什么是流行的，什么不是：過(guò)去20年中香氣分子化學(xué)的趨勢(shì)

Nicolas Armanino, Julie Charpentier, Felix Flachsmann, Andreas Goeke, Marc Liniger, and Philip Kraft

Givaudan Schweiz AG, Fragrances S&T, Ingredients Research, Kemptpark 50, 8310 Kemptthal, Switzerland.

摘要：這篇綜述是2000年以來(lái)關(guān)于香氣分子化學(xué)研究的最新進(jìn)展的報(bào)告續(xù)集，它總結(jié)了過(guò)去20年里香氣分子化學(xué)發(fā)現(xiàn)的進(jìn)展。根據(jù)該報(bào)告中提出的香氣分子圖譜，將所謂引領(lǐng)潮流“受壟斷的”（被專利保護(hù)并無(wú)法供應(yīng)給市場(chǎng)的）香氣物質(zhì)按照主要?dú)馕短卣鞣诸悶椋骸八銡狻?fruity)、“海洋香氣”(marine)、“青香氣”(green)、“花香氣”(floral)、“辛香料香氣”(spicy)、“木質(zhì)氣息”(woody)、“琥珀香氣”(amber)和“麝香香氣”(musky)。香氣分子的設(shè)計(jì)，它們的化學(xué)合成，以及它們?cè)诂F(xiàn)代香料中的使用都以典型的例子來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。新型果香香氣分子特色是在頭香中提供香氣，以及潛香體技術(shù)。在青香氣分子中，重點(diǎn)是綠葉的香韻和青梨香氣。新的苯二氮卓類和苯并二氧雜環(huán)類化合物使海洋香氣原料變得流行起來(lái)，并且需要重新修改嗅覺(jué)載體模型(olfactophore models)。隨著大量新的鈴蘭花替代品“Muguet”出現(xiàn)，讓花香主導(dǎo)的日化香精領(lǐng)域活躍起來(lái)。同時(shí)，這也讓玫瑰香氣分子領(lǐng)域特別是在玫瑰酮領(lǐng)域有著持續(xù)的活力。例如，在Clearwood和Ambrofix中，生物技術(shù)變得非常重要，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了木本植物中香根油的主要香氣分子。第四家族和第五家族麝香香氣分子也被發(fā)現(xiàn)并生產(chǎn)。因此，香氣分子化學(xué)的進(jìn)一步探索開辟了新的途徑。

1.引言

自從我們上次的綜述以來(lái)，[1]香料行業(yè)發(fā)生了很多事情。許多發(fā)展已成為市場(chǎng)現(xiàn)實(shí)，因此，20年后，似乎應(yīng)該再次總結(jié)香氣分子化學(xué)的最新進(jìn)展和當(dāng)前趨勢(shì)。在這段時(shí)間里，精品香水的推出率不斷提高，而使用獨(dú)家壟斷的香料來(lái)創(chuàng)作香水是向消費(fèi)者傳遞足夠的鮮明特點(diǎn)來(lái)區(qū)分新產(chǎn)品的一種方式。自2004年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予Richard Axel和Linda B·Buck以來(lái)，人們對(duì)嗅覺(jué)有了更多的了解，“因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了氣味受體和嗅覺(jué)系統(tǒng)組織”，但關(guān)于氣味受體的晶體學(xué)數(shù)據(jù)仍然缺乏。

人類的嗅覺(jué)系統(tǒng)。嗅受體位于嗅感覺(jué)神經(jīng)元上，嗅感覺(jué)神經(jīng)元位于鼻上皮的上部。每個(gè)嗅覺(jué)受體細(xì)胞只表達(dá)一個(gè)氣味受體。在激活時(shí)，來(lái)自嗅覺(jué)受體細(xì)胞的信號(hào)在腎小球-嗅球中定義良好的微區(qū)域中被傳遞。同種受體細(xì)胞隨機(jī)分布于鼻粘膜，但聚集在同一腎小球上。在腎小球中，受體神經(jīng)末梢刺激二尖瓣細(xì)胞，將信號(hào)傳遞到大腦的高級(jí)區(qū)域。資料來(lái)源:瑞典斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學(xué)院和諾貝爾基金會(huì)。

