内酯类化合物在食品中的风味贡献及形成机制

于海燕，姚文倩，陈臣，袁海彬，黄娟，娄新曼，田怀香

（上海应用技术大学香料香精技术与工程学院，上海 201418）

内酯类化合物是许多食品风味的关键气味物质之一，能赋予食品奶香、水果香、坚果香、焦糖香等优良的风味[1,2]，并可调和其他挥发性成分使整体风味更加柔和[3]。内酯类化合物有较低的感官阈值，如：γ- 十二内酯在水中的香气阈值（察觉阈值）为0.43-7.00 µg/kg[4]，且对食品风味有重要贡献，例如：γ-内酯和δ-内酯对奶酪奶香味的形成具有重要作用[5]，δ-癸内酯在黄油[6-10]、切达奶酪[3,5]、高达奶酪[11]、马苏里拉奶酪[12]等乳制品中香气活性值（odor activity value，OAV）大于1，对乳制品的奶香和坚果风味有重要贡献；δ-辛内酯是桃的特征香气成分[13]，也是清香型白茶的特征风味物质之一[14]；甜味和奶油味与γ-辛内酯含量呈正相关[15]；葫芦巴内酯具有独特的香气特征：由低浓度时的焦糖香气向高浓度时的咖喱香气转变[16]；威士忌内酯具有四种立体异构体，可以赋予酒甜香、椰子香、水果香、茉莉香等[17]；二氢猕猴桃内酯具有木香[18]，是碧螺春[19]、西湖龙井[20]茶的关键呈香成分。

研究发现，越来越多的化合物与风味特征紧密相关[1,7,21]。研究风味物质的形成机理、了解风味物质在食品加工和储存过程中的生物和化学变化，将食品以最佳的接受度呈现给消费者成为新的研究趋势。目前，研究者已经对内酯化合物在食品中的形成机制进行了探索，提出了γ-内酯和δ-内酯的羟基脂肪酸-内酯形成机制[3]、一步分子内酯交换反应途径[22]、葫芦巴内酯的羟醛缩合反应途径[23]、果实中脂肪酸-酰基Co A-内酯形成途径[24]、果实中不饱和脂肪酸-羟基脂肪酸-内酯形成途径[25]等。

对食品中内酯类化合物的研究，有助于阐明内酯类化合物对食品风味的贡献；解析其形成机制和影响因素，对开发和生产符合消费者口味的食品具有指导意义。本文在查阅相关文献的基础上综述了内酯类化合物对食品的风味贡献、食品中内酯类化合物的形成机制及影响因素，并总结了在研究内酯类风味化合物过程中所出现的问题，展望了未来的研究热点。

1 食品中常见的内酯类化合物

食品中常见的内酯类化合物有δ-内酯、γ-内酯、葫芦巴内酯和威士忌内酯（又称橡木内酯）、二氢猕猴桃内酯等。内酯类化合物与食品风味有密切关系[3]，且内酯类化合物的化学结构决定了它们的感官和化学性质。食品中的常见内酯类化合物的结构式如图1，常见食品中的内酯类化合物及其香气贡献如表1。

δ-内酯在乳制品和水果中广泛存在。其中，δ-癸内酯、δ-十二内酯和δ-壬内酯表现出典型的甜奶油香气、坚果香和椰子味，且阈值相对较小[5]。δ-癸内酯和δ-十二内酯是奶油香的特征成分，尤其是δ-癸内酯具有强烈持久的奶油的甜润香气，在水中的香气阈值（察觉阈值）仅为2.50～410.00 µg/kg[4]；采用稳定同位素稀释法（stable isotope dilution assays，SIDA）测定黄油中δ-癸内酯，其稀释系数高达4096[7]，浓度达1193.00～5730.00 µg/kg[6-10]；在水果中，δ-癸内酯赋予桃、杏、芒果等水果甜香、水果香[26-28]，在桃中δ-癸内酯浓度高达4250.00～26260.00 µg/kg[26]，OAV>10。δ-十二内酯阈值很低，在水中的香气阈值（察觉阈值）低至0.46～53.00 µg/kg[4]，在切达奶酪和高达奶酪中浓度分别高达19.37～396.26 µg/kg[5]和260.00～1640.00 µg/kg[11]，赋予奶酪甜味和水果味，对奶酪奶香味的形成具有重要作用[5]。

