噻唑类食品香料的研究进展

梁 森， 房子林， 李 培， 田红玉， 孙宝国

(北京工商大学 轻工科学技术学院/北京市食品风味化学重点实验室， 北京 100048)

食品香料作为一类非常重要的食品添加剂，对食品风味起着举足轻重的作用。在食品香料中，含硫香料占有非常重要的地位，由于其香气阈值低、特征性强，被广泛用于食用香精尤其是肉味香精的调配，对提高香精的质量和档次具有重要作用。近些年，含硫香料的发展速度非常快，在已经通过美国食用香料与萃取物制造者协会(Flavor and Extract Manufacturers Association，FEMA)安全评价的2 980种食品香料中就有400多种含硫香料[1]。

含硫香料根据结构的不同主要分为：硫醇类、硫醚类、硫酯类、缩硫醛(酮)类、噻唑类等杂环类。其中，噻唑类香料是一类重要的含硫杂环类香料，由于其香气浓郁、特征性强，一直备受调香师的喜爱。噻唑类香料通常具有青香、坚果香、烤肉香、蔬菜香、爆米花等香气特征，可广泛用于食品香精、烟用香精及调味品中[2]。

由于噻唑类化合物具有独特的香气特性，有关其天然存在、香气特性、合成、应用等方面的研究非常活跃。因此，本研究重点对经过FEMA安全评价的39种噻唑类香料的允许使用情况、香气特征、天然存在情况，食品中噻唑类化合物的可能形成途径以及人工合成方法进行介绍，以期为噻唑类香料化合物的分析、合成、应用等研究提供参考。

1 噻唑类食用香料的允许使用情况、香气特征及天然存在情况

噻唑又称1,3-硫氮杂茂，是一类含有硫、氮原子的具有芳香性的五元杂环化合物。噻唑啉又称二氢噻唑，有4,5-二氢噻唑(2-噻唑啉)、2,5-二氢噻唑(3-噻唑啉)和2,3-二氢噻唑(4-噻唑啉)3种异构体，香料中常见的是2-噻唑啉和3-噻唑啉(图1)。

图1 噻唑类化合物的结构特点

1967年，Stoll 等[3]在可可提取物中分离出具有强烈坚果样气味的4-甲基-5-乙烯基噻唑，自此以后人们才意识到该类化合物在食品中的存在及作为香料的重要性，有关其香气特性的研究也受到了越多越多的重视[4]。例如，在高影响力香料风味轮[5](图2)的20种关键风味中，作为青香型最具代表性的化合物——2-异丁基噻唑具有典型的新鲜青香、番茄叶香气，其对番茄的风味具有重要影响[6]。

灰色底纹物质是含硫香料化合物。

随着分析技术的不断发展进步，在食品及Maillard反应产物中检测到了越来越多的噻唑类化合物。目前经过美国食用香料与萃取物制造者协会批准允许使用的噻唑类香料有39种，GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》中允许使用的食品用合成香料名单中有29种噻唑类香料，这些香料的香气特征与天然存在情况见表1[7-40]。

表1 FEMA允许使用的噻唑类香料香气特征和天然存在情况

续表1

续表1

统计的FEMA批准允许使用的噻唑类香料时间截至2022年5月，“—”表示未被GB 2760—2014批准或无文献报道其香气、天然存在情况。

2 食品中噻唑类化合物的可能形成途径

2.1 含硫化合物热降解产生

在食品加工过程中，氨基酸在较高温度下会经过脱氨、脱羧等发生热降解反应，特别是含硫氨基酸(如胱氨酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等)加热反应会形成噻唑及其衍生物[41-43](图3)。

图3 胱氨酸受热降解产生噻唑类衍生物的可能途径

此外，研究表明硫胺素加热时也可以分解成多种含硫和含氮挥发性香味物质，已经鉴定的硫胺素分解产物有68种，其噻唑类降解产物主要有4-甲基-5-(β-羟基乙基)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](图4)。

图4 硫胺素受热降解产生的噻唑类化合物

2.2 美拉德反应产生

美拉德反应广泛存在于食品贮藏和加工过程中，指羰基化合物(醛、酮、还原糖以及具有类似结构的化合物)和氨基化合物(胺、氨基酸、肽、蛋白质等含氨基的化合物)在特定的温度下发生的一系列复杂反应，是食品风味形成的重要途径之一。含硫氨基酸参与Maillard反应，会产生噻唑等许多含硫化合物，对于食品风味起到非常重要的作用。

