香精与香料(60)—桃醛

桃醛（CAS号：104-67-6），化学名称γ-十一内酯（英文名称：γ-Undecalactone），桃醛并不是一种真正意义上的醛，而是属于内酯化合物，为无色至浅黄色粘稠液体，具有强烈的桃子香气，是一种重要的内酯香料，在桂花、茉莉、栀子花、铃兰、橙花、白玫瑰、紫丁香、金合欢等香型的日用香料中均常使用，也是配制桃子、甜瓜、梅子、杏子、樱桃、桂花等食品香精的上好原料。它几乎不溶于水，溶解于乙醇和大多数普通有机溶剂，可广泛应用于日化香精和食用香精。

中文别名：桃醛、γ-十一内酯、丙位十一内酯、十一烷酸内酯、十四醛、α-庚基-γ-丁内酯

英文名称：γ-undecalactone;5-heptyldihydro-furanone; gamma- undecanolactone;4-n-heptyl-4-hydroxybutanoic acid lactone；peachaldehyde

结构式：

桃醛的结构式

外观与性状：无色至淡黄色略粘稠透明液体。具有强烈桃子似香气。

沸点：297℃

闪点：137℃

溶于乙醇(1ml溶于5mL60%乙醇)、苄醇、苯甲酸苄酯、丙二醇、碱液、大多数非挥发性油和矿物油，几不溶于甘油和水。天然品存在于桃子、杏子、桂花、大豆水解蛋白、奶油、鸡蛋果花等中。

密度：0.944g/mL at 20 °C(lit.)

沸点：164°C

闪点：>230°F

折射率：n20/D 1.451

蒸汽压：0.00271mmHg（at 25°C）

FEMA号：3091

功能：食品用合成香料

编码：S0162

色状：无色至浅黄色液体

感官特征：奶脂香和内酯气息，带有桃子、椰子样果香，以及香草、坚果香韵。γ-十一内酯有强烈的果香香气，有桃子和杏仁样香气，商业上被称为桃醛。γ-十一内酯产品中的主要杂质是：带有油脂气味的δ-己基-δ-戊内酯，以及γ-己基-γ-丁内酯。这些杂质的存在和数量多少，是影响香气质量的关键。

用途：食品用香料，可用于调制苹果、梨、桃子、杏子、西瓜、甜瓜、哈密瓜、葡萄、猕猴桃、果汁、油桃、桑葚、蓝萄、草莓、覆盆子、椰子、木瓜、芒果、热带水果、香草、奶油、奶糖、坚果、茉莉、冬青、药草、辛香等风味。

γ-十一内酯是我国《食品添加剂使用卫生标准》规定暂时允许使用的食品香料，主要用于配制樱桃、椰子、桃、杏、梅等香型食用香精。在口香糖中使用量为90mg/kg；糖果中11mg/kg,布丁类中7.5mg/kg；烘烤食品中7.1mg/kg；软饮料中4.4mg/kg；冷饮中3.0mg/kg.

JECFANO.：233

折光指数：（20℃）1.448~1.453

相对密度：（25/25℃）0.941~0.944

酸值：≤2.0

溶解度：（25℃）1mL试样可全溶于5mL60%（体积分数）乙醇中。

应用：γ-十一内酯可用于日化香精配方中，主要用以调配紫丁香、茉莉、紫罗兰等花香型香精和幻想型香精，用量在5%以内。IFRA没有限制规定。γ-十一内酯被FEMA认定为GRAS，FEMA编号3091，并经FDA批准食用，欧洲理事会将γ-十一内酯列入可用于食品中而不危害人体健康的人造食用香料表中，并给出其ADI为1.25mg/kg。γ-十一内酯可用于食用香精配方中，主要用以调配桃、杏、李子、樱桃、草莓等香精。

来源：γ-十一内酯天然存在于桃子、杏仁中

全球范围内，桃醛市场参与者包括花王株式会社、曾田香料株式会社、国际香料、奇华顿等。受技术、市场需求限制，早期我国桃醛生产规模小，且工艺技术水平落后，国内桃醛产量和质量与国际水平相比存在较大差距，近年来，随着国内香精香料市场快速发展，以及居民消费水平提升，桃醛市场需求逐渐释放，桃醛产能逐渐扩张。

现阶段，我国桃醛生产企业包括宁夏万香源生物、上海华盛香料、上海万香日化、安徽华业香料等企业，其中安徽华业香料是目前国内生产规模最大、产销量最多、系列产品配套齐全的内酯系列合成香料生产企业，根据公司年报显示，2020年华业香料营业收入约为2.06亿元，其中主要产品桃醛营收占比较高。近期，华业香料在互动平台上表示，公司募投项目一期1800吨桃醛生产线已投产，2021年已陆续投放市场。