γ-内酯是一类重要的呈香化合物，留香时间长，有增香的作用[29]。目前，国内外学者对γ-内酯的结构、感官特性和形成已经有了较为全面的研究[30]。γ-内酯在白酒[31,32]、黄酒[33-35]、葡萄酒[36]、威士忌[37,38]等酒中广泛存在（表1）：γ-癸内酯、γ-壬内酯、γ-十二内酯在酒中的含量较高，阈值较低，能赋予酒甜香、水果香、椰子香；γ-辛内酯、γ-壬内酯是白酒中主要的内酯类香气物质[39]；γ-壬内酯对浓香型白酒、清爽型黄酒的风味贡献较大。其次，γ-内酯是水果、乳及乳制品的重要风味物质[40,41]（表1）：γ-辛内酯在水中的香气阈值为6.50～24.00 µg/kg[4]，在杏果中，γ-辛内酯的浓度为7.00～4040.00 µg/kg[27]；在UHT乳、切达奶酪中的浓度远高于阈值，分别为790.00～990.00 μg/kg[42]，130.00～170.00 µg/kg[43]。此外，γ-丁内酯、γ-辛内酯、γ-己内酯也赋予花生油、核桃油、巴旦木油等坚果油焦糖味、甜味和椰子味[44]。在茶叶中，γ-辛内酯在冷藏的仙毫绿茶中OAV值大于1，具有花香，紫罗兰香[45]；在凤凰单丛茶的挥发性成分中有γ-丁内酯、γ-己内酯，分别具有玉兰香和姜花香[46]。

葫芦巴内酯（3-羟基-4,5-二甲基-2(5H)呋喃酮），是一种香气强烈的手性内酯化合物，在水中的香气阈值极低，为0.40～20.00 µg/kg[4]，在绿茶中的浓度为121.31～574.17 µg/kg[45]，远高于其阈值。葫芦巴内酯是构成多种类型葡萄酒[47,48]（如：雪利酒[48]、马德拉酒[40,49]、波特酒[48]）、咖啡[50]、黄酒[40]、醋[51]等发酵食品香气特征的关键香气化合物[51,52]。葫芦巴内酯与陈味有内在联系，且随时间呈递增关系[53]，被鉴定为年份标志物[54]，是陈酿酒中的关键香气物质[55]。

威士忌内酯（又称橡木内酯），在威士忌，白兰地中存在，赋予其水果香、花香[17]。橡木内酯的顺式和反式具有显著不同的气味阈值[56]，且威士忌的感官评价与反式橡木内酯的含量呈正相关[17]。威士忌内酯在稀酒精溶液中的每种对映体都有其独特的气味品质[1,17]：反式-(3S，4R)：具有非常强烈的椰子香，茉莉花香，木香，干草香；反式-(3R，4S)：具有强烈的甜香，椰子香，花香，果香；顺式-(3R，4R)：具有淡到中等强度的甜香、椰子香；顺式-(3S，4S)：具有甜味和非常微弱的椰子味。

二氢猕猴桃内酯是类胡萝卜素类降解产物[57]，具有木香[18]，广泛存在于多种名优茶中，是凤凰单丛茶[46]、香茶等绿茶[58]，Kangra正统红茶[59]、茯砖茶等黑茶[57]，绞股蓝茶[18]，福鼎白茶[60]的关键呈香成分。

Siek等[61]建立了单个内酯的香气阈值：在油中，δ-辛内酯、δ-癸内酯、δ-十二内酯、δ-十四内酯的味觉阈值分别为3.00、1.40、95.00、500.00 µg/kg；在水中的味觉阈值比在油中低5到950倍。研究表明内酯类化合物具有较低的感官阈值[30]，通常短链内酯的阈值低于长链内酯[62]。

