香精与香料(58)—呋喃酮

呋喃酮是一种香味增效剂，化学式为C6H8O3。外观为白色至浅黄色固体，呈强烈的焦糖香气，同时具有浓郁的水果香味及果酱味，稀释后具有覆盆子香味。易被空气氧化，商品以丙二醇稀释储存，其香味在弱酸介质中尤为浓厚。天然品存在于菠萝、草莓、葡萄、咖啡、芒果、加热牛肉汤、葡萄酒等之中。微量存在于食品、烟草、饮料中，香味阈值为0.04ppb就具有明显的增香修饰效果，因而广泛用作食品、烟草、饮料的增香剂；呋喃酮虽然广泛存在于天然产物中，但由于其含量很低，不能满足日常所需，食品行业所用的多为合成产品。

呋喃酮

GB 2760－2011规定为可用于食品香料。可广泛用于食品，饮料以及日化产品中，使美国使用香料协会(FEMA)(登记号：3174)和欧洲香料理事会(文号：536)认可的使用安全香料。

使用限量：FEMA(mg/kg)：冰淇淋、明胶和布丁，5.0；糖果，焙烤制品，10.0；含醇饮料，60。

草莓酮

中文名 呋喃酮

外文名 Furaneol; Strawberry furanone; 2,5-Dimethyl-4-hydroxy-3-(2H)-furanone; DMHF

别    名4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮；呋喃酮醇；菠萝酮；草莓酮

化学式 C6H8O3

分子量 128.13

CAS号 3658-77-3

熔    点 73 至 77 ℃

沸    点 188 ℃

水溶性 微溶

密    度 1.049 g/cm³(25℃)

外    观 白色至浅黄色结晶体或粉末状固体。具有强烈的焙烤焦糖香味，特征香气为果香、焦香、焦糖和菠萝样香气

闪    点 230 ℉(以上)

应    用 可用于食品香料

FEMA 3174

呋喃酮的生物合成

1、呋喃酮在草莓中的合成假说

图1 草莓果实中呋喃酮生物合成途径的假设。4-Hydroxy-5-methyl-2-methylene-3 (2H) -furanone HMMF;4-hydroxy-2, 5 - dimethyl-3 (2 h) -furanone HDMF;草莓醌氧化还原酶(FaQR);F. x ananassa烯酮氧化还原酶FaEO;F. x ananassa o -甲基转移酶FaOMT。[1]

然后，对参与HDMF生物合成的一种酶进行部分纯化。观察到的酶活性分布与单一多肽的存在有关。序列分析表明，该酶与一个成熟诱导的生长素依赖性醌氧化还原酶(FaQR)的蛋白序列完全一致。FaQR蛋白在大肠杆菌中功能表达，并催化HDMF的形成。4-羟基-5-甲基-2-亚甲基-3(2H)-呋喃酮(HMMF)被鉴定为FaQR的天然底物和HDMF的前体(图1)。[1]

FaQR催化高反应性烯酮HMMF的α、β不饱和键的还原，后来更名为F. x ananassa烯酮氧化还原酶(FaEO)。FaEO并没有还原直链2-烯醛和2-烯醛的双键，而是使亚甲基官能团取代的一些HMMF衍生物发生氢化反应。在番茄和菠萝果实中也检测到HMMF，表明HDMF在不同果实中通过相似的途径合成。从cDNA中克隆类番茄茄EO (Solanum lycopersicon EO, SlEO)，并对重组蛋白进行了鉴定。生化研究证实，SlEO参与了番茄果实中HDMF的形成。与其他两种依赖NAD(P)H的非黄素烯还原酶相比，FaEO和SlEO表现出较窄的底物光谱。直到最近，为了阐明FaEO催化的特殊反应的分子机理，才确定了它在六种不同状态或配合物中的晶体结构，包括与HDMF以及与三种底物类似物的配合物。结果表明，NAD(P)H的4R-氢化物被转移到HMMF的不饱和外环C-6碳上，形成环旋光不活跃的烯醇中间体，然后发生质子化反应生成HDMF。[1]

