào)香界中普遍被作為檸檬醛的替代物，以便解決檸檬醛不穩(wěn)定的缺點。Arctander等[10]指出檸檬腈在香味上不可能完全替代檸檬醛，若在香精配方中使用較檸檬醛量少時香氣較為接近檸檬醛。且對比相應的醛類香料，檸檬腈的香氣強烈且持久、具有明顯的穿透性且香味較穩(wěn)定。

1.3 檸檬腈的毒性

一種香料從研發(fā)到應用不可避免的需經(jīng)過毒性檢驗。早在1974年美國香料物質(zhì)研究（RIFM）就對香葉腈進行了毒性檢驗。通過大鼠和家兔口服或皮膚途徑給藥實驗發(fā)現(xiàn)，大鼠經(jīng)口LD50為4.15 g·kg-1，家兔經(jīng)皮LD50為4.3 g·kg-1[11]。1980年，美國香料物質(zhì)研究所（RIFM）又發(fā)表了檸檬腈的安全毒性和人體皮膚刺激性報告，報告指出檸檬腈對皮膚的刺激性（石蠟油溶液）為12%無刺激，對皮膚的過敏性（石蠟油溶液）為12%無過敏性[12]。1989年，美國香料物質(zhì)研究所（RIFM）對香葉腈的吸入毒性進行檢測，結(jié)果表明吸入毒性較低，給藥后4 h的LC50大于5.2 mg·L-1[13]。2001年，Potter等[14]介紹了通過比色法來測定皮膚使用芳香腈后釋放無機氰化物的研究，并通過對大鼠皮膚使用檸檬腈來評估無極氰化物的釋放量，研究表明在大鼠皮膚涂抹香葉腈，只有微量氰化物釋放[15]。2005年，Kemper等[16]報道指出不釋放無機氰化物的代謝途徑和較低水平的皮膚吸收都表明，香葉腈具有較低皮膚毒性。

1.4 檸檬腈的生物活性

1.4.1 抗菌活性

周玉慧等[17]在研究檸檬醛及其衍生物的抗菌活性時發(fā)現(xiàn)，檸檬腈對辣椒疫病菌和枇杷炭疽病菌的EC50分別為11.5 mg·L-1和11.25 mg·L-1，相同測試條件下，多菌靈對辣椒疫病菌和枇杷炭疽病菌的EC50分別為29.75 mg·L-1和18.99 mg·L-1。這表明，檸檬腈對植物病原真菌辣椒疫病菌和枇杷炭疽病菌具有一定的抗菌活性。此外國穎等[18]還發(fā)現(xiàn)檸檬腈對油茶炭疽病菌具有較好的抗菌效果。郭丹等[19]的研究也進一步說明了檸檬腈對油茶炭疽病菌具有較好的抗菌活性，并發(fā)現(xiàn)檸檬腈還對西瓜枯萎病菌和水稻稻瘟病菌具有較好的生長抑制活性。上述研究表明，檸檬腈對于植物病原真菌具有廣譜抗菌活性，有望作為先導化合物進一步用于新型抗菌劑的開發(fā)。

1.4.2 驅(qū)避活性

煙粉虱作為一種入侵生物，對我國經(jīng)濟造成了巨大損失。2014年，在一項芹菜、萵筍、莧菜和菠菜與黃瓜間作對煙粉虱的抑制作用的研究中發(fā)現(xiàn)[20]，菠菜和芹菜的提取物對煙粉虱具有驅(qū)避作用，而芹菜揮發(fā)物中起驅(qū)避作用的主要成分為香葉腈。2016年，在一項篩選植物揮發(fā)物以防治煙粉虱的研究中發(fā)現(xiàn)，部分植物揮發(fā)物，如芹菜和木耳菜的揮發(fā)物對植物煙粉虱具有驅(qū)避作用[21]，而揮發(fā)物的主要成分為檸檬腈。