此外，受體水平上的分子相互作用只是嗅覺(jué)復(fù)雜過(guò)程中的一個(gè)步驟，包括識(shí)別組合的多受體激活，并通過(guò)大腦的下游處理進(jìn)行解釋。[2,3]另一方面，分子的模型建立允許人們對(duì)某些氣味的分子參數(shù)進(jìn)行有趣的研究和理解。由于對(duì)受體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白R(shí)TP1、RTP1s和RTP2的理解有所進(jìn)展，[4,5]細(xì)胞表面氣味受體的強(qiáng)大功能表達(dá)已成為現(xiàn)實(shí)。這允許對(duì)各受體的香料香氣接受范圍進(jìn)行表征。

RTP1和RTP2在OR基因選擇中的作用模型。

(A)一個(gè)模型顯示在野生型(左)中，ORs與RTPs一起被運(yùn)送到細(xì)胞表面。在沒(méi)有RTPs的情況下(右)，oORs到達(dá)細(xì)胞表面，這些OSNs存活下來(lái)，而uORs不被傳輸?shù)奖砻?，表達(dá)它們的OSNs顯示出持久的nATF5表達(dá)。這些表達(dá)uOR的OSN經(jīng)過(guò)OR選擇切換，切換到oOR的OSN能夠存活，導(dǎo)致oOR過(guò)代表。那些不能切換到oOR的細(xì)胞會(huì)被判死亡。

在概述了一些總體趨勢(shì)之后，我們將討論從2000年上次的綜述[1]到今天不同香氣分類的活動(dòng)，按照從“水果香氣”到“麝香香氣”的相同香氣分子圖譜（圖1）。[1]

圖1. 在討論不同香氣分類時(shí)遵循的香氣分子圖譜。與相鄰家族和對(duì)立家族有共同的轉(zhuǎn)變，典型代表物的分子量從果香香氣在青香和海洋香韻方向上增加，并在麝香中達(dá)到最大值，而麝香通常又有果香的輔助香韻。

2.香料行業(yè)的一般趨勢(shì)

嗅覺(jué)觸發(fā)潛意識(shí)的隱藏力量，喚醒情緒并指導(dǎo)我們的決定。從生物學(xué)角度講，揮發(fā)性分子的識(shí)別在所有物種之間的交流中起著至關(guān)重要的作用?；谙∮兄参锘蚓脑O(shè)計(jì)的合成物質(zhì)的成分進(jìn)行有目的地挖掘和探索，這將有利于滿足人們與快樂(lè)、衛(wèi)生、健康和幸福相關(guān)的日常需求。在這樣做的過(guò)程中，它們促進(jìn)了世界所有地區(qū)的重大經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。隨著香氣分子的增加，環(huán)境安全已成為食用香料和日用香料（F&F）行業(yè)不可或缺的一部分，可再生或升級(jí)的原料作為可生物降解香氣分子的原子廉價(jià)合成的起點(diǎn)而受到追捧。這些參數(shù)包括土地利用、能源消耗和可再生性、節(jié)水、公平利益分享，當(dāng)然還有綠色化學(xué)的12項(xiàng)原則。[6 ]

為了衡量這些努力，公司開發(fā)了不同的項(xiàng)目，如“生態(tài)香氣指南針”（Firmenich）、“走向循環(huán)未來(lái)”（IFF）或“責(zé)任關(guān)懷”項(xiàng)目（Symrise）、“明天的感覺(jué)”和“五碳道路”（Givaudan），這些都衡量了與基準(zhǔn)分子相比，新推出的香氣分子帶有5個(gè)關(guān)鍵可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)。通用認(rèn)證協(xié)議，如“Cradle to Cradle Design”或“CSR EcoVadis”倡議，為更可持續(xù)的未來(lái)提供更大的透明度。