值得注意的是，一些报告表明，呋喃酮的产生可能不是一种植物代谢途径的直接活动，而是草莓植物和一种相关的细菌——扭脱甲基杆菌的共同努力。然而，这一提议的路线并不令人信服，因为关于HDMF和DMMF的最终步骤的报道相互矛盾，示踪实验也不支持提议的中间产物乳糖和6-脱氧-D -果糖-1-磷酸转化为呋喃酮。[1]

2、酵母合成呋喃酮

作为发酵酱油的主要风味成分，HEMF首次从发酵酱油中分离出来。在含有基于核糖和甘氨酸的氨基羰基(美拉德)反应产物的培养基中，通过培养耐盐酵母，鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)，促进了HEMF的形成。利用化合物的稳定同位素对其机理进行了研究。HEMF的五元环骨架和侧链甲基来源于核糖，乙基来源于D-葡萄糖或乙醛。酵母在HEMF形成过程中的作用不仅是提供d -葡萄糖代谢物(乙醛)，而且是将美拉德反应物与D-葡萄糖代谢物结合。[1]

在鲁氏接合酵母的细胞质提取物中，经与一些磷酸盐碳水化合物孵育后，发现HMF的形成。由于HMF是由核酮糖-5-磷酸通过美拉德中间体4,5-二羟基-2,3-戊二酮自发形成的，因此可以假设核酮糖-5-磷酸是在胞质提取物中酶促生成的，然后通过化学反应转化为HMF。这一假设通过在含有市场上可获得的酶和同位素标记的D-葡萄糖-6-磷酸的混合物中生产羟甲基糠醛得到了证实。有趣的是，HMF已被鉴定为由LuxS酶催化的胞外信号分子Al-2，并在细菌细胞间通讯中发挥作用。由5-磷酸核酮糖形成的Al-2的化学形成也可能发生在体内，这可能是缺乏luxS基因的生物体中Al-2样活性的原因。[1]

以D-1,6-二磷酸果糖为原料，研究了鲁氏接合酵母(Z. rouxii)在不同培养条件下形成HDMF的过程。当D-1,6-二磷酸果糖作为唯一碳源时，鲁氏接合酵母(Z. rouxii)的生长和HDMF的形成不明显。虽然鲁氏接合酵母(Z. rouxii)细胞生长在以D-葡萄糖为唯一碳源的培养基中，但HDMF仅在添加D-果糖-1,6-二磷酸时产生。HDMF水平始终与酵母细胞数和D-果糖-1,6-二磷酸盐浓度相关。添加1-13C-D-果糖-1,6-二磷酸后只形成单标记的HDMF，而添加13C6-D-葡萄糖后形成未标记的呋喃酮。因此，HDMF的碳完全来源于外源性的D-果糖-1,6-二磷酸。较高的培养基pH值对HDMF的形成有积极的影响，但会延缓细胞的生长，因此最适pH值为5.1。盐胁迫刺激了HDMF的产生。向培养基中添加邻苯二胺(α-二羰基(美拉德)中间体的捕获试剂)，可以得到3个由D-果糖-1,6-二磷酸衍生的喹恶啉衍生物。该结构的鉴定首次证实了1-脱氧-2,3-己二糖-6-磷酸的化学形成，这是一种普遍预期但从未发现的HDMF形成途径的中间体。由于HDMF仅在Z. rouxii细胞存在的情况下被检测到，因此假设有更多的酶的步骤。在环境温度下，HDMF也可以在含有D-果糖-1,6-二磷酸和NAD(P)H的溶液中化学生成。NAD(P)H是必须的，而标记前体的应用表明D-果糖-1,6-二磷酸骨架的氢化物转移到C-5或C-6。从D-果糖-1,6-二磷酸生成HDMF的生物和化学过程似乎遵循类似的途径。[1]

