Flavor & Fragrance 文獻綜述：天然香精提取，生產和研究領域的進展

消費者關注的健康和安全已驅動了許多全球的發(fā)展趨勢。這些趨勢包括了從運動休閑裝和可穿戴裝備，到即食的功能食品，香精和飲料。根據(jù)市場研究&咨詢公司Grand View Research的報告，這些趨勢沒有看到任何緩滯不前的跡象。在2015年，美國香精香料市值已達186億美元，至2025年其復合年均增長率(CAGR)為4.5%——主要歸因于健康和安全相關的應用需要。

U.S. flavors and fragrances market revenue by product, 2014-2025 (USD Million)

2014-2025年美國食用和日化香精的產品市值預測（百萬美元）[1]

具體而言，食品和飲料行業(yè)的增長主要來自于人們對即食快餐，加工食品，零食，果汁和其它飲料的需求。另外，制藥，膳食補充劑和營養(yǎng)品市場也在上升。對于所有這些產品，人們的普遍偏好是天然香精作為配料。

在日用香精方面，人們逐漸增長的可支配收入預計會催生對應用在化妝品，個人護理品，香水，肥皂和洗滌劑中的香精需求。意料之中的是，天然日用香精也會被格外受到青睞，因為它被認為會更加安全，健康和富有療效。

香料香精行業(yè)如何應對這些需求導向的驅動？簡單回顧一下文獻，可以給我們一些啟示和解決途徑，比如天然香精的提取，生產和修飾過程；鑒偽技術，甚至生物識別效能研究。以下是具體的例子。

海水溶劑

回到基礎研究，kara等人探討了海水作為提取溶劑對含油玫瑰提取精油的影響，并與蒸餾水進行了對比。他們的研究發(fā)表在國際次生代謝產物雜志(International Journal Secondary Metabolite)上。[2]

他們利用Clevenger水蒸氣蒸餾裝置比較了純水和地中海海水對清晨盛開的新鮮玫瑰花進行了蒸餾后的香氣成分。所得到的精油的成分經(jīng)由GC-FID/MS進行了鑒定。

水蒸氣蒸餾的clevenger裝置

精油得率沒有受到顯著影響，但是，利用海水蒸餾的得率(0.045%)稍高于純水的(0.042%)?？偣怖肎C-FID/MS檢測出了23種成分。在兩種玫瑰油中的主要成分是香茅醇(citronellol)，香葉醇(geraniol)，橙花醇(nerol)和十九烷(nonadecane)。有趣的是，海水提取的油中香茅醇的比例從41.49%下降到33.56%，香葉醇則從17.58%上升到27.44%，橙花醇則從6.45%上升到12.21%。作者說明這些結果需要進行更為細致地檢測，并且在工業(yè)生產的水平上還要進一步檢測。

超臨界CO2生物催化

在二氧化碳利用雜志(Journal of CO2 Utilization)發(fā)表的一篇文章描述了利用超臨界二氧化碳(SC-CO2)作為反應介質進行生物催化的過程，以提高反應轉化率。根據(jù)文章內容，由于對新鮮和天然產品需求的增長，生產天然香精的一些新的制備方法受到很高的關注。[3]

在超臨界CO2介質中吸附-反應的全路線圖以及水吸附和酶活回收工作圖

在這篇文章中，SC-CO2被用作以脂肪酶作為催化劑生物合成酯類香精的反應介質。文章顯示了一些操作優(yōu)點，例如調節(jié)包括密度，粘度和溶解度等性質的能力，調控凌杰調節(jié)等。是否使用夾帶劑(co-solvents)，催化劑的再利用，脂肪酶的性質(游離或固定化)，加壓或去壓等步驟，需要進行進一步驗證以優(yōu)化酶，底物和溶劑之間的比例。

松露油的鑒偽

Food Control上的一篇文章想弄清楚這樣一件事，即售價很高的松露風味的橄欖油里是否幾乎不含有真的松露或天然松露的風味物質。因此，該篇論文的目的是為了鑒定松露油，并開發(fā)相關的鑒偽技術。[4]

根據(jù)文章的摘要，研究者通過代謝分析和穩(wěn)定同位素比分析鑒定和比較了市售松露油和他們自己制備的松露油(既用了天然香精，也用了合成香精)，不含松露風味的油，以及白松露子實體的揮發(fā)性風味物質。

2,4-二甲硫基甲烷(2,4-dithiapentane)是從諸多的松露油中發(fā)現(xiàn)的一種特色風味物質，對它的穩(wěn)定同位素比分析，尚不能區(qū)分天然或合成的松露風味成分。另一方面，代謝分析表明被印記到油里去的松露風味物質主要是4到6種含硫揮發(fā)性物質。結果，兩種硫化物，二甲基亞砜(dimethy sulfoxide)和二甲基砜(dimethyl sulfone)只在市售松露油中檢測到，不管其標簽上說的是加有合成或天然松露香精?？偟膩碚f，這些結果表明了產品標簽上的不一致性，對油的真實性提出了一些質疑。

松露風味和非松露風味油的揮發(fā)性成分相對濃度的熱圖。濃度為3次重復的平均值。熱圖中可以看出樣品揮發(fā)性成分的相似度和差別。例如，松露風味油(市售和自制)與非松露風味油在具體的硫化物揮發(fā)性成分上的差別很大。

微生物制備天然食用或日化香精

在分子(Molecules)上的一篇文章介紹了利用非傳統(tǒng)的酵母品種(non-conventional yeast, NCY)來制備風味物質的方法。這一應用已總所周知，并催生了以食品源的NCYs作為生物催化劑來制備天然香精的一系列研究探索。[5]