同時(shí)，人體安全方面仍然是創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)橄憔系谋O(jiān)管越來(lái)越嚴(yán)格。許多研究項(xiàng)目源于《有毒物質(zhì)控制法》（TSCA）中的新使用規(guī)則（SNUR）對(duì)香氣分子的使用限制。由于這些法規(guī)的增加，向美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）通報(bào)新的香氣分子變得越來(lái)越困難。因此，人體安全測(cè)試通常在新材料開發(fā)的早期階段進(jìn)行。在沒(méi)有動(dòng)物模型的情況下，確定相關(guān)毒理學(xué)終點(diǎn)的試驗(yàn)變得很重要。例如，DPRA（直接肽反應(yīng)性分析，OECD442C）[7]和角蛋白（OECD442D）[8]試驗(yàn)現(xiàn)在是國(guó)際公認(rèn)的檢測(cè)方法，用于在發(fā)現(xiàn)過(guò)程的早期識(shí)別皮膚致敏劑。值得注意的是，就人類和環(huán)境毒性而言，分子的固有反應(yīng)性是我們不想看到的，但在設(shè)計(jì)非生物累積性或可生物降解的香氣分子時(shí)，這可能是一個(gè)有益的方面。為此，已經(jīng)實(shí)施了鑒定持久性、生物累積性和毒性物質(zhì)（PBT）物質(zhì)（OECD319B）[9]和魚類毒性的試驗(yàn)。[10]生物降解通過(guò)OECD測(cè)試301（準(zhǔn)備就緒）和302（內(nèi)在固有）進(jìn)行測(cè)量。還有一些研究是關(guān)于香氣分子的最終生物降解性的，定義為在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)通過(guò)紫外線和氧化降解香水成分。[11]除法律要求外，國(guó)際香料協(xié)會(huì)（IFRA）的自我管理系統(tǒng)已被證明是有效的。這些不斷修訂的IFRA規(guī)范禁止使用原料，限制劑量水平，并指定應(yīng)用區(qū)域，覆蓋了全球香料原料生產(chǎn)量的90%左右。

皮膚致敏潛能的評(píng)估是物質(zhì)安全性評(píng)估的重要組成部分，是化學(xué)品立法的標(biāo)準(zhǔn)要求。在化學(xué)分析中，直接多肽反應(yīng)性試驗(yàn)(DPRA)利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即大多數(shù)化學(xué)過(guò)敏原具有親電性，因此能夠與氨基酸的親核側(cè)鏈反應(yīng)形成共價(jià)鍵。對(duì)該試驗(yàn)的基本理解是，如果一種化學(xué)物質(zhì)能夠與表皮蛋白發(fā)生反應(yīng)，那么它就有可能充當(dāng)增敏劑。反應(yīng)性可以通過(guò)與試樣孵育大約24小時(shí)后合成的含有半胱氨酸或賴氨酸的七肽的耗盡百分率來(lái)描述。用HPLC-UV檢測(cè)多肽消耗百分比。

互聯(lián)網(wǎng)上大量可用的香水相關(guān)信息以及人們對(duì)原料成分驅(qū)動(dòng)配方透明度和安全性的重視程度越來(lái)越高。從2018年開始，聯(lián)合利華在線上公布其美容和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的配方中所有香精成分的劑量低于0.01%，寶潔公司公布了他們使用的香精成分清單。一些小眾品牌，如香水公司PHLUR（2016），Pefume.Sucks line（2017）和J.U.S香水公司（Joyax Uniques et Sensoriels，2018）甚至將完整的配方發(fā)布在包裝或互聯(lián)網(wǎng)上。第一款完全開放的配方香水可能是“社區(qū)”（The Zoo，2016）。這種方法旨在教育消費(fèi)者去戰(zhàn)勝對(duì)合成香料的恐懼，并展示香水的價(jià)值和獨(dú)特性。這種完全開放的配方引發(fā)了對(duì)能夠在香水中產(chǎn)生鮮明特點(diǎn)的新型壟斷香料的需求。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，人工智能（AI）正在進(jìn)入香料行業(yè)。人類嗅覺(jué)的復(fù)雜性越來(lái)越多地反映在復(fù)雜和高維的數(shù)據(jù)中，這為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法[12]提供了機(jī)會(huì)，補(bǔ)充了嗅覺(jué)研究的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)。大多數(shù)香料公司都參與了各種合作，以爭(zhēng)取數(shù)字化創(chuàng)新。人工智能在不久的將來(lái)還會(huì)有改變并幫助設(shè)計(jì)新的香氣分子的潛力。