桃醛的合成：

1、内酯的微生物生物合成:可持续生产的缺口和机遇

内酯是广泛存在于食品中的挥发性有机化合物。这些化学品被用作食品、化妆品和制药行业的香料和香料。最近，内酯作为绿色溶剂和燃料前体的潜力加强了它们作为未来生物经济平台化合物的作用。然而，它们目前的生产方式需要改变。内酯主要是通过化学合成或微生物对羟基脂肪酸进行生物转化而得到的。后一种方法是首选，但仍需要使用更可持续的基质。从环境、健康和经济角度来看，羟基脂肪酸是一种不丰富且不可持续的基质。因此，迫切需要识别和改造具有罕见能力的微生物，从碳水化合物或可再生脂类中合成内酯。在此，我们首先讨论内酯的种类和重要性。然后，利用在微生物和水果中获得的知识，介绍了目前对内酯生物合成途径的理解。从那里，我们提出和作出的区别之间的生物转化过程和从头合成内酯。最后，本文讨论了更可持续生产的机遇和挑战，以及两种著名的工业微生物——棉囊阿舒氏酵母(Ashbya gossypii)和解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica)。[1]

内酯是一种挥发性有机化合物(VOCs)，在化学上被分类为羟基酸酯，并以环来定义。环的大小决定了内酯的类型:α-(3个原子)，β-(4个原子)，γ-(5个原子)和δ-(6个原子)。γ-内酯和δ-内酯是最多样化、化学稳定性和商业价值最高的(图1)。内酯来源于脂质代谢，自然存在于水果(桃子、草莓和芒果)、蔬菜、肉类、牛奶、黄油、奶酪和葡萄酒等。它们是这些食品香气和风味的主要来源。γ-内酯多见于水果中，而δ-内酯则多见于动物产品中。这些化合物具有较低的感知阈值(例如，γ-壬内酯nonalactone 25µg/L， γ-癸内酯decalactone 0.88-1 mg/L和γ-十二内酯dodecalactone 7µg/L)和非常强烈的气味描述符，从桃状和椰子状到奶油状和花状。一般来说，气味感知阈值与内酯侧链的长度成反比。此外，一些内酯具有抗菌和抗炎特性。[1]

化学物质的香气特性与香水、化妆品和食品的制造高度相关。不同内酯环的化学性质决定了内酯作为食品添加剂和香料的最直接的商业价值。为此目的最有价值的内酯γ-癸内酯，具有果香和花香描述符，满足日益增长的消费者对天然化合物的需求。因此，内酯在世界市场上的年产量达到了几千万吨，价值在大约300-6000美元/公斤之间，由于生产技术的发展，其产量呈逐年下降的趋势。此外，内酯也被报道为绿色溶剂和燃料前体(例如γ-戊内酯)，扩大了其与向生物基础可持续经济过渡的相关性。一些内酯是绿色/无毒的溶剂替代品，它们的化学性质使它们可以用于生产C8烷烃(用于航空燃料)、C9和C18-C27烷烃(汽油和生物柴油)和其他聚合物，如尼龙前体。因此，内酯目前被认为是未来可持续循环生物经济的平台化合物。[1]

微生物从头合成不同γ-内酯和δ-内酯的化学结构。表1给出这些内酯的编号，并描述了它们的主要特性

表1 微生物通过从头合成产生的内酯[1]

内酯仍然主要是通过化学合成，在强酸催化剂存在下，通过过氧化氢和乙酸氧化环酮来获得。然而，由于大量使用溶剂和酸，最终产品产生不受欢迎的外消旋混合物，以及消费者不太接受这一事实，这引起了环境问题。反过来，微生物生产是一种更可持续和更有效的方式，以生产光学纯内酯与那些在水果中发现的同类化合物和性质相似。自主研发并获得专利的内酯生产生物技术工艺，完全采用生物转化技术。生物转化是指微生物将直接前体转化为内酯，并将该前体添加到具有将其转化为特定内酯能力的微生物的生产介质中来完成。对于微生物生产γ-癸内酯，酵母耶罗氏脂溶菌是首选的系统开发，使用羟基脂肪酸为前体。然而，这种生产方法有一些局限性。首先，某种内酯的生产完全取决于相应前体的可得性。因此，不可能使用相同的介质来产生不同的内酯。第二，所使用的前体的工业和商业价值很高，常常与内酯相竞争。第三，羟基脂肪酸不是一种丰富的或可再生的原料，例如，从蓖麻油中提取的蓖麻油酸(用作γ-癸内酯前体)与提取它的植物的作物有关，具有若干健康、季节和经济问题。[1]

