調(diào)香筆記(5)——硫化物在蔬菜和蘑菇香氣中的作用

3.蔬菜中含硫揮發(fā)物(VSCs)的生物合成

蔬菜中VSCs的形成在蔥屬蔬菜中得到了廣泛的研究。第二組具有重要和豐富的VSCs的蔬菜是十字花科。這兩類蔬菜占主導(dǎo)地位，但S-甲基蛋氨酸衍生化合物是在蘆筍和其他蔬菜中形成的。蔥屬植物約有700種，其中大蒜(Allium sativum)和洋蔥(Allium cepa)是最重要的蔬菜，主要因其獨特的味道而受到贊賞。

洋蔥風(fēng)味的形成包括：(i)酶介導(dǎo)的非揮發(fā)性前體的降解;(ii)初級風(fēng)味化合物的二次反應(yīng);(iii)前體的熱降解。半胱氨酸作為一種含硫氨基酸，與谷氨酰胺一起在蔥類蔬菜風(fēng)味化合物的形成中起著至關(guān)重要的作用，(+)-S - 烷烴(烯烴)基半胱氨酸亞基(CSOs)及其γ-谷氨?；?γGPs)是主要的非揮發(fā)性、無臭的前體[46]。關(guān)于風(fēng)味化合物及其前體生物合成的詳細(xì)綜述論文已經(jīng)發(fā)表[46-48]。

大蒜、洋蔥和其他蔥屬植物含有干重為1-5%的非蛋白含硫氨基酸(SAA)次生代謝物。細(xì)胞的破壞導(dǎo)致液泡中蒜氨酸酶(C-S裂解酶)的釋放，并與位于細(xì)胞質(zhì)[49]中的S-烷(烯)基-L-半胱氨酸S -氧化物(揮發(fā)性化合物前體)發(fā)生反應(yīng)。四種亞砜存在于蔥屬植物中：S-2-丙烯- L-半胱氨酸亞砜(大蒜素, ACSO)， S-(E)-1-丙烯-L-半胱氨酸亞砜(異蒜素，1-PeCSO)， S-甲基-L半胱氨酸亞砜(methiin，MCSO，也存在于蕓苔屬蔬菜中)，S-丙基-L-半胱氨酸亞砜(propiin，PCSO)。不同數(shù)量的這些前體[47]導(dǎo)致了蔥內(nèi)風(fēng)味的差異。根據(jù)Block的總結(jié)，用標(biāo)記的35SO42-飼喂洋蔥植株的實驗，含硫的有機(jī)酸鹽在葉綠體中被還原并同化為半胱氨酸。然后谷氨酸摻入生成γ-谷氨酰胺半胱氨酸，γ-谷氨酰胺半胱氨酸與甲基丙烯酸(纈氨酸)反應(yīng)生成γ-谷氨酰胺-S-2-羧基丙基半胱氨酸，γ-谷氨酰胺-S-1-丙烯半胱氨酸可依次脫羧生成γ-谷氨酰胺-S-1-丙烯半胱氨酸，隨后氧化生成γ-谷氨酰胺-S-1-丙烯半胱氨酸-S-氧化物，并被γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶[EC 2.3.2.1]裂解為S-(E)-1-丙烯半胱氨酸S-氧化物[47]。

參與形成蔥揮發(fā)物——蒜氨酸酶[EC 4.4.1.4]——的主要酶是α、β消除裂解酶，催化上述S -氧化物分解為丙酮酸銨和蒜素及其相似物。亞磺酸是一種高度不穩(wěn)定的化合物，是洋蔥化學(xué)中酶催化形成的關(guān)鍵中間體。圖4總結(jié)了磺胺酸酶生成的初始階段。

