（应用化学专业论文）新型酰胺凉味剂WS2的合成与应用研究.pdf

摘要 摘要 本课题主要研究了新型酰胺凉味剂w s 2 即n 乙基一2 ，3 一二甲基2 异丙基丁酰胺的合成， 优化合成工艺找到最佳实验方案，对w s 2 进行凉感效果测试以及合成中间产物2 ，3 ，4 三甲基 - 3 戊醇在无醇花露水香精中的应用，探讨它们在化妆品中应用的可能性。 w s 2 的合成分为四步：第一步以甲醇和氢溴酸为原料，制备溴甲烷再以无水乙醚为溶剂， 与m g 反应生成g r i g n a r d 试剂，在冰浴下与二异丙基酮反应制得2 ，3 ，4 三甲基3 戊醇。反应 粗产物经蒸馏，硅胶柱层析纯化，洗脱液v ( 乙酸乙酯) ：v ( 石油醚) - - 4 ：l ，通过红外光谱、 气相色谱、气相色谱与质谱联用和核磁共振氢谱对产物进行分析鉴定，确定为2 ，3 ，4 三甲基3 戊醇，得率为8 8 6 ；第二步经过k o c h h a a f 羧化反应，先将甲酸缓慢滴j n 至, j 浓硫酸中，然 后将2 ，3 ，4 三甲基3 戊醇与四氯化碳的混合溶液缓慢的滴入，反应3 5 h 停止。反应产物经低 温重结晶，硅胶柱层析纯化，以溴甲酚绿作为显色剂，采用梯度洗脱，洗脱液v ( 乙酸乙酯) ： v ( 甲醇) = 4 ：1 和2 ：1 ，通过红外光谱、气相色谱与质谱联用和核磁共振氢谱对产物进行 分析鉴定，确定为2 ，3 二甲基2 异丙基丁酸，得率为4 0 2 ；第三步以草酰氯作为酰化试剂， 以d m f 作为催化剂，在常温搅拌下逐滴加入到2 ，3 二甲基一2 异丙基丁酸的二氯甲烷溶液中， 反应3 0 6 0 m i n 停止反应。产物经红外光谱和气质联用分析鉴定，确定为2 ，3 二甲基2 异丙基 丁酰氯；第四步，常温搅拌下在二氯甲烷中用三乙胺游离乙胺盐酸盐，然后将酰氯溶于二氯 甲烷滴加其中，反应约1 2 h 停止反应。产物经硅胶柱层析纯化，以碘熏显色，采用梯度洗脱， 洗脱液v ( 石油醚) ：v ( 乙酸乙酯) = 1 0 ：0 和1 0 ：l ，通过红外光谱、气相色谱与质谱联用和 核磁共振氢谱对产物进行分析鉴定，成功合成出终产物n 乙基2 ，3 二甲基2 异丙基丁酰胺， 总得率为3 5 6 。 同时研究了2 ，3 ，4 三甲基3 戊醇作为凉感剂在无醇花露水香精中的应用以及反应终产物 w s 2 的凉感效果。研究发现：2 ，3 ，4 三甲基3 戊醇比较适用于轻香型，用量往往在o 2 5 较 为合适；在重香型中使用效果不好，破坏整体香韵，且用量需在0 3 才有凉感产生。对于 w s 2 的凉感效果测试表明，它具有极高的凉味活性，在o 1 0m g m l 的浓度下，1 ，3 丁二醇体 系降温可达1 2 1 k ，在香精体系中降温可达0 7 8 k 。 关键词：w s 2 ，凉味剂，2 ，3 ，4 - 三甲基3 戊醇，2 ，3 二甲基- 2 一异丙基丁酸，n 一乙基- 2 ，3 - 二甲基 2 异丙基丁酰胺 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 i st o p i ci sm a i n l ye n g a g e di nt h es y n t h e s i so fan e wa m i d ec o o l i n gc o m p o u n dw s - 2 ( n e t h y l - 2 一i s o p r o p y l - 2 ，3 - d i m e t h y l - b u t y r i ca m i d e ) a n do p t i m i z et h es y n t h e s i sp r o c e s st of i n do u tt h e b e s te x p e r i m e n t a la p p r o a c h t h ea r t i c l ea l s oc a r r i e do u tat e s tf o rt h ec o o l i n ge f f e c to fw s - 2a n da d d t h e2 ，3 ，4 - t r i m e t h y l - 3 - p e n t a n o lt ot h ep e r f u m eo ft o i l e tw a t e r 嬲ac o o l i n gc o m p o u n dt of i n do u tt h e p o s s i b i l i t yo ft h ea p p l i c a t i o no ft h et w op r o d u c t si nt h ec o s m e t i c t h es y n t h e s i so fw s 2i sd i v i d e di n t of o u rs t e p s t h ef i r s ts t e p m e t h y lb r o m i d ew a sp r e p a r e d b yt h er e a c t i o nb e t w e e nh y d r o b o