決定食品和飲料化學(xué)感覺的天然風(fēng)味的生物催化生產(chǎn)一直是學(xué)術(shù)和工業(yè)研究的一個(gè)艱巨目標(biāo)。化學(xué)痕量分析的進(jìn)展和化學(xué)-生物學(xué)界面的后基因組進(jìn)展揭示了自然化學(xué)感覺實(shí)體的氣味質(zhì)量是由氣味誘導(dǎo)的嗅覺受體活動(dòng)模式定義的。與傳統(tǒng)觀點(diǎn)不同的是，這項(xiàng)綜述和大數(shù)據(jù)分析現(xiàn)在顯示，每種食物的真正關(guān)鍵氣味的特征比例只有3到40個(gè)，從10000種左右的食物揮發(fā)物中提取230種。這表明食物產(chǎn)生的刺激空間與我們大約400個(gè)嗅覺受體共同進(jìn)化，并大致匹配為最好的天然激動(dòng)劑。這一視角洞察了氣味的自然化學(xué)特征，提供了220多種食物樣品的化學(xué)氣味編碼，并解決了生產(chǎn)重組物的工業(yè)意義，該重組物可以完全重建天然氣味特征，用于食用和日用香精、完全沉浸式交互虛擬環(huán)境或類人生物電子鼻。

1、前言

8000多年來，自然生物化學(xué)過程一直用于食品的生產(chǎn)，如面包、啤酒、葡萄酒、奶酪和酸奶、醋、醬油或魚露。因此，通過微生物發(fā)酵或酶活性產(chǎn)生新的香味和味道，風(fēng)味生物技術(shù)就誕生了。[1]

盡管多種微生物的代謝性能為從頭合成風(fēng)味的生物合成帶來了巨大的潛力，但在自然界中發(fā)現(xiàn)的有價(jià)值化合物的產(chǎn)量通常太低，無法進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。除了一些來自初級(jí)代謝的風(fēng)味化合物，如L-谷氨酸和檸檬酸，代謝的多樣性往往導(dǎo)致相當(dāng)廣泛的密切相關(guān)的化合物，例如，一系列來自氨基酸代謝的雜醇。[2]

在上個(gè)世紀(jì)，有機(jī)合成的巨大進(jìn)步使得高純度、天然產(chǎn)生的氣味分子和手性氣味的制備成為了具有成本效益的方法[3]。例如，薄荷氣味和外消旋薄荷醇已經(jīng)在20世紀(jì)60年代中期由Haarmann & Reimer實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，而具有涼感效應(yīng)(1R,2S,5R)結(jié)構(gòu)的(-)-薄荷醇則需要通過手性拆分分離[4]。20世紀(jì)80年代末，由Ryoji Noyori領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了以月桂烯為基礎(chǔ)的(-)-薄荷醇的合成，今天稱為“Takasago法”，采用催化劑[{(S)-BINAP}2Ru]ClO4將二乙基香葉胺的不對(duì)稱異構(gòu)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為3-(R)-香茅烯胺，這是一個(gè)新的關(guān)鍵反應(yīng)步驟。Ryoji Noyori利用BINAP釕催化劑，獲得了2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[5]。合成(-)-薄荷醇是當(dāng)今世界上最暢銷的風(fēng)味配料之一，每年達(dá)到25000至30000公噸的全球需求，巴斯夫在2012年開發(fā)了一種新工藝，使用手性銠催化劑對(duì)(Z)-薄荷醇進(jìn)行不對(duì)稱加氫[6]。此外，有機(jī)化學(xué)還成功地產(chǎn)生了影響更大的非天然同系物，例如，目前廣泛使用的乙基香蘭素，其風(fēng)味強(qiáng)度比其天然類似物香蘭素強(qiáng)約4倍[7]。