2 檸檬腈的來源與制備

2.1 天然來源

目前，天然檸檬腈的成品尚未上市，相關(guān)制備方法也鮮見文獻報道。但有研究報道了在元寶楓葉、光葉紅蠟梅和紅富士蘋果的花中含有天然檸檬腈。2014年，宋秀華等[22]研究表明，在采用不同的方式對元寶楓葉片揮發(fā)性成分進行分析時發(fā)現(xiàn)，其成分主要以脂類和萜烯類為主，其中檸檬腈是檢測出的10種化合物之一。2015年，王藝光等[23]研究表明，在對光葉紅蠟梅花的揮發(fā)性化學成分進行分析發(fā)現(xiàn)，其中包含脂類、萜烯類、腈類、酮類以及烷烴類等五大類物質(zhì)，其中腈類全部為檸檬腈，且占揮發(fā)物總量的27.66%。2018年，馬衛(wèi)華等[24]從紅富士蘋果花的揮發(fā)性成分中檢測出21種揮發(fā)性物質(zhì)，分為醇類、芳香烴類、腈類、烷烴類、脂類、烯類、醛類和酸類，其中腈類全部為橙花腈，且占總揮發(fā)物的4.6%。這些研究發(fā)現(xiàn)對于天然檸檬腈的分離和制備具有重要的指導價值。未來的研究可以進一步從更多的植物中篩選含有天然檸檬腈的植物，開展相關(guān)良種繁育研究，培育高天然檸檬腈含量的植物新品種，同時開展天然檸檬腈的提取分離研究，開發(fā)天然檸檬腈產(chǎn)品。

2.2 人工制備

2.2.1 以長鏈脂肪族胺為原料合成檸檬腈

該類反應主要是以長鏈脂肪族胺為原料，O2為氧化劑，在其它各類催化劑的作用下生成檸檬腈（反應方程式見圖2）。

圖2 長鏈脂肪族胺合成檸檬腈的反應式Fig.2 Synthesis of citonitrile from long-chain aliphatic amine

2015年，Jagadeesh等[25]報道了以可重復使用的“納米級Fe2O3”為基礎(chǔ)催化劑，利用分子氧選擇性地和對環(huán)境良好的伯胺氧化合成結(jié)構(gòu)多樣的芳香脂肪族和雜環(huán)腈，其中檸檬腈的產(chǎn)率為85%。2016年，Natte等[26]報道了一種可重復使用的“氧化鈷基納米”催化劑，在O2做氧化劑的情況下，催化脂肪族胺和芐胺合成腈的過程，其中檸檬腈的產(chǎn)率為79%。2017年，Ray等[27]報道了以O2為氧化劑，釕氫化物配合物為催化劑，甲苯為溶劑，將胺氧化成腈和亞胺。且在該報道中提及：在將長鏈脂肪族胺選擇性地轉(zhuǎn)換為各自腈類時，沒有亞胺等副產(chǎn)品的產(chǎn)生，其中檸檬腈的產(chǎn)率為95%。

2.2.2 以檸檬醛為原料合成檸檬腈

以檸檬醛為原料合成檸檬腈的常用方法主要有肟化脫水法和催化氨氧化法。

1）肟化脫水法。以檸檬醛為原料，和羥胺（硫酸羥胺、鹽酸羥胺）發(fā)生反應，生成檸檬肟，又在脫水劑的脫水作用下生成檸檬腈，并在反應過程中加入合適的催化劑促進反應速率。

1994年，沈睿漫等[28]報道了以檸檬醛含量為85%的山蒼子油為原料，和鹽酸羥胺在堿性條件下發(fā)生反應，運用乙酸肝做脫水劑生成檸檬腈（反應方程式見圖3），并討論了檸檬醛含量、不同堿性條件、不同溫度等對檸檬腈產(chǎn)率的影響，最終產(chǎn)率為66%。