圖4    酶促反應(yīng)形成蔥味化合物的初始階段?；赱47-49,51]。

假設(shè)大蒜和洋蔥的風(fēng)味成分主要包括S -烯丙基半胱氨酸亞砜(蒜素)；S-烯丙基-半胱氨酸；二烯丙基-、甲基烯丙基-和二丙基單硫化物、二硫化物、三硫化物和四硫化物的硫化物，都是由含硫前體——主要是S-烯基半胱氨酸亞砜(ACSO)通過酶介導(dǎo)的降解過程[48]產(chǎn)生的。大蒜素(C6H10OS2)是大蒜風(fēng)味的關(guān)鍵分子，負(fù)責(zé)新鮮切開或碾碎大蒜的典型氣味和味道。它占大蒜瓣[50]破碎過程中存在/形成的硫代亞磺酸化合物總量的70% (w/w)。大蒜素非常不穩(wěn)定，很容易轉(zhuǎn)化為二烯丙基硫化物(DAS)、二烯丙基二硫化物(DADS)、二烯丙基三硫化物(DATS)和二烯丙基四硫化物(DATTS)。

由于蔥的初級風(fēng)味化合物的不穩(wěn)定性，它們可以分解或縮合成次級風(fēng)味化合物一這些是從烷基硫代亞磺酸鹽中衍生出來的。大蒜素是最好的例子，其對pH值(>11)、溶劑和溫度敏感。當(dāng)溫度超過50℃時，它會迅速分解為各種硫化物(主要是二烯丙基二硫化物DADS)。有學(xué)者研究了在不同水分和溫度的模型體系中加熱S-甲基-L-半胱氨酸和S-甲基-L-半胱氨酸亞砜，導(dǎo)致這些前驅(qū)體[53]揮發(fā)性分解產(chǎn)物的形成，有助于熱加工的蕓苔屬和蔥屬蔬菜的風(fēng)味形成。這些風(fēng)味的主要揮發(fā)性成分為二甲基硫化物。S-甲基半胱氨酸亞砜(MCSO)降解產(chǎn)物中還檢出了三硫二甲基、硫代亞磺酸二甲基、硫代磺化二甲基。二甲基三硫化物被認(rèn)為是一種過熟蔬菜的不良風(fēng)味。Li和同事收集了大蒜和洋蔥中風(fēng)味前體的熱降解數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)， S-甲基-L半胱氨酸亞砜(MCSO)的主要降解產(chǎn)物是二甲基二硫化物，其次是二甲基三硫化物(120-160℃加熱后)；S-丙基-L-半胱氨酸亞砜(PCSO)的主要降解產(chǎn)物為異丙基二硫化物和二丙基三硫化物和丙基硫醇；和S-2-丙烯- L-半胱氨酸亞砜(ACSO)的主要降解產(chǎn)物為二烯丙基硫化物(單，二，三，四)，甲基硫化物，2-乙酰噻唑，和其他環(huán)狀化合物(2,5-二甲基-1,4-二噻烷，2-甲基-1,4-二噻烷和其他)[48]。

如前所述，在蕓苔屬植物中形成的含硫揮發(fā)性化合物主要來自于其前體——硫代葡萄糖苷的水解和降解。在[5]中討論了作為硫代葡萄糖苷降解產(chǎn)物的含硫揮發(fā)性化合物VSCs形成的詳細(xì)途徑。

硫代葡萄糖苷的苷元分解與反應(yīng)條件密切相關(guān)。當(dāng)反應(yīng)環(huán)境為中性或微酸性(pH值為5 ~ 7)時，有利于植物組織中異硫氰酸酯(ITCs)的形成。ITCs分子由一個異硫氰酸酯基團(tuán)(-N=C=S)上連接一個側(cè)鏈(-R)，可以用一般公式R-N=C=S表示(圖5)。

圖5  蕓苔屬蔬菜中硫代葡萄糖苷(GLSs)水解后主要揮發(fā)性化合物基團(tuán)的形成ESP-上皮硫特異蛋白質(zhì);ESM-上皮硫修飾蛋白質(zhì);NSP-腈類特異蛋白質(zhì);TFP-硫腈酸鹽合成蛋白質(zhì);R-側(cè)鏈[6,54]。