盡管工業(yè)化香料生產(chǎn)取得了非凡的成就，但被疏遠(yuǎn)的消費(fèi)者對(duì)添加到食品、化妝品或家用產(chǎn)品中的非天然化學(xué)物質(zhì)越來越反感，因此產(chǎn)生了對(duì)真正真實(shí)的天然風(fēng)味標(biāo)簽的香料越來越多的需求，以及對(duì)“有機(jī)”或生物起源的風(fēng)味分子的需求[2]。在過去的幾十年里，這導(dǎo)致了香草和薄荷等幾種植物資源的嚴(yán)重短缺，并推動(dòng)了“更綠色”的化學(xué)和更“環(huán)保”的生物技術(shù)制造工藝的應(yīng)用，從而通過植物細(xì)胞、組織培養(yǎng)或分別涉及細(xì)菌、真菌、酵母和它們的酶的微生物過程來生產(chǎn)生物質(zhì)香料的合成生物學(xué)的快速發(fā)展。[2,8 - 10]甚至昆蟲衍生的酶最近也被認(rèn)為是工業(yè)生物技術(shù)中尚被低估的寶藏精細(xì)化學(xué)品的生物技術(shù)生產(chǎn)，例如有機(jī)酸、氨基酸、核苷酸、維生素和醇[12]、生物催化區(qū)域和立體選擇轉(zhuǎn)化[13]、合理蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助酶設(shè)計(jì)，結(jié)合定向進(jìn)化技術(shù)，以開發(fā)新型生物催化劑[14,15]，采用連續(xù)的生物或化學(xué)催化轉(zhuǎn)化或設(shè)計(jì)的表達(dá)多種酶的重組全細(xì)胞[16]、以及通過高效的下游處理選擇性回收目標(biāo)分子的多步驟工藝在過去幾年中迅速發(fā)展，已成為當(dāng)今化學(xué)工業(yè)中成熟的學(xué)科[2,17]。盡管揮發(fā)性醇(如雜醇醇)、具有氣味活性的有機(jī)酸和酯(如2-苯乙基乙酸酯)、醛(如(Z)-3-己烯醛和香草醛)、酮和3-和5-烷基內(nèi)酯等已經(jīng)在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)了生物催化生產(chǎn)，但它們的化學(xué)多樣性使氣味分子仍然是生物技術(shù)的一個(gè)真正具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，在食品、飼料、化妝品和制藥部門有著廣泛的應(yīng)用。[2,9,10]

我們對(duì)嗅覺分子基礎(chǔ)研究的進(jìn)步，對(duì)于更有效地引導(dǎo)后基因組風(fēng)味生物生產(chǎn)技術(shù)，以那些由自然進(jìn)化選擇的目標(biāo)分子，創(chuàng)造出對(duì)各種食物和飲料真正真實(shí)的嗅覺感知是必要的。然而，這需要新的知識(shí)，我們的嗅覺如何能夠在分子水平上解謎食物氣味的世界。400多個(gè)視紫紅質(zhì)樣G蛋白偶聯(lián)的7個(gè)跨膜螺旋受體(稱為氣味受體(OR))工作在揮發(fā)性摩爾化學(xué)世界和大腦感覺知覺之間的界面上，將外部化學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為可由神經(jīng)電路處理的內(nèi)部信息[18]。假設(shè)這些受體已經(jīng)進(jìn)化到能夠處理這一任務(wù)，對(duì)它們的編碼策略的分析有望在如何高效地編碼自然界的化學(xué)信息方面產(chǎn)生有價(jià)值的見解[19]。為了滿足這一需求，需要對(duì)化學(xué)氣味空間進(jìn)行定義，并對(duì)反映感官表現(xiàn)型并觸發(fā)特定食物味道特征的感官活躍關(guān)鍵分子(被稱為“感官代謝組(sensometabolome) ”)的綜合種群進(jìn)行解碼。[20、21]

盡管近年來在分子感官科學(xué)方面取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，以闡明食物在分子水平上的感官代謝組學(xué)(“感官組學(xué)Sensomics”)，[1,20,21]我們?nèi)匀恍枰碌闹R(shí)體系，解決特別是在嗅覺的化學(xué)-生物學(xué)界面上的許多困惑。[22]

換句話說，我們對(duì)氣味編碼的理解在很大程度上依賴于對(duì)關(guān)鍵氣味與其最佳同源受體蛋白相互作用的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)組合代碼的破譯，在組合代碼中，氣味的特性是由它們激活的特定受體子集編碼的。[22]