圖3 山蒼子油和鹽酸羥胺合成檸檬腈的反應式Fig.3 Synthesis of citonitrile by using Litsea cubeba oil and hydroxylamine hydrochloride

該方法直接以山蒼子油為原料合成檸檬腈，大大降低了由山蒼子油提取檸檬醛或直接購買檸檬醛所產(chǎn)生的經(jīng)濟成本，但由于山蒼子油組成成分中還含有其它物質(zhì)，從而導致所合成的檸檬腈產(chǎn)率較低。

1997年，農(nóng)克良等[29]在前人基礎(chǔ)上，改良實驗條件，使檸檬腈的產(chǎn)率達到85%。1998年又提出采用KOH-Al2O3催化脫水合成檸檬腈[30]，并于2000年提出了“堿相轉(zhuǎn)移催化脫水法”[31]（反應方程式式見圖4），探討了不同固體堿的脫水效果和不同PTC的催化效果，從而得出KOH-TBAB為最佳條件，并進一步研究了KOH和TBAB的用量對檸檬腈產(chǎn)率的影響，檸檬腈最終產(chǎn)率為92.2%。

圖4 堿相轉(zhuǎn)移催化脫水法合成檸檬腈的反應式Fig.4 Synthesis of citonitrile through phase transfer catalytic dehydration method under alkaline conditions

該方法通過對比幾種不同催化劑和脫水劑的效果，從而得出最佳催化劑和脫水劑，大大提高了檸檬腈的產(chǎn)率。

2003年，崔志敏等[32]報道了以檸檬醛和硫酸羥胺為原料，乙酸酰為脫水劑，反應生成檸檬腈（反應方程式見圖5），最終產(chǎn)率為89.7%。

圖5 檸檬醛和硫酸羥胺合成檸檬腈的反應式Fig.5 Synthesis of citonitrile by using citral and hydroxylamine sulfate

該方法首次嘗試檸檬醛與硫酸羥胺發(fā)生反應，且使用的檸檬醛為干山蒼子提取，也為檸檬腈合成反應的多樣性提供實驗依據(jù)。

2005年，周文富等[33]報道了直接以山蒼子油為原料，和硫酸羥胺發(fā)生反應生成檸檬肟，并用乙酸酐作脫水劑，在中性相轉(zhuǎn)移催化劑催化脫水作用下生成檸檬腈（反應方程式見圖6）。最終產(chǎn)率為78.0%。

圖6 山蒼子油和硫酸羥胺合成檸檬腈的反應式Fig.6 Synthesis of citonitrile by using Litsea cubeba oil and hydroxylamine sulfate

該方法首次以山蒼子油和硫酸羥胺發(fā)生反應生成檸檬腈，相對于山蒼子油與鹽酸羥胺反應生成檸檬腈，產(chǎn)率有所提高，且直接使用山蒼子油大大降低了經(jīng)濟和能耗成本。但由于山蒼子油所含物質(zhì)較雜，從而導致產(chǎn)率較低。

2008年，黃祖良等[34]報道了以檸檬醛和和鹽酸羥胺為反應物，在微波輻射和相轉(zhuǎn)移催化劑聚乙二醇-600催化作用下，并在SiO2/Na2CO3-NaOH混合堿促進作用下合成檸檬腈（反應方程式見圖7）。同時探討了不同相轉(zhuǎn)移催化劑、PTC用量、微波加熱時間、不同堿以及原料摩爾比等對產(chǎn)率的影響，最終產(chǎn)率為90.7%。

圖7 微波輻射法合成檸檬腈的反應式Fig.7 Synthesis of citonitrile through microwave radiation method

該方法首次嘗試在微波輻射下“一步法”合成檸檬腈，避免了溶劑使用、經(jīng)濟成本、反應時間長和能量損失等問題。

2）催化氨氧化法。以檸檬醛和氨（氨氣、氨水）為反應物，在催化劑的催化作用和氧化劑的氧化作用下生成檸檬腈。常用的催化劑有：金屬氯化物、金屬氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽等。常用的氧化劑有：H2O2、O2、活性金屬氧化物等。