2.2.1L-半胱氨酸与还原性糖降解产物的美拉德反应

L-半胱氨酸与还原性糖的降解产物(乙二醛、丙酮醛、丁二酮等)发生美拉德反应，可以产生噻唑类化合物。1973年，Milders等[46]利用L-半胱氨酸和核糖模型体系反应，证实了噻唑类化合物的产生，并提出了2-位酰基噻唑的可能的生成途径(图5)。首先，L-半胱氨酸中的氨基与核糖降解产生的α-酮羰基醛的醛基发生亲核加成、脱水生成亚胺，再经脱羧、异构化、环化、氧化脱氢生成2-位酰基噻唑。

图5 L-半胱氨酸与核糖模型体系反应生成噻唑类化合物

2.2.2L-半胱氨酸降解产物半胱胺与还原性糖降解产物的美拉德反应

L-半胱氨酸受热脱羧产生的半胱胺也可以与还原性糖的降解产物发生美拉德反应，产生噻唑类化合物。1978年，Sakaguchi等[47]报道了利用半胱胺和葡萄糖降解产物(甲醛、乙醛、丙醛、乙二醛、丙酮醛等)经醛氨缩合、环化、氧化脱氢制备噻唑类化合物，实验结果表明噻唑类化合物C-4、C-5来源于半胱胺，C-2来源于葡萄糖降解产物(图6)。2003年，Cerny等[48]利用半胱胺和核糖模型体系实验发现，噻唑类化合物仅有C-2来源于核糖，C-4、C-5来源于半胱胺。

图6 半胱胺与醛反应生成噻唑类化合物

2009年，笔者课题组[49]发现在L-半胱氨酸与葡萄糖组成的Maillard反应体系中加入脂肪醛后，检测到了2-烷基噻唑烷烃。推测其形成的机理是L-半胱氨酸在反应中脱羧生成半胱胺的氨基与脂肪醛的羰基发生亲核加成反应，得到的中间体脱水关环形成2-烷基噻唑烷类化合物。

2.2.3L-半胱氨酸分解形成的醛、硫化氢和氨与α-二羰基类化合物的美拉德反应

1976年，Takken等[50]利用α-二羰基类化合物、醛、硫化氢和氨为模型体系反应得到了不同取代基取代的噻唑啉和噻唑类化合物。首先，α-二羰基类化合物和硫化氢反应生成2-羟基-2-巯基羰基类化合物，与醛和氨反应生成的亚胺，依次经过亲核加成、环化、脱水等形成不同取代基取代的噻唑啉和噻唑类化合物，可能的反应路径见图7。

图7 α-二羰基类化合物与氨、硫化氢和醛反应 生成噻唑类化合物

研究发现α-二羰基类化合物可以由还原糖降解得到。1997年，Tai等[51]以L-半胱氨酸和葡萄糖为模型体系反应得到了2-甲基噻唑、2,5-二甲基噻唑和2,4,5-三甲基噻唑。推测该反应体系下噻唑类化合物的形成途径是由还原糖降解产生的α-二羰基类化合物与L-半胱氨酸分解形成的醛、硫化氢和氨反应产生。2009年，笔者课题组[52]利用L-半胱氨酸与葡萄糖反应，检测到噻唑、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-乙酰基噻唑共7种噻唑类化合物，其中2-乙酰基噻唑的含量最大。

3 噻唑类化合物典型的化学合成方法及其反应机理

3.1 传统化学合成方法

噻唑类化合物具有广泛的生物活性，在医药、农药、材料、香料等诸多领域具有广阔的应用前景，对其合成方法已有大量文献报道[53-54]，经典合成路线主要包括以下几种。

3.1.1以α-卤代羰基化合物和硫代酰胺为原料的方法

1887年，Hantzsch[55-56]就提出利用α-卤代醛酮与硫代酰胺、硫脲等反应合成噻唑类化合物(图8)。该方法作为合成2-取代噻唑类化合物的有效方法之一，被命名为Hantzsch法。该反应涉及亲核取代、亲核加成、环化脱水等步骤制备噻唑类化合物。