具有光学活性的天然产物在生物合成过程中由于立体选择性、酶催化反应而表现出特有的对映体过剩。虽然通过鲁氏接合酵母(Z. rouxii)和水果酶促生成HDMF是预期的，自然产生的化合物是外消旋的。由于酮烯醇互变异构，HDMF的快速外消旋化解释了这一现象。通过对C-2上呋喃酮环上的质子与氘交换的1H-NMR和手性相毛细管电泳分析表明，在pH值为4~5时，HDMF的外消旋化率最低。因此，为了验证HDMF的酶促形成，我们在pH为5的条件下，用鲁氏接合酵母(Z. rouxii)和草莓蛋白提取物进行了孵育实验。在两个实验中都证实了对映体富集的HDMF的形成，而在中性pH条件下检测到外消旋呋喃酮。[1]

3、细菌合成呋喃酮

在含有L-鼠李糖的酪蛋白蛋白胨培养基上，荚膜毕赤酵母(Pichia capsulata )生长4 d后检测HDMF。稳定同位素比值质谱分析证实了L-鼠李糖是HDMF的碳源。时间过程实验导致假设，HDMF是由荚膜毕赤酵母在培养基热灭菌过程中产生的中间体形成的，正如鲁氏接合酵母所提出的。同样，在美拉德反应的结果中，HDMF在加热糖和氨基酸制备的介质中被检测到。而在相同的发酵培养基中，HDMF水平被乳酸乳球菌乳脂亚种(Lactococcus lactis subsp. cremoris.)发酵也有所提高。[1]

4、有关呋喃酮的合成的小结

3(2H)-呋喃酮类化合物具有低的气味阈值和诱人的香味特性，是重要的芳香化学物质。它们是由不同的碳水化合物在美拉德反应过程中化学形成的，因此在许多加工食品中都存在，它们有助于产生香味。但呋喃酮也可由酵母、细菌和植物产生，其生理功能可能与氧化还原活性有关。虽然像L-鼠李糖这样的脱氧糖是美拉德反应中HDMF的有效前体，但D-1,6-二磷酸果糖被鉴定为水果中的天然前体。在草莓果实中，磷酸化的碳水化合物被磷酸盐和水分消除作用转化为HMMF, HMMF最终被FaEO (FaQR)还原为HDMF。HDMF的甲基化作用导致DMMF的积累，并由FaOMT催化。总的来说，由于同位素标记前体的应用，在阐明微生物和植物中天然呋喃酮的生物合成途径方面取得了重大进展。在不久的将来，对林地草莓基因组序列的了解将有助于检测HDMF通路缺失的基因，改进的成像系统将有助于定位细胞内呋喃酮。对相关基因和酶的了解将为生物技术生产天然呋喃酮提供基础。[1]

呋喃酮的生物与药理活性

1、呋喃酮对人体病原菌和真菌的抑菌作用

呋喃酮是在草莓、菠萝和加工食品中发现的一种重要的芳香化合物，已知在动物模型上具有多种生物活性。本研究探讨了呋喃酮对人体病原微生物的抑菌作用。结果表明，呋喃酮对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌及真菌具有广谱抗菌活性，且对人红细胞无溶血作用。为了证实呋喃酮的抗真菌活性，我们研究了细胞内海藻糖的积累作为毒性物质的应激反应标记物及其对白色念珠菌二形转变的影响。结果表明，呋喃酮诱导细胞内海藻糖的大量积累，并通过破坏血清诱导的菌丝形态发挥其抗真菌作用。这些结果表明，呋喃酮可能是一种对人类致病微生物具有广谱抗菌活性的治疗剂。[2]

2、关键食物呋喃酮(Furaneol, 4-羟基-2,5-二甲基-3(2H)-呋喃酮)和索托酮(Sotolone, 3-羟基-4,5-二甲基-2(5H)-呋喃酮)特异激活不同的气味受体