有學(xué)者提出了在(+)-S - 烷烴(烯烴)基半胱氨酸亞基(CSO)裂解酶作用下，硫代亞磺酸鹽和硫代磺酸鹽與硫化氫反應(yīng)而在搗爛的白菜組織中產(chǎn)生甲硫醇和二甲基三硫化物的觀點，而二甲基硫化物則是由甲硫代亞磺酸甲酯[51]的化學(xué)歧化反應(yīng)產(chǎn)生的。二甲基二硫通常被檢測為新鮮搗爛的卷心菜組織頂空的主要揮發(fā)性含硫化合物，被認(rèn)為是C-S裂解酶水解S-甲基-L-半胱氨酸亞砜(MCSO)的副產(chǎn)物，主要反應(yīng)產(chǎn)物是甲烷磺酸，它脫水生成更穩(wěn)定的甲基甲硫代亞磺酸甲酯，與二甲基二硫不成比例。可提出的替代機(jī)制涉及在有空氣存在的條件下甲烷硫醇氧化為二甲基二硫。二甲基三硫化物的形成是通過S-甲基-L-半胱氨酸亞砜裂解酶與單質(zhì)硫反應(yīng)得到的二甲基二硫化物或甲磺酸與硫化氫[51]反應(yīng)形成的。

Challenger and Hayward(1954)在蘆筍中發(fā)現(xiàn)了S-甲基甲硫氨酸，并證明它在食物儲存/熱處理過程中分解為二甲基硫化物，成為煮蘆筍、加工番茄、玉米和啤酒風(fēng)味的一部分(圖6)。S-甲基甲硫氨酸在番茄、卷心菜、球莖甘藍(lán)、甜菜根、芹菜和韭菜[55]中被發(fā)現(xiàn)的含量為2.8-176毫克/公斤。

圖6  S-甲基甲硫氨酸的熱降解

20世紀(jì)70年代，人們在蘆筍中鑒定出含硫有機(jī)酸，并將其作為芳香化合物的前體[56,57]。它們是1,2-二硫戊環(huán)-4-羧酸(蘆筍酸)，3,3-二巰基異丁酸(二氫蘆筍酸)和S-乙酰二氫蘆筍酸。研究發(fā)現(xiàn)，蘆筍中硫化物是在完整的植物細(xì)胞中形成的，這在硫化物的形成中是一個例外，硫化物通常是通過酶催化反應(yīng)形成的。在蘆筍中，檢測到13種含硫有機(jī)酸(其中以蘆筍酸為主)和3種酯(1,2-二硫戊環(huán)-4-羧酸甲酯為主)。在完成[U-14C]之后，標(biāo)記實驗假設(shè)纈氨酸作為起始分子，通過相應(yīng)的含氧酸、異丁酸和甲基丙烯酸轉(zhuǎn)化為3-巰基異丁酸、3-甲基硫代異丁酸，以及較小程度的蘆筍酸[56]。在烹飪過程中，蘆筍產(chǎn)生的化合物屬于不同的化學(xué)類別:硫化合物(17)，吡咯，吡啶，吡嗪，呋喃(25)，醛(12)，酮(15)，醇(26)，酚(11)，內(nèi)酯(5)，酸(10)，二甲基硫化物和1,2-二硫戊環(huán)-4-羧酸甲酯(分別為3000 ppb和7000 ppb)。

蔬菜中的硫化物是由蛋氨酸或半胱氨酸分離或轉(zhuǎn)化其他含硫底物形成的，例如異硫氰酸酯重排反應(yīng)[58]。例如，屬于石蒜科家族的蔬菜在貯藏葉肉細(xì)胞的胞漿中含有S-烷(烯)基-L-半胱氨酸亞基，而蒜氨酸酶則被隔離在維管束鞘細(xì)胞的液泡中。硫化物的形成機(jī)制與硫代葡萄糖苷-黑芥子酶系統(tǒng)的形成機(jī)制相似。需要破壞組織才能讓酶接觸底物，然后產(chǎn)生一系列不穩(wěn)定的產(chǎn)物。磺胺酸被轉(zhuǎn)化為硫代亞磺酸鹽，最后轉(zhuǎn)化為硫化物的復(fù)雜混合物，其中單硫化物、二硫化物和多硫化物占主要地位。一些研究表明，硫化物的形成與工業(yè)過程所需的高溫加熱(例如在制備番茄醬或烹飪卷心菜[27]時)之間存在密切關(guān)系。工業(yè)過程影響的延伸將在以下各段中討論。