因此，开发利用可持续的和更丰富的底物的生产过程是最重要的。然而，能够从头生物合成内酯(即从糖或其他非脂质底物产生内酯)或甚至能从非羟基和更丰富的脂肪酸进行生物转化的微生物种类却很少。对水果或微生物的研究也相当缺乏，导致内酯生物合成过程中的酶和遗传空白。此外，与其他高价值化学品不同的是，对生产内酯的微生物菌株的工程研究并不广泛，主要局限于解脂耶氏酵母的β-氧化途径。尽管如此，近年来，越来越多的研究正在解决这一问题，并探索从更多的可再生底物生产内酯。最近的例子是，棉囊阿舒氏酵母(Ashbya gossypii)的鉴定和工业化，它是一种能够进行内酯的重新生物合成和非羟基脂肪酸的生物转化的微生物，以及解脂耶氏酵母(Y. lipolytica)进行非羟基脂肪酸生物转化的工业化。[1]

内酯的生物合成是一个复杂的过程，在遗传和生化水平上的发生机制还不完全了解。首先，强调内酯从头合成和生物转化过程之间的区别是很重要的。从目前的知识来看，内酯的从头合成是指生产微生物不使用最终产品的任何直接前体，即不添加脂肪酸或羟基脂肪酸衍生物到生产介质中以获得其转化为特定的内酯。这意味着，为了从头开始生物合成内酯，微生物应该能够：(i)使用底物(如糖)来支持脂肪酸的生长和生物合成；(ii)对这些脂肪酸进行后修饰，以生成带有羟基的衍生物；(iii)在β-氧化过程中缩短该羟基脂肪酸，每循环还原两个碳链；(iv)经过特定的β-氧化循环后，生成羟基酸，羟基酸在酸性条件下自发内酯化。据我们所知，只有丝状真菌梨孢镰刀菌(Fusarium poae), 绿色木霉(Trichoderma viride), 棉囊阿舒氏酵母(A. gossypii)和鲑色锁掷酵母(Sporidiobolus salmonicolor)被报道了这些性状(表1)。担子菌，如蘑菇猪苓(如Polyporus durus)，已知可以产生几种挥发性化合物，包括γ-或δ-内酯，无论是通过生物转化还是从头合成；然而，在这篇综述中，我们主要关注子囊菌，因为它们在工业生物技术中具有较高的相关性。真菌鲑色锁掷酵母S. salmonicolor是一个例外，因为它的酵母样生长导致了内酯生物合成在20世纪90年代的深入研究。[1]

生物转化仅包括步骤(iii)和步骤(iv)，因为β-氧化途径的直接前体被添加到生产介质中。最近，关于利用非羟基脂肪酸生产内酯的生物转化过程有一些进展，将进行讨论。图2概述了内酯生物合成和生物转化的途径，有关鲑色锁掷酵母和其他重要的内酯产生物(如水果)的研究对现有的内酯生物合成知识做出了贡献。其他微生物系统也被用来帮助理解内酯生物合成的相关酶和途径，但是这些发现将与通过菌株工程和/或工艺优化来提高内酯生物合成的方法一起讨论。[1]

图2 γ-和δ-内酯的微生物合成示意图。不同阶段概述:脂肪酸的生物合成(蓝色);形成羟基脂肪酸(紫色);β氧化(绿色);和内酯化(橙色)。传统生物转化过程用灰框表示。虚线框表示与内酯生物合成最相关的酶活性。[1]

通过微生物生产获得的纯内酯优于外消旋混合物，因为前者有利于下游加工。用于这一目的的操作方法是液-液两相萃取和蒸馏，其目的是纯化一种内酯。由于作为天然香料的应用是其商业化的最相关的途径，因此，对γ-内酯的生物合成进行精细调控，从而创造量身定制的工程菌株是可能的。因此，AgPOX1基因被含有来自解脂耶氏酵母Y. lipolytica的POX2基因的异源过表达盒所取代(图3a)。AgPOX1编码酰基CoA氧化酶(EC 1.3.3.6)，该氧化酶在棉囊阿舒氏酵母a . gosypii基因组中编码，催化β-氧化途径的第一个反应，而YlPOX2编码特定的长链酰基CoA氧化酶(EC 1.3.3.6)，具有C11-C18脂肪酸的活性。通过这种修饰，β-氧化途径中脂肪酸的降解应该停止在C10水平，从而阻止短于γ-癸内酯的内酯的生物合成。此外，该策略进一步证实了β-氧化途径在棉囊阿舒氏酵母内酯从头合成中的作用。与亲本菌株相比，过表达的YlPOX2对总产量和生物合成的γ-内酯谱没有任何显著影响。然而，将DES589/elo624Δ/ YlPOX2菌株的3个基因修饰结合在一起进行了精细调控。与DES589和DES589/elo624Δ菌株相比，Tis菌株的γ-辛内酯产量与DES589菌株相似，但γ-辛内酯产量较低。值得注意的是，该菌株产γ-癸内酯的百分率显著高于另外两株高产菌株DES589和DES589/elo624Δ。这种精细调控发生在γ-癸内酯占γ-内酯总产生的99.3%的程度上，证实了酰基CoA氧化酶在β氧化中的特异性有助于最终产品的定性。[2]