在美拉德反应中形成的呋喃酮通常是天然的芳香关键化合物，存在于许多食物中。在经济上具有重要意义的是结构同构物呋喃酮和索托酮，它们具有独特的焦糖和调味风味，是重要的天然香料化合物。然而，这并不能通过气味分子的形状来预测，相反，它们受体的激活参数可以帮助解码气味质量的编码。在这里，呋喃酮和索托酮的独特气味特性表明，在我们大约400种不同的气味受体类型中，至少有两种被激活，它们是我们化学嗅觉的分子生物传感器。当一种气味受体已被确定为索托酮，一种受体特异性呋喃酮尚不清楚。在一项基于HEK-293细胞的发光试验中，我们采用了一种双向筛选的方法，使用616个受体变异和187个关键的食物气味，我们新发现OR5M3是一种被呋喃酮和酱油酮(Homofuraneol, 5-乙基-4-羟基-2-甲基-3(2H)-呋喃酮)特异性激活的受体。[3]

OR5M3是一种被呋喃酮和酱油酮(Homofuraneol, 5-乙基-4-羟基-2-甲基-3(2H)-呋喃酮)特异性激活的受体。[3]

3、呋喃酮骨架的化学和药理潜力综述

呋喃酮结构是一类重要的杂环化合物，经常出现在具有显著药理作用的天然产物中，研究领域也在不断扩大。它们具有广泛的药物活性:抗白内障、抗癌、抗菌、消炎、抗惊厥。本文对天然呋喃酮类化合物的研究进展、合成方法及其生物学效应进行了综述。固相法、交叉偶联反应、美拉德式反应、醇与苯基氧化腈的环加成反应、侧链修饰反应是制备呋喃酮衍生物的几种反应类型。本文综述了呋喃酮骨架的制备方法和药理活性，将有助于药物化学家设计和执行新的方法来寻找新药。[4]

呋喃酮及其衍生物的药理活性[4]

4、2,5-二甲基-4-羟基-3[2H]-呋喃酮β-d-葡萄糖醛酸作为人类草莓风味成分主要代谢物鉴定

2,5-二甲基-4-羟基-3[2H]呋喃酮(Furaneol®，DMHF)[3658-77-3]是草莓果实的一种重要的香味成分。通过检测尿中DMHF和DMHF葡萄糖醛酸水平来确定排泄量。合成了DMHF 葡萄糖醛酸，并通过1H、13C、二维核磁共振和质谱数据对其结构进行了鉴定。采用反相高效液相色谱法(XAD-2)固相萃取、在线紫外/可见光谱(UV/VIS)或电喷雾串联质谱(electrospray - tandem - mass spectrometry)检测人尿中DMHF 葡萄糖醛酸的含量。男性和女性志愿者在24小时内分别以DMHF葡糖苷酸的形式在尿液中排泄出DMHF剂量(草莓中游离和糖苷结合DMHF总量)的59-69%和81-94%。在草莓果实中，DMHF的排泄量与DMHF的剂量大小和游离与糖苷结合形式的比例无关。天然存在于草莓中的二氢呋喃、二氢呋喃葡萄糖苷及其6 '- o -丙二酰衍生物在人类尿液中均未检测到。[5]

5、吸引但有毒:糖基结合挥发物和糖基转移酶参与其形成的新作用

植物会产生和释放大量的挥发性、低分子量的化学物质，它们在生物体中发挥不同的作用，并在环境温度下分散在空气中。空气中的挥发物构成了花朵的香味和种子植物果实的香味。数千年来，这些次级或特殊的植物代谢物被人类用作香水(香料)，并在食物中作为香味化合物和防腐剂。由蒸汽蒸馏法或从植物器官中提取而得的精油含有大部分挥发物，由于其疏水性成分具有细胞毒性作用，可作为化疗药物和麻醉剂，预防、治疗和减轻疾病引起的疼痛。[6]

挥发物的生理作用包括对非生物和生物胁迫的化学防御，以及与其他生物的生物信息信号。植物产生挥发性代谢物的组成部分和/或响应外部刺激。在花朵和果实中，气味分子分别起到吸引传粉者和种子传播者的作用。然而，挥发物在植物保护中也发挥着不同的作用。植物代谢物击退并使食草动物中毒，赋予抗菌特性以对抗病原体，诱骗捕食食草动物的掠食性和寄生性昆虫，诱导邻近植物对即将到来的攻击进行防御，并减弱氧化应激。植物挥发物在空间、发育和时间上通过不同的多步骤途径生物合成，可分为萜类、脂肪酸衍生物、氨基酸衍生物、酚类和其他不能归为其他基团的小分子。收集、浓缩、分离和鉴定植物挥发物的现代技术甚至可以检测到最低水平的挥发物;在90种植物中已经鉴定出1700多种挥发物，显示出这类植物天然产物的巨大多样性。[6]