在組織破壞后，蒜氨酸酶與S-2-丙烯- L-半胱氨酸亞砜(ASCOs)反應(yīng)并裂解其C-S鍵，獲得次磺酸、丙酮酸和氨。眾所周知不穩(wěn)定的次磺酸根據(jù)非酶途徑(自縮合反應(yīng)產(chǎn)生硫代亞磺酸鹽)和酶機(jī)制(例如1-丙烯基亞磺酸催淚因子合成酶(LFS)導(dǎo)致丙硫醛-S-氧化物，最后在水的存在下形成丙醛)進(jìn)行額外的化學(xué)反應(yīng)。簡而言之，一系列有助于產(chǎn)生香氣(氣味感覺、口感)和蔥屬植物生物活性的含硫有機(jī)化合物是在沒有催化次磺酸轉(zhuǎn)化的酶的情況下，從次磺酸中自發(fā)獲得的[59,61]。圖7顯示了(+)-S - 烷烴(烯烴)基半胱氨酸亞基(CSOs)中硫化物的形成過程，顯示了向催淚因子(在洋蔥中，即丙硫醛-S-氧化物)的反應(yīng)途徑，以及導(dǎo)致多硫化物和硫代磺酸鹽的簡化路徑。

圖7    半胱氨酸亞砜(CSOs)在組織破壞后的轉(zhuǎn)化。LFS-催淚因子合成酶[61]。

4. 揮發(fā)性硫化合物的主要基團(tuán)

4.1.異硫氰酸酯(ITCs)

近年來，人們對ITCs的認(rèn)識有了顯著提高。由于對人類健康和研究的興趣日益增長，有可能了解這些化合物的許多有利的性質(zhì)。大多數(shù)關(guān)于ITCs性質(zhì)的研究都關(guān)注于其化學(xué)預(yù)防和化療作用[62]。此外，其作為抗菌成分也已被證實，可用于農(nóng)業(yè)植物保護(hù)和食品保存[63]。其抗炎作用也已經(jīng)分別進(jìn)行了研究，例如烯丙基ITC[64]和芐基ITC[65]。

雖然硫代葡萄糖是不揮發(fā)和無味的前體；對于其水解產(chǎn)物ITCs[66]，蕓苔屬蔬菜的刺激性風(fēng)味與ITCs的存在有關(guān)[67]。ITCs有多種獨特的香氣。化學(xué)結(jié)構(gòu)與氣味閾值之間存在一定的關(guān)系。隨著脂肪族分子中碳原子數(shù)量的增加，氣味閾值降低，但乙基ITC的氣味閾值高于甲基ITC。ITCs的化學(xué)結(jié)構(gòu)(如脂肪族飽和基團(tuán)或不飽和基團(tuán)、芳香、分枝、環(huán)和雜)不僅決定了氣味閾值，也決定了氣味質(zhì)量。ITCs描述的不明顯的氣味有甜的、水果的、花的、草藥的、蘑菇的，甚至還有魚味的。在所有記錄的氣味描述詞中，ITCs最常見的是硫、大蒜和刺激性氣味[68](圖8)。然而，對ITCs氣味的感官評估仍然有限，并沒有很多研究允許我們比較氣味質(zhì)量和閾值。

圖8  蔬菜中最常見的氣味描述物是異硫氰酸酯(綠色)[68]、腈和環(huán)硫腈(藍(lán)色)[26,61-64]

關(guān)于ITC味覺特性的數(shù)據(jù)通常非常有限，如果有的話。它們天然存在于復(fù)雜的食物基質(zhì)中，通常數(shù)量很多。ITC結(jié)合了它們的香氣和味覺的雙模態(tài)感知活動的文獻(xiàn)不多，使得關(guān)于它們在滋味形成中作用的許多問題沒有得到解答。硫代葡萄糖苷GLSs和異硫氰酸酯ITCs的定量測定和統(tǒng)計分析表明，只有部分化合物與苦味[41]之間存在相關(guān)性。