图3 棉囊阿舒氏酵母内酯从头合成的代谢工程。a. 内酯从头生物合成过程中所涉及的代谢途径之间相互连接的示意图。一个酰基−2-辅酶A表示一个脂肪酸，经过1个循环的β-氧化，去掉了初始链长的两个碳。b. 使用Golden-Gate快速组装构建的异源过表达盒。灰色圈出的名字代表工程目标基因。虚线表示多种反应。M-CoA: malonyl-CoA;trans-2 3-DA-CoA: trans-2 3-dehydroacyl-CoA。[2]

有关桃醛的应用历史

雅克·娇兰(Jacques Guerlain)用一种天然茉莉花打破了橡树苔的力量，更重要的是，用一种最近才出现的新合成分子，打造出了蝴蝶夫人Mitsouko 。Jukov和Schestakow可能已经申请了桃醛的专利(实际上不是醛而是内酯；它真正的名字是γ-十一内酯) 。1908年，根据迈克尔·爱德华兹报告称，桃醛已经可以从其他供应商——芬美意购得，并使用在雅克娇兰香水中，以一种称为桃醛Persicol的分子作为基调，当娇兰在1908年投放市场便大获成功。桃醛是一个奇迹，一种水果味，芳香，美味的气味，具有成熟的桃子皮的特征。娇兰完美地将桃醛加入到配方中(事实上，有传言称，这款香水与香奈儿5号类似，其实是他不小心过量使用了这个香料；谁知道呢)，而蝴蝶夫人Mitsouko变成了一种微妙的富裕、力量、平衡和柔滑的朦胧调香水。[3]

一种名字(桃醛)容易令人混淆的γ-十一内酯，是在内酯上添加一个六碳侧链而产生的，有一种模糊的桃子味。1908年，俄罗斯化学家Zhukov和Shestakov合成了这个化合物，并以桃醛(Persicol)的名义出售，它是香水史上最伟大的两款香水的直接创造者。第一个是“蝴蝶夫人Mitsouko”，雅克·娇兰(Jacques Guerlain)在1919年与弗朗索瓦·科蒂(Francois Coty)进行商业竞赛时创作的杰作。两年前，科蒂提出了极其抽象但棱角凝重的西普香水Chypre(又称素心兰，一种檀香型香调的香水)。蝴蝶夫人Mitsouko显然被西普Chypre击败了，她试图比西普更好。他的典型想法是在科蒂朴素的优雅韵调中添加一点舒适的毛绒的感觉，于是他偶然发现了桃醛。说桃醛Persicol成就了蝴蝶夫人Mitsouko，有点像说卡拉拉(意大利城市，Carrara)大理石成就了贝尔尼尼(意大利著名建筑设计师，Bernini)的达芙妮(创立于1976年的女士长靴品牌)。雅克·娇兰用尽了所有的天才才使它成功。幸运的是，尽管西普香水Chypre早已过时，但蝴蝶夫人Mitsouko还在我们身边，娇兰的新东家路威酩轩集团(LVMH)至今仍对其表示尊重。第二款香水，或许更让人惊叹的是雅克•法斯(Jacques Fath) 1947年创作的鸢尾花(Iris Gris)。由文森特·鲁伯特作曲，它可能是迄今为止唯一完全成功的鸢尾。大多数鸢尾都是葬礼上的理想香料。面对这种慢性伤感的韵调，鲁伯特灵机一闪，想出了一个绝妙的主意：用同样粉状但更有活力的桃醛(Persicol)来让它活跃起来。从灰色到粉色，效果天衣无缝，就像鸽子喉咙上的羽毛，平添了一种亮色。[3]

参考文献

[1] Silva R, Coelho E, Aguiar TQ, Domingues L. Microbial Biosynthesis of Lactones: Gaps and Opportunities towards Sustainable Production. Applied Sciences. 2021; 11(18):8500. https://doi.org/10.3390/app11188500

[2] Silva, R., Aguiar, T.Q., Coelho, E. et al. Metabolic engineering of Ashbya gossypii for deciphering the de novo biosynthesis of γ-lactones. Microb Cell Fact 18, 62 (2019). https://doi.org/10.1186/s12934-019-1113-1

[3] https://bgirlrhapsody.wordpress.com/2015/08/23/chemistry-101-gamma-undecalactone-persicol/.