2 食品中内酯类化合物的组成及其香气贡献

2.1 乳及乳制品

内酯类化合物对乳及乳制品的风味有很大贡献[63,64]。内酯类化合物是超高温瞬时灭菌乳（ultra-high temperature instantaneous sterilization乳，UHT乳）风味的主要来源，例如，δ-癸内酯，γ-十二内酯是UHT乳中重要挥发性风味物质，对形成UHT乳特有风味起重要作用[42,65]。内酯也是黄油风味形成的主要化合物：Tharp等[8]从黄油的蒸汽馏分中分离出了δ-癸内酯和δ-十二内酯；Boldingh等[9]在黄油中检测到δ-辛内酯、δ-癸内酯、δ-十二内酯和δ-十四内酯，发现乳脂中的一系列δ-内酯和少量的γ-内酯为黄油风味的主要贡献者；Schlutt等[10]发现半挥发性内酯，如δ-十四内酯，可以增强黄油的典型奶油味道。奶酪中内酯含量与奶酪脂肪含量呈正比[66]，赋予奶酪奶油味、椰子味等：王姣等[5]在不同成熟时间的切达奶酪样品中检测出8种内酯：δ-己内酯、δ-壬内酯、γ-十一内酯、δ-癸内酯、γ-十二内酯、δ-十二内酯、β-羟基-γ-丁内酯、δ-十四内酯；在不同成熟时间的切达奶酪中，成熟时间为12个月的中味切达奶酪含8种内酯，所含种类最多，且含量最高为0.06 mg/kg[5]；北京工商大学王蓓团队[12]发现不同工艺制备的马苏里拉奶酪的挥发性化合物种类和含量差别较大，新鲜牛奶奶酪中内酯类化合物含量较高，半硬质牛奶奶酪以酸类化合物为主，内酯类化合物其次；δ-辛内酯、δ-癸内酯、δ-十二内酯和γ-己内酯是高达奶酪中主要内酯类物质，赋予奶酪椰子味、甜味、杏果味等[11]。

2.2 酒

内酯类化合物能赋予酒焦糖香、陈香、水果香、甜香、坚果香等良好的风味，在威士忌、葡萄酒、黄酒、白酒、朗姆酒中已检测到内酯类化合物，且种类多样（表1）。β-甲基-γ-内酯（橡木内酯），γ-壬内酯，γ-癸内酯和γ-十二内酯是在麦芽威士忌中已知的四种内酯，其中：γ-壬内酯，γ-十二内酯的感官阈值极低，分别为9.70～30.00 µg/kg[67]、0.43～7.00 µg/kg[28,37]，γ-壬内酯，γ-十二内酯的OAV值均大于1；γ-癸内酯和γ-十二内酯对麦芽威士忌的甜味和脂肪风味有显著贡献，影响麦芽威士忌的品质[37,38]；橡木内酯在麦芽威士忌中有顺式和反式两种[17]，呈威士忌酒香气及香豆素香、椰子香、木香、坚果香等，是麦芽威士忌中重要的理想风味成分。此外，内酯是葡萄酒的重要香气成分之一[68]：Jose等[69]测定了9款菲诺型白葡萄酒在工业条件下生物陈化1、3、5年后的63种香气成分，发现葫芦巴内酯是风味贡献最大的化合物之一。在黄酒中：江南大学徐岩团队[34]采用GC-O首次发现葫芦巴内酯是构成甜型黄酒“焦糖香”特征香气的关键香气化合物；罗涛等[33]发现γ-壬内酯对清爽型黄酒的贡献较大。目前，在白酒中已经定性的内酯有γ-己内酯[31]、γ-辛内酯[39]、γ-壬内酯[70,71]、γ-癸内酯[32]、γ-十二内酯[32]，具有甜香、坚果香等令人愉快的香气，对白酒的风味有积极的贡献；陈年白酒中具有顺式和反式两种橡木内酯，顺式内酯的感官阈值为0.79 mg/L，反式内酯的感官阈值为0.07 mg/L，顺式内酯的香气比反式内酯的香气更浓郁[72]。

表1 常见食品中的内酯类化合物及其香气贡献Table 1 Lactones in common foods and their aroma contribution