图1 GBVs研究进展时间轴

糖苷结合挥发物(GBVs)是一类较新的植物次生产物，这可能与它们在植物中的丰度低和经常缺乏紫外-可见吸收光谱(无色)而妨碍分光光度计的检测有关。此外，GBVs不挥发、无臭，不直接适用气相色谱和感官分析。尽管一些现象，如薄荷在贮藏过程中精油含量的增加表明了结合单萜的存在，但直到1969年，第一个GBVs(香叶醇、橙花醇和香茅醇葡萄糖苷)才在玫瑰花瓣中被鉴定出来(图1)单萜醇葡萄糖缀合形式的发现引起了人们对GBVs的研究。此后，在含油植物和非含油植物中，GBVs均被分离和结构鉴定;在某些情况下，GBVs的水平超过了挥发物的数量，比例范围为2:1至5:1。在50多个植物科中发现了具有GBVs的物种，发现GBVs的发生不仅限于植物的地上部分，还包括根、根茎、花瓣和种子。虽然早在1974年就发现葡萄中存在GBVs，但单萜苷是1982年在一种粮食作物中首次发现的。[6]

图2 茶叶和芒果果实糖苷结合的选择性苷元

常报道的GBVs的苷元结构有短链和中链、直链和支链、不饱和和饱和醇和酸类、酚类和异戊烯醇，包括单萜醇、C13 -正异戊烯醇和倍半萜醇(图2)。此外，杂化合物如呋喃酮、中链羟基酯和酸也是GBV的配基。后者在酶解后产生挥发性内酯，这已被证明为橡树内酯。苷元来源于β-氧化和脂氧合酶途径的脂肪酸代谢或由莽草酸酯和类异戊二烯途径产生。甲基支链醇如2-甲基丁醇和3-甲基丁醇也可能从氨基酸代谢中得到。[6]

参考文献

[1] Wilfried Schwab. Natural 4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone (Furaneol®). Molecules 2013, 18, 6936-6951; doi:10.3390/molecules18066936

[2] Sung, W.S. & Jung, Hyun Jun & Lee, I.S. & Kim, H.S. & Lee, D.G.. (2006). Antimicrobial effect of furaneol against human pathogenic bacteria and fungi. Journal of Microbiology and Biotechnology. 16. 349-354.

[3] Franziska Haag, Sandra Hoffmann, and Dietmar Krautwurst. Key Food Furanones Furaneol and Sotolone Specifically Activate Distinct Odorant Receptors. J. Agric. Food Chem. 2021, 69, 37, 10999–11005.https://doi.org/10.1021/acs.jafc.1c03314.

[4] Hosseinzadeh Zahra and Ramazani Ali *, An Overview of the Chemistry and Pharmacological Potentials of Furanones Skeletons, Current Organic Chemistry 2019; 23(14) . https: //dx. doi. org /10. 2174 /1385272 823666190820111928

[5] R. Roscher, H. Koch, M. Herderich, P. Schreier, W. Schwab, Identification of 2,5-dimethyl-4-hydroxy-3[2H]-furanone β-d-glucuronide as the major metabolite of a strawberry flavour constituent in humans,Food and Chemical Toxicology,Volume 35, Issue 8,1997,Pages 777-782,ISSN 0278-6915, doi.10.1016/S0278-6915(97)00055-0.

[6] Chuankui Song, Katja Hartl , Kate McGraphery, Thomas Hoffmann and Wilfried Schwab. Attractive but Toxic: Emerging Roles of Glycosidically Bound Volatiles and Glycosyltransferases Involved in Their Formation. Molecular Plant,2018, 11, 1225-1236. https://doi.org/10.1016/j.molp.2018.09.001