什么是流行的，什么不是：過去20年中香氣分子化學(xué)的趨勢

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年以來關(guān)于香氣分子化學(xué)研究的最新進展的報告續(xù)集，它總結(jié)了過去20年里香氣分子化學(xué)發(fā)現(xiàn)的進展。根據(jù)該報告中提出的香氣分子圖譜，將所謂引領(lǐng)潮流“受壟斷的”（被專利保護并無法供應(yīng)給市場的）香氣物質(zhì)按照主要氣味特征分類為：“水果香氣”(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，它們的化學(xué)合成，以及它們在現(xiàn)代香料中的使用都以典型的例子來詳細(xì)說明。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，并且需要重新修改嗅覺載體模型(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。同時，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，[1]香料行業(yè)發(fā)生了很多事情。許多發(fā)展已成為市場現(xiàn)實，因此，20年后，似乎應(yīng)該再次總結(jié)香氣分子化學(xué)的最新進展和當(dāng)前趨勢。在這段時間里，精品香水的推出率不斷提高，而使用獨家壟斷的香料來創(chuàng)作香水是向消費者傳遞足夠的鮮明特點來區(qū)分新產(chǎn)品的一種方式。自2004年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎授予Richard Axel和Linda B·Buck以來，人們對嗅覺有了更多的了解，“因為他們發(fā)現(xiàn)了氣味受體和嗅覺系統(tǒng)組織”，但關(guān)于氣味受體的晶體學(xué)數(shù)據(jù)仍然缺乏。

人類的嗅覺系統(tǒng)。嗅受體位于嗅感覺神經(jīng)元上，嗅感覺神經(jīng)元位于鼻上皮的上部。每個嗅覺受體細(xì)胞只表達一個氣味受體。在激活時，來自嗅覺受體細(xì)胞的信號在腎小球-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，將信號傳遞到大腦的高級區(qū)域。資料來源:瑞典斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學(xué)院和諾貝爾基金會。

此外，受體水平上的分子相互作用只是嗅覺復(fù)雜過程中的一個步驟，包括識別組合的多受體激活，并通過大腦的下游處理進行解釋。[2,3]另一方面，分子的模型建立允許人們對某些氣味的分子參數(shù)進行有趣的研究和理解。由于對受體轉(zhuǎn)運蛋白RTP1、RTP1s和RTP2的理解有所進展，[4,5]細(xì)胞表面氣味受體的強大功能表達已成為現(xiàn)實。這允許對各受體的香料香氣接受范圍進行表征。

RTP1和RTP2在OR基因選擇中的作用模型。

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

在概述了一些總體趨勢之后，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，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遵循的香氣分子圖譜。與相鄰家族和對立家族有共同的轉(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

嗅覺觸發(fā)潛意識的隱藏力量，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)計的合成物質(zhì)的成分進行有目的地挖掘和探索，這將有利于滿足人們與快樂、衛(wèi)生、健康和幸福相關(guān)的日常需求。在這樣做的過程中，它們促進了世界所有地區(qū)的重大經(jīng)濟活動。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，可再生或升級的原料作為可生物降解香氣分子的原子廉價合成的起點而受到追捧。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項原則。[6 ]

為了衡量這些努力，公司開發(fā)了不同的項目，如“生態(tài)香氣指南針”（Firmenich）、“走向循環(huán)未來”（IFF）或“責(zé)任關(guān)懷”項目（Symrise）、“明天的感覺”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個關(guān)鍵可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)的改進。通用認(rèn)證協(xié)議，如“Cradle to Cradle Design”或“CSR EcoVadis”倡議，為更可持續(xù)的未來提供更大的透明度。

同時，人體安全方面仍然是創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動力，因為香精原料的監(jiān)管越來越嚴(yán)格。許多研究項目源于《有毒物質(zhì)控制法》（TSCA）中的新使用規(guī)則（SNUR）對香氣分子的使用限制。由于這些法規(guī)的增加，向美國環(huán)境保護局（EPA）通報新的香氣分子變得越來越困難。因此，人體安全測試通常在新材料開發(fā)的早期階段進行。在沒有動物模型的情況下，確定相關(guān)毒理學(xué)終點的試驗變得很重要。例如，DPRA（直接肽反應(yīng)性分析，OECD442C）[7]和角蛋白（OECD442D）[8]試驗現(xiàn)在是國際公認(rèn)的檢測方法，用于在發(fā)現(xiàn)過程的早期識別皮膚致敏劑。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)計非生物累積性或可生物降解的香氣分子時，這可能是一個有益的方面。為此，已經(jīng)實施了鑒定持久性、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。[10]生物降解通過OECD測試301（準(zhǔn)備就緒）和302（內(nèi)在固有）進行測量。還有一些研究是關(guān)于香氣分子的最終生物降解性的，定義為在較長時間內(nèi)通過紫外線和氧化降解香水成分。[11]除法律要求外，國際香料協(xié)會（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。

皮膚致敏潛能的評估是物質(zhì)安全性評估的重要組成部分，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(DPRA)利用了這樣一個事實，即大多數(shù)化學(xué)過敏原具有親電性，因此能夠與氨基酸的親核側(cè)鏈反應(yīng)形成共價鍵。對該試驗的基本理解是，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)性可以通過與試樣孵育大約24小時后合成的含有半胱氨酸或賴氨酸的七肽的耗盡百分率來描述。用HPLC-UV檢測多肽消耗百分比。

互聯(lián)網(wǎng)上大量可用的香水相關(guān)信息以及人們對原料成分驅(qū)動配方透明度和安全性的重視程度越來越高。從2018年開始，聯(lián)合利華在線上公布其美容和個人護理產(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者去戰(zhàn)勝對合成香料的恐懼，并展示香水的價值和獨特性。這種完全開放的配方引發(fā)了對能夠在香水中產(chǎn)生鮮明特點的新型壟斷香料的需求。

最后但并非最不重要的一點是，人工智能（AI）正在進入香料行業(yè)。人類嗅覺的復(fù)雜性越來越多地反映在復(fù)雜和高維的數(shù)據(jù)中，這為數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法[12]提供了機會，補充了嗅覺研究的經(jīng)驗性質(zhì)。大多數(shù)香料公司都參與了各種合作，以爭取數(shù)字化創(chuàng)新。人工智能在不久的將來還會有改變并幫助設(shè)計新的香氣分子的潛力。