例如，在本研究中，作者分別從當?shù)氐纳窖蚰汤液腿鹗砍墒炷汤抑蟹謩e分離，鑒定和評價了喜仙人掌畢赤氏酵母7.20(Pichia cactophila)和乳酸克魯維酵母(Klyuveromyces lactis)6.10NCY菌株的產香性能。它們的風味分析是通過溶劑萃取結合GC-MS來完成的，然后這些菌株被接種到以支鏈或芳香族氨基酸為唯一氮源的培養(yǎng)基上，來測試它們產氨基酸來源的風味物質的能力。結果表明兩個菌株在產2-苯乙醇(大約3g/L)和異戊醇(大約1.5g/L)方面都具有卓越的性能。

由兩株NCY分離菌——P.cactophila7.20和K.lactis 6.10產生的風味物質的分析圖。培養(yǎng)基中的風味物質首先采用二氯甲烷萃取，再通過GC-MS分析。圖中的數(shù)值為百分比，代表該物質在總物質中的相對豐度?？瞻字篕.lactis；灰色柱：P.cactophila 7.20.每個樣品分析兩次取平均值。

與之相近的一篇發(fā)表在生物化學過程(Process Biochemistry)期刊上的論文，主要考察了硬皮豆豆芽自然發(fā)酵或受乳酸桿菌(Lactobacillus plantarum)NRRL B-4496和乳酸桿菌(Lactobacillus plantarum)NCDO 1193調控發(fā)酵生物轉化的揮發(fā)性風味物質。當豆芽發(fā)酵1,2,3,4和5天，作者利用頂空固相微萃取結合GC-MS一共鑒定出了36種風味物質，包括酸，醇，醛，酯，酮和含硫風味物質。[6]

利用乳酸菌調控豆芽發(fā)酵產生的揮發(fā)性風味物質例如乙酸，丁香酚，苯甲醇，乙偶姻，2,3-丁二醇和棕櫚酸乙酯，經(jīng)感官評價發(fā)現(xiàn)這些物質對發(fā)酵樣品的感官特征具有主要貢獻。值得一提的是，這是首次在發(fā)酵的硬皮豆豆芽中檢測到丁香酚，為生產這種風味物質提供了一種生物解決方案。作者在結論中提到，硬皮豆豆芽的發(fā)酵提高了其揮發(fā)性成分的種類，這與提高具有附加功能的香精和從短鏈脂肪酸帶來的健康益處直接相關，也為融合潛在的益生效應直接相關。

[A].硬皮豆干種子(R)，浸泡種子(S)，發(fā)芽種子(G)，[B].由Lb.planatrum NRRL B4496發(fā)酵5天的硬皮豆豆芽，[C].由Lb.planatrum NCDO 1193發(fā)酵5天的硬皮豆豆芽，[D].自然發(fā)酵5天的硬皮豆豆芽的PCA主成分分析圖。D1,D2,D3,D4和D5表示每組樣品的發(fā)酵時間分別為1,2,3,4,5天。所有實驗結果均為3次重復的平均值。

神經(jīng)科學和天然精油

最后，神經(jīng)科學借助其自身證明了天然芳香物質和其他活性成分可以為健康和抗焦慮功效提供一定的證據(jù)，與消費者追求健康的動機不謀而合。例如，在最新一期的生理學和行為(Physiology & Behavior)中，作者測試了來自于杜松(Juniperus virginiana L.(東部紅雪松精油，或CWO))的精油對于小鼠焦慮行為的影響。[7]

這里，CWO的主要活性成分得以鑒定，其抗焦慮效應得以測定。GC/MS顯示其成分主要包括：(-)-β-雪松烯(28.11%)，(+)-α-雪松烯(7.81%)，(-)-羅漢柏烯(17.71%)和(+)-雪松醇(24.58%)。400-800ppm的CWO可以增強小鼠的一些行為，這說明在某些情況下，可能具有抗焦慮效應。

有趣的是，在兩個測試中，雪松醇的含量在400-1600ppm和800-1600ppm下均具有顯著的抗焦慮效應。作為對照，雪松烯實際上誘導了焦慮相關的行為。在其它實驗中，作者總結出CWO和雪松醇可能通過5羥色胺能神經(jīng)通路(5-HTnergic)與多巴胺能神經(jīng)通路(DAnergic)產生抗焦慮的效果。

Refrences

1. Grand View Research,Flavors and fragrances market analysis by product (natural,aroma),by application (flavors,fragrances),by region (North America, Europe, APAC, MEA, Central and South America),and segment forecasts,2014-2025,available at grandviewresearch.com/industry-analysis/flavors-fragrances-market (Accessed Feb 19,2018)

2. Kara,N.,Erbas,S.,Baydar,H.(2017).The effect of seawater used for hydrodistillation on essential oil yield and composition of oil-bearing rose (Rosa damascena mill.),Intl J Secondary Metabolite 4 (3-2)

3. Baiao Dias AL et al.(2018).Supercritical CO2 technology applied to the production of flavor ester compounds through lipase-catalyzed reaction: A review,J CO2 Utilization,23:159-178.

4. Wernig et al.(2018).Composition and authentication of commercial and home-made white truffle-flavored oils.Food Control,87:9-16.

5. Celinska E.,et al.(2018).Pichia cactophila and Kluyveromyces lactis are highly efficient microbial cell factories of natural amino acid-derived aroma compounds. Molecules,23(1):97.

6. Goswami,R.P.,et al.(2018).Lactobacillus plantarum and natural fermentation-mediated biotransformation of flavor and aromatic compounds in horse gram sprouts,Process Biochemistry,66:7-18.

7. Zhang K.,and Yao,L.(2018).The anxiolytic effect of Juniperus virginiana L.essential oil and determination of its active constituents,Physiology & Behavior (Jan 8,2018)https://doi.org/10.1016/j.physbeh.2018.01.004.