m i ca c i da n dm e t h a n 0 1 t h e ni tr e a c tw i t hm a g n e s i u mt of o r mt h e g r i g n a r dr e a g e n t ，t h e nt h ed i i s o p r o p y lk e t o n ew a sa d d e dt or e a c tw i t hi t u n d e ri c eb a t ht og e tt h e 2 ，3 ，4 - t r i m e t h y l - 3 - p e n t a n 0 1 t h ec r u d ep r o d u c tw a sd i s t i l l e da n dp u r i f i e db ys i l i c ag e l c o l u m n c h r o m a t o g r a p h y , e l u a t ev ( e t h y la c e t a t e ) ：v ( p e t r o l e u me t h e r ) = 4 ：1 ，t h es t r u c t u r ew a si d e n t i f i e dt ob e c o r r e c tb yt h ei r , g c - m sa n dn m r t h es e c o n ds t e p ，t h r o u g ht h ek o c h - h a f tr e a c t i o n , t h e 2 ，3 ，4 - t r i m e t h y l - 3 一p e n t a n o lw a sa d d e dd r o p w i s et o t h es o l u t i o nw h i c hc o n t a i n ss u l f u r i ca c i da n d f o r m i ca c i d ，s t i r r e df o rt h r e et of i v eh o u r s ，t h ec r u d ep r o d u c tw a sp u r i f i e db yl o w t e m p e r a t u r e r e c r y s t a l l i z a t i o na n ds i l i c ag e lc o l u m nc h r o m a t o g r a p h y , u s eb r o m o c r e s o lg r e e n 弱ac o l o rr e a g e n t a n dg r a d i e n te l u t i o n , t h ee l u a t e v ( e t h y la c e t a t e ) ：v ( m e t h a n 0 1 ) = 4 ：la n d2 ：1 t h es t r u c t u r ew a s i d e n t i f i e dt ob ec o r r e c tb yt h ei r , g c - m sa n dn m r t h et h i r ds t e p ，o x a l y lc h l o r i d ew a sa d d e dt o t h e2 , 3 一d i m e t h y l - 2 - p r o p y l - b u t a n o i ca c i dd i c h l o r o m e t h a n es o l u t i o n 、i t l lc a t a l y t i ca m o u n to fd m f , r e f l u i e df o rlha n dt h ea c y lc h l o r i d ew a sr e c e i v e da n di d e n t i f i e dt ob ec o r r e c tb yt h ei ra n d g c - m s 1 1 1 ef o u r t hs t e p ，t h et r i e t h y l a m i n ew a sa d d e dt ot h ed i c h l o r o m e t h a n es o l u t i o nw h i c h c o n t a i n se t h y l a m m o n i u n lc h l o r i d e s t i r r e df o rh a l fo ro n eh o u r , t h e nt h ea c y lc h l o r i d ew a sa d d e d d r o p w i s ea n ds t i r r e df o rj u s tt w oh o u r st og e tt h ew s 2 ，t h es t r u c t u r ew a si d e n t i f i e dt ob ec o r r e c tb y t h ei r ，g c m sa n dn m