闡明與生物相關(guān)的單一氣味的人類受體編碼，甚至更重要的是，闡明為我們大腦在進(jìn)食時(shí)感知到的嗅覺圖像編碼的自然化學(xué)感覺混合物的受體編碼，將是一個(gè)重要的里程碑，對(duì)于高效和具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的生物技術(shù)重建真正真實(shí)的氣味特征——所有這些都是由相同的生物產(chǎn)生的關(guān)鍵氣味構(gòu)建的。

2. 食品化學(xué)氣味空間的分析覆蓋需要全面、定量

對(duì)我們?nèi)粘ｏ嬍持袣馕斗肿拥乃褜な加?0年代初氣相色譜法(GC)的引入。當(dāng)時(shí)，進(jìn)行研究的假設(shè)是，發(fā)生在食物、體味或環(huán)境氣味中的一整套揮發(fā)物有助于化學(xué)感覺實(shí)體的特定氣味。然而，盡管到2013年為止，約有8000種揮發(fā)物被識(shí)別出來，并預(yù)測(cè)食物中總共會(huì)出現(xiàn)10000種揮發(fā)物，早期通過識(shí)別出的揮發(fā)物重建食物香氣的實(shí)驗(yàn)并不成功，如橄欖油[26]和橙汁[27]。地道食品的風(fēng)味與模擬食品的香氣在感官感知上存在差異的主要原因是缺乏分析設(shè)備——?dú)庀嗌V火焰電離檢測(cè)器無法檢測(cè)到的高影響微量氣味，以及定量數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。因此，劑量/嗅覺活力的考慮日益加劇了研究人員的質(zhì)疑，食物中所建議的10000種揮發(fā)物都有助于食物的特定氣味嗎？[28-30]這促使人們?cè)趯ふ沂澄锏年P(guān)鍵氣味方面發(fā)生了范式上的轉(zhuǎn)變，并引入了“感官組學(xué)”方法的誕生。將耦合氣相色譜的想法應(yīng)用到嗅聞裝置上[31]，氣相色譜嗅聞法(GC-olfactometry, GC-o)是一種利用人類鼻子作為最靈敏和選擇性的生物探測(cè)器，通過“嗅探”檢測(cè)，在色譜分離物中大量感覺不活躍的揮發(fā)物中定位活性氣味的方法，曾被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)昆蟲學(xué)中，用于檢測(cè)昆蟲觸角嗅覺器官所感知的揮發(fā)物。[28,30,32 - 34]基于連續(xù)稀釋香氣餾分的重復(fù)GC-O分析的技術(shù)，例如CHARM分析[35,36]或AEDA香氣提取液稀釋分析[28,30]，能夠?qū)馕痘钚苑肿舆M(jìn)行綜合檢測(cè)，并根據(jù)空氣中的相對(duì)閾值對(duì)其感官影響進(jìn)行排序。

這種嗅覺活力導(dǎo)向的策略極大地幫助我們將費(fèi)力的識(shí)別實(shí)驗(yàn)集中在食物中最具氣味活性的分子上。然而，由于氣相色譜-嗅聞法對(duì)關(guān)鍵氣味分子的嗅覺篩選是基于它們?cè)诳諝庵械拈撝担皇窃诟髯缘氖澄锘|(zhì)中，研究人員開始基于“氣味單位”或“氣味活度值”(OAV)來研究單個(gè)氣味對(duì)給定食物香氣的貢獻(xiàn)，該“氣味單位”或“氣味活度值”(OAV)定義為食物中一種氣味的濃度與其在適當(dāng)基質(zhì)中的氣味閾值之比。[29,30,37,38]然而，揮發(fā)性成分的巨大化學(xué)復(fù)雜性，以及關(guān)鍵氣味在濃度、揮發(fā)性和化學(xué)穩(wěn)定性方面的巨大差異，挑戰(zhàn)了它們的精確定量[28,30]。

通過使用穩(wěn)定同位素(13C, 2H)標(biāo)記的關(guān)鍵氣味的雙分子作為高分辨率氣相色譜/質(zhì)譜分析最合適的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，取得了突破。[21,28,34, 39-42]考慮到提取、樣品清理和色譜過程中的分析物鑒別，這種所謂的穩(wěn)定同位素稀釋分析(SIDA)允許對(duì)關(guān)鍵食品氣味進(jìn)行穩(wěn)健的定量分析，所需的精度低于10%。[28]