4.2.腈、環(huán)硫腈

腈類和環(huán)硫腈類是通過不穩(wěn)定苷元在特定輔助因子(如腈類特異蛋白(NSP)、上皮硫特異蛋白(ESP)或特定環(huán)境條件下的重排而產(chǎn)生的[69,70]。腈類和環(huán)硫腈類的存在與十字花科作物的食用部位和生長階段顯著相關(guān)。異硫氰酸酯(ITC)是最豐富的硫代葡萄糖苷(GLS)水解產(chǎn)生的，如白球甘藍(lán)、薩沃伊卷心菜或球芽甘藍(lán)可食用部分的葉子，而腈類和環(huán)硫腈類主要在甘藍(lán)的芽和種子中大量存在[71]。

白球甘藍(lán)

薩沃伊卷心菜

球芽甘藍(lán)

盡管在科學(xué)報告中，職業(yè)接觸腈通常與許多危害健康的疾病(如心血管、胃腸道、肝臟、神經(jīng)和腎臟)有關(guān)[72]，但食源性腈也顯示出潛在的細(xì)胞毒性和基因毒性[73]。蕓苔屬植物中腈的存在可能與促進(jìn)健康的作用有關(guān)[74]。與ITC及其生物活性相比，人們對腈的了解相對較少。由于與ITC相比，腈的促進(jìn)健康的活性降低，因此采用了一些策略來選擇特定的蔬菜品種。它們的特征要么是降低ESP的活性，要么是提高原生酶芥子酶的活性[70]。

目前已知芥子油苷水解反應(yīng)存在于十字花科植物及其昆蟲食草動物中。在完整的植物中，芥子苷和芥子酶是分開儲存的。當(dāng)組織受損時，這兩種成分發(fā)生接觸，黑芥子酶將硫代葡萄糖苷水解為葡萄糖和不穩(wěn)定的葡聚糖，后者自發(fā)重新排列形成ITCs和/或腈。在植物上皮硫特異蛋白(ESP)存在的情況下，側(cè)鏈末端有一個雙鍵的硫代葡萄糖苷被水解為環(huán)硫腈類，其他硫代葡萄糖苷被水解為簡單腈。在植物硝酸酯指示蛋白(NSP)的存在下也主要形成腈類，而硫氰酸酯則由某些硫氰酸酯形成硫氰酸酯，硫氰酸酯形成硫氰酸酯蛋白(TFP)的存在下，以含硫氰酸酯植物為食的鱗翅目幼蟲具有特殊的生化適應(yīng)能力。小菜蛾和小恙蟲幼蟲通過硫代葡萄糖苷硫酸酯酶(GSS)對硫代葡萄糖苷進(jìn)行脫硫，使其不再被黑芥子酶作為底物。菜青蟲幼蟲的NSP將水解重定向為簡單腈。

與相應(yīng)的醛相比，腈作為揮發(fā)性化合物具有與相應(yīng)醛相似的氣味[75]。蔬菜中發(fā)現(xiàn)的腈和環(huán)硫腈具有不同的香味，從令人愉悅的草味、草藥味、肉湯味到令人難以接受的氣味，如刺鼻的、硫磺味或汗味。圖8總結(jié)了蔬菜中發(fā)現(xiàn)的腈和環(huán)硫腈最常見的描述符。

考慮到腈類化合物的味道是未知的，學(xué)者們還不能確定腈類衍生物如何影響主要蔬菜的味道，如果有的話。目前，我們還沒有數(shù)據(jù)表明腈和環(huán)硫腈[41]的苦味達(dá)到什么程度。因此，需要進(jìn)一步的研究，特別是對這些GLS水解產(chǎn)物的感官分析和口感評價。

4.3.硫化物和聚硫化物

食物樣品中硫化物揮發(fā)物的存在通常與令人不快和不可接受的氣味有關(guān)。事實上，花椰菜排異反應(yīng)的原因是二甲基三硫和二甲基硫化物等氣味的存在[76]。高濃度的硫化物存在于十字花科和十字花科的蔬菜中[77,78]。不同種類含有豐富有機(jī)硫化物的蔬菜具有很強(qiáng)的抗氧化活性，這些重要的生物活性化合物具有抗菌和免疫活性[79]。

