梁 森， 房子林， 李 培， 田紅玉， 孫寶國

(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)通過美國食用香料與萃取物制造者協(xié)會(Flavor and Extract Manufacturers Association，F(xiàn)EMA)安全評價的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。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?；钴S。因此，本研究重點(diǎn)對經(jīng)過FEMA安全評價的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)物中檢測到了越來越多的噻唑類化合物。目前經(jīng)過美國食用香料與萃取物制造者協(xié)會批準(zhǔn)允許使用的噻唑類香料有39種，GB 2760—2014《食品安全國家標(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間截至2022年5月，“—”表示未被GB 2760—2014批準(zhǔn)或無文獻(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

在食品加工過程中，氨基酸在較高溫度下會經(jīng)過脫氨、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)，會產(chǎn)生噻唑等許多含硫化合物，對于食品風(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?；邕虻目赡艿纳赏緩?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?；邕颉?/p>

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來源于半胱胺，C-2來源于葡萄糖降解產(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來源于核糖，C-4、C-5來源于半胱胺。

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，檢測到了2-烷基噻唑烷烴。推測其形成的機(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?；邕蚬?種噻唑類化合物，其中2-乙酰基噻唑的含量最大。

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)重等瓶頸問題是未來的工作重點(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，越來越多天然存在的噻唑類化合物得以鑒定，其對食品特征香味的貢獻(xiàn)也將進(jìn)一步得到認(rèn)識和發(fā)掘。盡管如此，噻唑類食品香料仍存在一些問題，新品種開發(fā)與創(chuàng)新不足，缺乏優(yōu)勢特色品種；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，是未來合成香料行業(yè)研究趨勢。通過對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。