1996年，鄭海林等[35]報道了一步“催化氨氧化法”合成檸檬腈，指出以檸檬醛為原料持續(xù)通入氨氣，并通過對不同金屬氧化物催化活性對比，采用15%CuO/Na·4A型分子篩做催化劑，在硝酸銅的氧化作用下生成檸檬腈（反應方程式見圖8），最終產(chǎn)率為92%。

圖8 一步“催化氨氧化法”合成檸檬腈的反應式Fig.8 Synthesis of citonitrile through one-step catalytic ammoxidation

該方法改良了傳統(tǒng)的檸檬腈合成方法，通過檸檬醛的氨化和氧化反應生成檸檬腈，具有經(jīng)濟成本低、操作便捷和污染性較小等優(yōu)點。但需要在高溫下反應，以及需要持續(xù)通入氨氣，仍具有一定的操作危險性。

2013年，Wang等[36]報道了“液相催化氨氧化法”合成檸檬腈。指出以檸檬醛為原料，和氨水發(fā)生反應，氯化亞銅做催化劑，H2O2為氧化劑進行滴定，滴定完全后在25℃下反應4 h生成檸檬腈（反應方程式見圖9），最終產(chǎn)率為91.2%。

圖9 液相催化氨氧化法合成檸檬腈的反應式Fig.9 Synthesis of citonitrile through liquid phase catalytic ammoxidation

早在2000年，Erman等[37]報道了利用氨和過氧化氫將醛氧化成腈的方法。該方法在此基礎(chǔ)上，又改良了傳統(tǒng)催化氨氧化法采用通入氨氣進行氨化的方法，改用經(jīng)濟又方便的氨水進行反應，不僅解決了傳統(tǒng)工藝合成過程中有機廢物的產(chǎn)生、經(jīng)濟成本高以及操作復雜等缺點，而且具有反應迅速、操作方便等優(yōu)點。

2.2.3 以脂肪族醇為原料合成檸檬腈

該類反應主要是以長鏈脂肪族醇為原料，含氮化合物存在下，在氧化劑和催化劑的作用下生成檸檬腈（反應方程式見圖10）。

圖10 長鏈脂肪族醇合成檸檬腈的反應式Fig.10 Synthesis of citonitrile from long-chain aliphatic alcohol

1990年，Yamazaki[38]等報道了一種在堿性條件下，脂肪醛和脂肪醇在NiSO4-K2S2O8催化和氨水存在的條件下生成脂肪腈的合成方法，為檸檬腈的合成提供了理論基礎(chǔ)。2014年，Jagadeesh[39]等報道了一種以易獲得的醇為原料，氮摻雜石墨烯層狀非貴金屬氧化物作為穩(wěn)定耐用的納米催化劑，利用氨水和分子氧合成各種結(jié)構(gòu)的脂肪族腈的環(huán)保合成方法，其中檸檬腈的產(chǎn)率為80%。2014年，Vatèle[40]等報道了一種以2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）、（二乙酰氧基碘）苯(PHL(OAC)2)和NH4X為氮源，直接將醇轉(zhuǎn)化為腈的合成方法，其中檸檬腈的產(chǎn)率為87%。

