破译草莓的香味密码--呋喃酮的生物合成研究

Wilfried Schwab,Andre Schiefne 0 2021-01-12

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生物合成香气研究生物催化剂

据统计:2012年,平均每个德国人要吃掉3.5kg草莓,较10年前增加了1kg.是什么原因使得人们对草莓特殊的味道难以忘怀?科学家对形成草莓特殊香味的原因进行了分子级层面的分析研究.

据统计：2012年，平均每个德国人要吃掉3.5kg草莓，较10年前增加了1kg。是什么原因使得人们对草莓特殊的味道难以忘怀？科学家对形成草莓特殊香味的原因进行了分子级层面的分析研究。

对很多德国人来说，没有草莓的春天就像没有足球的球场。在每年的春夏时节，从园中采摘回来或者从超市购买的鲜嫩多汁的草莓是最可口的水果了，由于口感丰富、气味芳香，使其成为德国最受欢迎的水果之一。

那么，到底是什么原因使这种小小的水果令人久久难以忘怀？对此，慕尼黑技术大学生物化学系的科学家们进行了深入研究，并成功地在分子级层次上破解了形成草莓特有香气、口味的香气密码。

图1. 4-羟基2,5-二甲基-3（2H） -呋喃酮（HDMF）是草莓香味的关键密码。

草莓的香气研究

每种食品的香气都表示其所含有的、鼻黏膜中的嗅觉细胞和舌头时的味觉细胞能感受到的嗅觉材料和味觉材料的数量。如甜酸苦辣咸等都是通过味觉材料传递给人们的感觉印象，而食品也可通过其多种多样的香味向人们传达感觉印象。

研究表明：草莓向环境大气释放的天然香气成分的种类多达300多种。但由于草莓释放的大多数天然香气的浓度低于人类嗅觉能感受到这种气味的阈值，因此能够辨别出来的草莓香气种类有限。香味分析技术告诉我们：在天然浓度情况下，人类能够感受到草莓释放的12种复杂的组合气味，其中包括果香酯、菠萝酮和4-羟基2,5-二甲基-3（2H）-呋喃酮（HDMF），它在市场上的商品名为呋喃酮。气味重组实验表明：把分析出来的12种草莓芳香组合物按照其天然浓度组成溶液称之为草莓型溶液；从中去掉任何一种成分（如呋喃酮）后得到的香味就不再是草莓味了。由此发现，呋喃酮是描述草莓气味的关键成分，也就是香味材料密码，尽管其本身的味道使人联想到焦糖甜。除了草莓之外，在菠萝、西红柿、猕猴桃和其他含糖水果中也都有呋喃酮的成分。研究人员在菠萝中首次成功提取了HDMF。除了水果中会有天然合成的呋喃酮外，糖在受热时也会产生呋喃酮：在美拉德反应中，含糖食品加热制作菜肴时会形成呋喃酮。某些酵母菌和细菌能够在美拉德反应中转换成HDMF。另外，HDMF也是蟑螂荷尔蒙的组成部分。

从食品加工技术理论来讲，这种香味材料可以工业化生产，并以商品名在市场上销售。但随着对天然材料消费需求的增长，人们对利用天然植物生物催化合成该材料的技术产生了浓厚的兴趣。在成熟的草莓中，这种香味材料的含量可达50mg/kg，因此草莓也是最适合于HDMF合成的水果了。但由于酵母菌和细菌不能用简单的de novo分子合成，因此其在这种香味材料的研究中没有意义。

图2. HDMF嗅觉材料的前体（橘黄色和红球）构成了烯酮氧化还原酶FaEO（绿色）。

呋喃酮的生物合成

多年来，慕尼黑技术大学天然材料生物技术系的科学家们一直从事呋喃酮的生物合成研究。在成熟草莓果实中的不同放射性标记或者在稳定原子标记的前体分子帮助下，他们首先成功找到了合成草莓中HDMF原材料的途径。研究证明：果糖在作为呋喃酮前体、形成草莓烯酮氧化还原酶（FaEO）并最终转换成HDMF时起到了决定性的重要作用。

有趣的是，草莓果糖中复杂的碳分子结构中与目标分子之间没有原来的缝隙。磷酸化的糖衍生物比没有磷酸化的表现出了更高的键合率；像甲基戊糖这类在美拉德反应中有着高转化率的结构在草莓果实中却并未转换为HDMF。对此，慕尼黑技术大学的科学家们成功描述了基本反应给出的详细情况。宿主中生物催化剂FaEO的科隆和生产和其特性描述最终提供了FaEO是草莓香味中关键密码的证明。根据这一研究成果，研究人员搞清楚了过去未知的转换中间物质，并在西红柿和菠萝中找到了所使用的基因和酶。

图3. 基片组合的详细视图（灰色半透明表面）清楚的表示了NADPH中的两个电子转移到HDMF香味材料（橘黄-红的环形结构）中的过程，并形成了HDMF。

反应机制

为了清楚地说明生物催化剂在生物合成中是如何进行催化的，科学家们与慕尼黑技术大学生物化学系一起合作利用X射线结构分析技术对分子进行了三维扫描（如图2所示）。

如同拼图游戏一样：这一分子由6个不同的酶分子链组成；它们最终在FaEO的催化作用下生成了香味材料呋喃酮。在催化反应的研究中主要是搞清楚尚未明确的反应机制：电子是如何有目的的到达前体分子规定位置处的（如图3所示）。通过研究发现：FaEO蛋白质是生物催化器的第一个载体，这一发现为工业化的生物技术打开了方便之门。

生物合成途径的优点

科学家们最新的研究成果揭示了水果中呋喃酮的重要信息，例如草莓中的呋喃酮。这一有着工业化生产的重要香味材料能在不久的将来以合成果糖的形式出现在市场上了，使我们的饮料、食品或者酸奶的口味更加丰富了。草莓种植者也可以从中受益。利用基因分析技术他们可以在将来有目的的选择草莓品种，不再种植那些有基因缺陷、并可能影响草莓口味的品种了。也使草莓种植者免去了长年的种植园现场试验、品种选育了。

内容来源：慕尼黑技术大学生物化学系

责任编辑：展源

审　　核：何发