2.3 水果

内酯类化合物是桃、杏、芒果、椰子等水果的重要特征香气成分。内酯类物质是成熟桃果实的主要呈味物质，尤其是γ-癸内酯和δ-癸内酯[73,74]。内酯可以使桃果实具有桃香尾韵，γ-癸内酯使桃果实具有桃特有的芳香气味。Jia等[75]发现甜度与γ-辛内酯、γ-癸内酯、δ-癸内酯、γ-十二内酯高度相关；酸味与γ-癸内酯和γ-辛内酯呈高度负相关；γ-己内酯、γ-癸内酯和γ-辛内酯与桃子味、水果味、桃子整体风味和人们总的接受程度呈显著正相关，与青草味呈显著负相关。γ-癸内酯、γ-辛内酯是杏香气的关键特征香气成分，内酯类成分的有无及含量多少，可以作为鉴定杏果实香气优劣的重要指标之一。张波等[76]采用顶空固相微萃取（headspace solid phase microextraction，HS-SPME）和气相色谱-质谱联用法（gas chromatography - mass spectrometry，GC-MS）联用技术，在6种杏果中鉴定出9种内酯类化合物，其中：γ-己内酯、δ-十一内酯、5-羟基-7-癸烯酸内酯和5-羟基-2,4-癸二烯酸内酯是杏中首次报道的风味物质。Xi等[77]在杏果实香气化合物中鉴定出8种内酯，其中：γ-辛内酯、δ-辛内酯、γ-癸内酯、δ-癸内酯、γ-十二内酯的OAV值均大于1。Elisabeth等[27]发现欧洲生态杏子中含有γ-癸内酯、二氢猕猴桃内酯，且γ-癸内酯含量较多。Engel等[78]采用标准控制蒸馏-萃取、液相色谱和GC-MS联用技术，Wilson等[28]采用气相色谱法，在芒果中共鉴定出11种内酯。

2.4 其他食品

牛肉中含有较为丰富的内酯类化合物，其中δ-十四内酯和δ-十六内酯可以掩盖青草味[79]，在谷物饲养牛肉中的含量高于草饲牛肉。不同品种的牛肉所含内酯类化合物的种类和含量有所差异：γ-十二内酯、δ-癸内酯、δ-十二内酯、δ-十四内酯和δ-十六内酯在澳大利亚牛肉中含量相对较高；和牛中的γ-辛内酯和γ-壬内酯含量相对较高[80]，且内酯是日本和牛最重要的风味成分[79]，具有椰子味或桃味的γ-壬内酯有助于和牛的甜味[81]。葫芦巴内酯是咖啡风味的关键化合物之一[82]，Semmelroch等[83]发现Arabica和Robusta咖啡中葫芦巴内酯的OAV值分别为257和103，远大于1，对咖啡风味具有重要作用。贾潇等[44]对溶剂辅助蒸发法（solvent-assisted flavor evaporation，SAFE）提取的3种坚果油挥发性化合物通过质谱鉴定，保留指数鉴定，嗅闻鉴定结合分析：在花生油和核桃油中发现γ-丁内酯（焦糖、甜味），在巴旦木油中鉴定出γ-辛内酯（椰子味）。此外，γ-壬内酯、δ-癸内酯、δ-壬内酯可以赋予面包椰子香、甜香、坚果香[84-86]；葫芦巴内酯、δ-辛内酯、δ-癸内酯、γ-辛内酯、二氢猕猴桃内酯赋予绿茶椰子香、焦糖香、麝香等，构成其独特的香气特征[45,58]。

3 具有风味贡献的内酯类化合物形成机制及其影响因素

3.1 乳及乳制品

乳及乳制品中具有丰富的内酯，目前人们对乳制品中内酯的形成机制主要有两种观点：酶反应途径和化学反应途径。γ-内酯和δ-内酯为乳制品风味的理想贡献者[9,95]，4-羟基酸和5-羟基酸分别是γ-内酯和δ-内酯的重要前体。羟基化脂肪酸存在于乳脂甘油三酯中，可以通过酶促反应分解脂肪或者加热得到；也可以通过微生物酶（脂氧合酶和水合酶）作用于不饱和脂肪酸的分解代谢产生（图2）。而化学反应途径认为：奶酪中内酯形成的机理是一步非酶反应，在甘油三酯中酯化的羟基脂肪酸经过酯交换反应直接释放内酯（图3）[21]。