3 檸檬腈的應用

3.1 作為各類香精和加香產(chǎn)品的配料

檸檬腈是一種不可或缺的合成香料，香氣清新且留香持久，并能夠與辛香、草香和青香形成合香，起到穩(wěn)定和擴散香味的作用，從而廣泛應用于各類香精產(chǎn)品和化妝品中。阿吉萊克斯香料和香水公司[41]研發(fā)了一種用于改善空氣異味的制劑，其中檸檬腈與檸檬醛、橙花醛、香葉腈、冰片、香葉醇、香茅醇、肉桂醛以及十二腈等物質(zhì)作為清新香味組分。安徽香杰香精科技有限公司[42]研發(fā)了一種貓砂香精油，其中檸檬腈、檸檬醛以及芳樟醇占有較大比重，該產(chǎn)品具有濃烈水果香味，且持續(xù)時間長，可以有效的遮住貓砂的異味。上海應用技術(shù)學院[43]研發(fā)了一種水性油墨用檸檬香精，采用復合改性低聚糖為壁材，將檸檬香精進行包裹，形成檸檬納米膠囊緩沖香精，從而提高香精的留香和水溶性，其中檸檬腈的含量為0.5%～2%。大亞科技有限公司[44]研發(fā)了一種加香木漿非織造布，在木漿纖維上均勻分布熱敏性植物香味緩沖顆粒，生產(chǎn)的非織造布具有特殊檸檬緩釋香氣，其中香味緩釋顆粒中檸檬腈占有一定比重。天津郁美凈集團有限公司[45]研發(fā)了一種日用香精，其中檸檬腈的含量為1.0%～2.0%，大大地增加了日化產(chǎn)品的香氣。

3.2 作為其它名貴香料的合成原料

α-二氫突厥酮作為一種名貴香料，具有細膩且愉悅的玫瑰花香味，是國內(nèi)外各種高檔香水和著名煙草品牌香精中均含有的物質(zhì)[46]，具有較高的經(jīng)濟價值。由于α-二氫突厥酮在紅茶、保加利玫瑰、復盤子煙草以及煙草中的天然成分含量較少，且在市場中需求不斷增加，為此研究合成α-二氫突厥酮的工藝頗為迫切。山東吉田香料股份有限公司[47]開發(fā)的一種以檸檬腈為原料合成α-二氫突厥酮的方法，不僅環(huán)保性良好，還大大縮短了反應時間，且產(chǎn)率大大提升，特別適合工業(yè)化生產(chǎn)應用。

β-突厥酮作為保加利玫瑰主要香氣組成部分，具有令人愉悅的水果香氣[48-49]，是調(diào)制高級香水必不可少的組成部分[50]。由于β-突厥酮較難分離，因此可由檸檬腈合成前體β-環(huán)檸檬腈，大大降低了β-突厥酮的制備難度[51]。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，經(jīng)過近半個世紀的研究，人們對檸檬腈的特性、香氣特征、制備方法和應用都有了全面的認識。與此同時，我們也發(fā)現(xiàn)關(guān)于檸檬腈的研究，還有一些有待深入開展的工作。具體包括：

1）富含天然檸檬腈的植物選育與栽培。目前的研究已發(fā)現(xiàn)光葉紅蠟梅以及紅富士蘋果花中含有天然檸檬腈。是否還有其他植物中也含有天然檸檬腈？能否找到其他的一些植物，其枝、葉、花或者根莖中也富含天然檸檬腈？這方面的研究有待深入研究。此外，在篩選獲得一些富含天然檸檬腈的植物后，如何通過規(guī)?；庇夹g(shù)和高效栽培技術(shù)，實現(xiàn)人工規(guī)模化種植，以保障天然檸檬腈的產(chǎn)量，這一塊工作也值得人們深入研究。

2）天然檸檬腈的提取與分離技術(shù)研究。根據(jù)文獻報道，在光葉紅蠟梅的揮發(fā)性成分中，天然檸檬腈含量達27.66%，但目前尚無天然檸檬腈產(chǎn)品問世，這表明關(guān)于天然檸檬腈的提取與分離技術(shù)仍然沒有突破。在未來的研究中，如何從光葉紅蠟梅或者其他富含天然檸檬腈的植物中高效地提取分離獲得天然檸檬腈？這一課題值得關(guān)注。

3）檸檬腈的應用。目前全球檸檬腈的需求市場體量仍然較小，不利于檸檬腈產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何進一步拓寬檸檬腈的應用領(lǐng)域，提高檸檬腈的市場需求仍是未來值得聚焦的課題。