图8 Hantzsch噻唑合成法

此外，文献还报道了一系列利用该方法制备噻唑类化合物的改进方法，这些研究多数在寻找合适的催化剂，文献报道的催化剂有I2[57]、 Br2[58]、 NBS[59]、 NIS[60]、 PhI(OH)OTs[61]、 HBr/H2O2[62]、 HBr/DMSO[63]、HI/DMSO[63]等(图8)。

3.1.2以α-酰胺基酮和五硫化二磷为原料的方法

α-酰胺基酮、酯等在五硫化二磷作用下，可生成噻唑类化合物，该方法叫作Robinson-Gabriel噻唑合成法。该反应涉及硫化、环化、脱水等步骤制备噻唑类化合物(图9)[64]。

图9 Robinson-Gabriel噻唑合成法

3.1.3以α-氨基氰化合物和二硫化碳为原料的方法

α-氨基氰化合物与二硫化碳、氧硫化碳等反应可生成5-氨基噻唑的，该方法叫作Cook-Heilbron噻唑合成法[65]。该反应涉及加成、环化、异构化等历程，是一种合成噻唑及其衍生物的经典合成方法(图10)。

图10 Cook-Heilbron噻唑合成法

3.1.4以α-卤代羰基化合物、硫代羧酸(盐)和乙酸铵为原料的方法

α-卤代羰基化合物和硫代羧酸反应生成α-酰硫基酮，其与NH3反应经过烯胺中间体环化、脱水生成噻唑，是一种高效的 “一锅法”制备二、三取代噻唑的方法(图11)[66-67]。

图11 α-卤代羰基化合物、硫代羧酸(盐)和 氨生成噻唑类化合物

在这些噻唑类化合物的合成方法中，Hantzsch法简单、有效，能引入众多基团，目前使用最广。但它们都或多或少存在一些不足，如使用有毒溶剂、需要昂贵催化剂、耗能大、产率低、反应条件苛刻、后处理困难等，限制了许多噻唑类香料化合物的生产及应用。因此，开发绿色环保节能减排新工艺，来突破合成香料行业中存在的传统生产工艺落后、环境污染严重等瓶颈问题是未来的工作重点。

3.2 光化学合成方法

光化学合成作为一种新的绿色合成方法，为有机合成化学提供了新途径、新方法和新技术，在天然产物、医药、香料等精细化学品的合成中具有特别重要的意义。2018年，Roslan等[68]利用光化学合成方法，使用四碘荧光素作为光催化剂，诱导硫脲原位产生硫自由基，与1,3-二羰基化合物发生偶联反应来合成氨基噻唑衍生物(图12)。与传统合成方法相比，该光化学合成方法具有广阔的开发应用前景。

图12 光化学合成噻唑类化合物

3.3 电化学合成方法

电化学合成以电子为试剂，通过电子的得失实现物质的氧化还原，从工艺本身消除了污染的形成，是名副其实的“绿色可持续化学”。近期，笔者课题组采用电化学合成方法，开发了碘负离子为电催化剂的电解体系，建立了一种噻唑类化合物的电化学合成方法(图13)[69-70]。该方法为噻唑类化合物的合成提供了新的思路和方向。

图13 电化学合成噻唑类化合物

4 展 望

随着现代分析技术的快速发展，越来越多天然存在的噻唑类化合物得以鉴定，其对食品特征香味的贡献也将进一步得到认识和发掘。尽管如此，噻唑类食品香料仍存在一些问题，新品种开发与创新不足，缺乏优势特色品种；传统生产工艺流程复杂、环境污染严重，限制了许多香料的生产及应用。因此，加快研究噻唑类香料分子结构与香气特性之间的关系，探索该类香料化合物的呈香规律，开展高品质噻唑类香料新品种的开发与应用研究，特别是高影响力、附加值高的香料新品种，是未来研究的重点。相较于噻唑类化合物传统的化学合成方法，光化学合成、电化学合成等绿色制备技术更符合绿色化学的原则，加快开展此类绿色制备技术的生产应用研究，突破实验室规模研究，开发出高质量、低能耗、环境友好的绿色工艺，是未来合成香料行业研究趋势。通过对噻唑类香料化合物的合成与应用进行深入研究，其在食品香精中的应用中也会发挥更加重要的作用，必将促进食品及相关行业的发展。