影响内酯类化合物在乳及乳制品中生成的因素主要有：①温度：牛乳经过UHT处理后，酯类化合物变化最大，与原料乳相比，有2,4-戊二烯-4-内酯，2(5)-庚烯-4-内酯，γ-辛内酯，δ-辛内酯，γ-壬内酯和δ-癸内酯6种内酯类化合物形成[42]；干酪成熟过程中内酯的形成取决于成熟温度，其形成速率具有温度依赖性[21]。②水分活度：微量的水在内酯形成过程是必要的，且水在反应过程中起催化作用[21,96]，Alewijn等[21]发现添加5%（V/V）的水可以充分地提高奶酪中内酯形成速率，但添加更多的水不会产生额外的影响。③其他：干酪成熟过程中内酯的形成也取决于非发酵剂乳酸菌（nonstarter lactic acid bacteria，NSLAB）的存在[97]；缺乏前体或酶活性会阻碍内酯的形成[98]；此外，乳制品的乳脂含量，发酵乳制品的发酵时间，不同预热处理方式均会影响乳制品中内酯化合物的种类和数 量[64,99,100]。

3.2 酒

目前，内酯类化合物在酒中的形成机制主要有两类观点：①氧化反应：亚油酸在糖化过程中通过酶促氧化或自动氧化产生氢过氧化物，亚油酸通过氢过氧化物从4-羟基壬酸转化为γ-壬内酯[37]。②微生物作用：乳酸菌将不饱和脂肪酸油酸和棕榈油酸分别转化为γ-内酯的前体：10-羟基硬脂酸和10-羟基棕榈酸，然后酵母将10-羟基硬脂酸和10-羟基棕榈酸分别转化为γ-癸内酯和γ-十二内酯。此外，酒中微生物之间的相互作用会间接影响内酯的形成：羟基脂肪酸可在乳酸菌存在的情况下形成，在布鲁尔氏酵母存在下形成的羟基脂肪酸比只在酿酒酵母存在下形成的羟基脂肪酸更多[104]。且研究发现，顺式橡木内酯和反式橡木内酯可能来自相同的前体物质（图3）[17]。葫芦巴内酯是陈酿酒的重要特征风味物质，其形成途径比较复杂，酒精饮料陈酿过程中2-酮丁酸与乙醛的缩合可能形成葫芦巴内酯，且抗坏血酸可作为2-酮丁酸的前体，但葫芦巴内酯形成途径可能不唯一[105]，图4提供了葫芦巴内酯一种可能的形成及降解途径。此外，葫芦巴内酯的形成与残糖含量[104]和抗坏血酸含量有着极大的联系[52]：葫芦巴内酯与糖衍生物糠醛、5-甲基糠醛、5-羟甲基糠醛和5-乙氧基甲基糠醛之间存在很强的相关性，故推测葫芦巴内酯可能来自糖等成分[104]；而在含有乙醇的酸性介质中抗坏血酸的氧化降解可以形成葫芦巴内酯[52]。

影响内酯类化合物在酒中生成的因素主要有：①时间：白兰地中橡木内酯总量从储存半年后的0.57 mg/L增加到5年后的6.00 mg/L；在威士忌的三年陈化过程中橡木内酯的含量也呈现同样的变化趋势[17]。马德拉葡萄酒中葫芦巴内酯的浓度随时间增加，从6年的100.00 µg/L增加到25年的1000.00 µg/L，达最高含量[104]。②温度：高温烘烤会导致橡木内酯挥发或热降解，且加热剧烈程度影响顺式、反式橡木内酯的比例：在未加热的橡木中，反式橡木内酯占主导地位，随着加热程度的增强，顺式的比例增加[16]。温度对黄酒陈酿过程中葫芦巴内酯的形成起决定性作用，其含量随着温度的升高而增加[55]。③其他：温和的加速老化会导致其他能够产生葫芦巴内酯的机制[52]；葫芦巴内酯也可以通过美拉德反应生成[106]。