硫化物在食品感官特性的創(chuàng)造中起著至關(guān)重要的作用，這就是為什么許多合成硫化物通常被用作食品香料(超過80種單硫化物、二硫化物和多硫化物)和加工食品添加劑[60]。硫化物也與許多其他產(chǎn)品的異味有關(guān)，如飲用水、酒精飲料和果汁[80-83]。硫化物的感官特性彼此相似，因為這些化合物通常以刺鼻的氣味和辛辣的味道為特征[26,84,85]。

4.4.硫醇和雜硫化合物

揮發(fā)性硫醇主要與各類食品和飲料中的異味有關(guān)[86,87]。在硫代葡萄糖苷的分解產(chǎn)物中，硫醇是決定蔬菜尤其是蕓苔類蔬菜氣味的重要化合物。研究表明，在生西蘭花中，甲硫醇和1-戊硫醇是風(fēng)味稀釋因子最高的兩種芳香活性化合物。更重要的是，硫醇可以被氧化成相應(yīng)的硫化物[88]。硫醇也在綠色大頭菜中被發(fā)現(xiàn)，但不是關(guān)鍵的風(fēng)味活性化合物[89]。植物對硫醇生物合成的調(diào)控意味著植物的氧化還原狀態(tài)與植物的耐受性有關(guān)；然而，到目前為止，有關(guān)硫醇的生物化學(xué)途徑還沒有被完全解釋[90]。

有趣的是，結(jié)構(gòu)中含有硫原子的芳香活性化合物是在松露和香菇中發(fā)現(xiàn)的氣味劑，其中揮發(fā)性化合物通過酶和非酶的方式形成。香菇產(chǎn)生香氣的化合物來自脂肪酸途徑和氨基酸途徑。亞麻酸和亞油酸是脂肪酸途徑的前體。它們被脂氧合酶、過氧化氫裂解酶和醇脫氫酶——轉(zhuǎn)化為醛和醇(主要是C6、C8和C9揮發(fā)物)。含硫氨基酸的多步氧化和聚合提供了前體物質(zhì)，即香菇酸，香菇酸是在酶存在下形成雜環(huán)硫揮發(fā)物的前體物質(zhì)，特別是γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶和CSO裂解酶[91]。從香菇中獲得的硫揮發(fā)物產(chǎn)生獨特的硫香味，與1,2,4-三硫烷、1,2,4,6-四硫烷和香菇精(lenthionine)的存在有關(guān)[92]。然而，在松露中，含硫揮發(fā)物的來源是復(fù)雜的，同時也不清楚。芳香活性化合物可能來自于松露本身，也可能來自于居住在松露子實體中的微生物群。有機(jī)揮發(fā)性化合物是生物合成的，主要通過硫酸鹽還原、氨基酸和脂肪酸分解代謝途徑[93,94]。

香菇精(lenthionine)是一種環(huán)狀有機(jī)硫化合物，存在于香菇中，部分貢獻(xiàn)了香菇的味道。其形成機(jī)制尚不清楚，但可能與C-S裂解酶有關(guān)。

在許多蔬菜、香菇和松露中都發(fā)現(xiàn)了一種有趣的香味化合物，它就是甲硫基丙醛。生物合成從氨基酸甲硫氨酸開始，經(jīng)Strecker降解轉(zhuǎn)化為甲硫氨酸，其中美拉德反應(yīng)的中間體與甲硫氨酸相互作用。甲硫基丙醛(Methional)是一種結(jié)構(gòu)中含有硫原子的揮發(fā)性化合物，其特征是檢測閾值低，其氣味的屬性被定義為令人愉快，讓人聯(lián)想到煮熟的土豆。此外，甲硫基丙醛還可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硫化物和二硫化物化合物[95,96]。表S1(補(bǔ)充文件)列出了主要的芳香硫化合物及其氣味屬性，代表蔬菜和蘑菇中的不同類別。

甲硫基丙醛