3.3 水果

果实中内酯类化合物的形成途径主要有两条：①饱和脂肪酸通过β-氧化和酰基辅酶A氧化酶（acyl-CoA oxidase，ACX）的催化生成内酯类物质；②亚麻酸和亚油酸在细胞色素P450和其他羟化酶、环化酶的作用下生成羟基脂肪酸，最终形成内酯[107]（图5）。Engel等[107]研究菠萝香气成分δ-辛内酯的生物合成，发现至少有三个代谢途径：含氧酸的还原，不饱和脂肪酸的水合作用及3-羟基酸的延伸作用[73]。一些学者认为，二氢猕猴桃内酯是通过加热β-胡萝卜素，或依次通过β-胡萝卜素的光氧化，β-紫罗兰酮的光氧化与β-紫罗兰酮一起出现。但Guichard等[27]通过实验发现当提取过程中不涉及加热或光照射时，依然具有较高含量的二氢猕猴桃内酯，且除Rouge du Roussillon品种外的五种杏中，未同时检测到二氢猕猴桃内酯和β-紫罗兰酮。因此，二氢猕猴桃内酯的形成机制尚存争议。

影响水果中内酯类化合物生成的因素主要包括：①采前因素：如光照、水分、肥料等。不同套袋处理的果实中γ-癸内酯和δ-癸内酯含量有显著差异。贾慧娟等[90]发现用80.00 mg/L氮肥处理的果实中γ-己内酯、γ-辛内酯、γ-癸内酯高于其它果实。②果实大小及成熟度：Jia等[110]对4个品种桃果实按果实大小分类，发现小桃果实中γ-癸内酯的浓度明显高于其在大桃果实中的浓度。桃果实芳香物质中，癸内酯含量变化受成熟度影响最大。在桃成熟后期，γ-癸内酯和δ-癸内酯含量迅速增加，在成熟时达到最高量[111]。乙烯参与了桃果实内酯类物质的生成，乙烯自催化作用的增加，可能对桃果实挥发性物质形成具有极其重要的作用[24,74]。③采后处理：芒果鲜样的内酯化合物含量极低，浓度仅为ppb级别[78,112]。刘璇等[112]发现芒果经热风干燥，微波真空干燥，真空冷冻干燥，变温压差膨化干燥后，香气物质中γ-丁内酯的含量显著升高。

4 结论和展望

4.1 内酯类化合物种类繁多，对乳及乳制品、酒、水果的特征风味有重要影响，赋予食品奶香味、坚果味、水果味等优良的风味品质。本文综述了γ-内酯、δ-内酯、葫芦巴内酯、威士忌内酯等食品中常见的内酯类化合物的风味特征，食品中内酯类化合物的组成及其香气贡献，总结了具有风味贡献的内酯类化合物在乳及乳制品、酒、水果中的形成机制及其影响因素，发现温度、时间、环化酶、羟化酶对内酯类化合物的形成有重要影响，对于全面认知内酯类化合物，促进食品中内酯类物质的富集提供一定的理论支撑。

4.2 虽然国内外目前对内酯类化合物的香气贡献、形成机制、影响因素有了一定的研究，但仍然存在许多问题有待解决。例如：在乳及乳制品、酒、水果中同种内酯的形成机制是否完全相同，在参与内酯形成的多条途径中，哪一条是主要途径，哪一步是限速步骤尚不清晰；且食品体系是一个复杂的生物化学体系，涉及较多动态的变化，这些生物化学反应发生时引起内酯形成过程中哪些反应物或产物浓度的变化，变化有何规律，哪些关键酶被激活或抑制，相关的机理仍缺乏系统的研究和认识；一些环境因素如：加热、微波、氧气等会使食品中内酯类化合物的含量增加，但尚未进行全面的研究。随着精密仪器与技术的创新突破，研究手段与方法的不断完善，对食品中内酯类物质的相关研究也将逐渐深入。未来期望能够对内酯的形成机理以及合成调控进行更深入透彻的研究，这有助于改善食品风味，提高食品品质，推动食品工业的发展。