r ，t h et o t a ly i e l di s3 5 6 t h ea r t i c l ea l s os t u d yt h ea p p l i c a t i o no f2 ，3 ，4 - t r i m e t h y l 一3 - p e n t a n o l 嬲ac o o l i n gc o m p o u n di n t h ep e r f u m eo ft o i l e tw a t e ra n dt h ec o o l i n ge f f e c to fw s - 2 t h r o u g ht h es t u d y ，w ef o u n d 2 ，3 ，4 - t r i m e t h y l - 3 - p e n t a n o li sm o r ea d a p t e dt ot h el i g h tp e r f u m ea n di t sb e s td o s a g ei s0 2 5 t h r o u g ht h ec o o l i n gt e s to fw s 2 ，w ef o u n dt h a ti th a sah i g hc o o l i n ga c t i v i t y t h et e m p e r a t u ed r o p o fw s 2i nt h el - 3 b u t a n e d i o li su pt o1 21ka n d0 7 8 ki nt h ep e r f u m e k e y w o r d s ：w s 2 ，c o o l i n gc o m p o u n d ，2 , 3 ，4 t r i m e t h y l 一3 - p e n t a n o l ，2 , 3 一d i m e t h y l 一2 一p r o p y l b u t a n o i c a c i d ，n - e t h y l - 2 - p r o p y l - 2 ，3 - d i m e t h y l - b u t y r i ca m i d e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：趁垄 e t 期：越! 呈：厦 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名： 欷琶导师签名：z 塑：生竺二 日 期： 垫2 ：芝墨：! z 绪论 第一章绪论 1 1 凉味剂的简介 食品的基本味觉可大致分为四类，即酸、甜、苦、咸。在基本味觉的发展过程中不同国 家在四种基本味觉的基础上都发展了自己的味觉系统，例如日本分为酸、甜、苦、咸、鲜五 昧；欧美则分为酸、甜、苦、咸、碱和金属味六味；印度分为酸、甜、苦、咸、涩、辣、淡 和腐败味八味；中国则分为酸、甜、苦、咸、鲜、辣、涩七味i l 】；还有一些国家在味觉发展 过程中将清凉味也作为一种单独的味觉。清凉味不仅作用于人的口腔产生清凉感，也能作用 于人的皮肤，因为不管是人的口腔还是皮肤，都布满能传递凉感的冷传感器，它们是清凉感 觉的受体。由此在风味料化合物的发展过程中衍生出一类全新的化合物，能赋予人生理凉爽 的感觉，我们称之为凉味剂。 凉味剂，就是所有能产生清凉效果且药性不强的化学物质的总称。它能赋予人清凉、新 鲜等感觉，起到提神、醒脑的作用 2 1 。冰片等物质也有清凉感，但它药性较强，因而不属于 凉味剂。 凉味剂作为凉型风味料并不是单独使用的，而往往是几种混合进行配伍使用，以达到最 佳的使用效果。传统的凉型风味料主要由薄荷、留兰香、桉叶油、龙脑和冬青等香料配制而 成，它们也是目前凉型风味料中的主要配料。它们的香型评价【2 】见下表1 1 ： 表1 - 1 主要凉型风味料的香型评价 t a b 1 - 1t h ee v a l u t i o no ft h em a j o rc o o l i n gf l a v o rc o m p o u n d 凉味剂香气评价 薄荷脑( 醇) 薄荷酮 异薄荷酮 桉叶素 硫代桉叶素 龙脑 香芹酚 清凉、清甜和轻央的薄荷特征样香味 略带苦味的清凉的薄荷特征香味，凉味较薄荷脑弱 薄荷脑一样的清凉t ：2 感，凉味似乎较薄荷脑稍好 强烈的清凉味感，带较明显的樟脑样药味 十分强烈的薄荷样清凉味，有硫醚类、柠檬类水果、樟脑样和青香味 强烈尖刺的凉味，带有明显的椒样和樟脑药味 强烈的清凉和樟脑样药气，但味感上无凉味 这些凉味剂能带给人清凉的感觉，但都会带些杂气而使凉气不够纯正i2 。、沁透，在对凉 味剂使用要求较高的一些领域，例如食品、医药中的应用受到很大限制。 1 1 1 薄荷醇及薄荷醇衍生凉味剂 最常见的凉味剂是薄荷醇。薄荷醇又名六氢百里酚，俗名薄荷脑，学名5 甲基2 异丙基 环己醇，它是薄荷精油中的主要成分，以游离和酯的状态存在。它由天然薄荷原油经冷却、 结晶、离心分离而制得。 薄荷醇分子六元环上含有3 个不对称碳原子，因而有4 对旋光异构体，这八种光学活性 异构体的呈香性质各不相同。就纯的凉味而言，存在于亚洲薄荷油中的l 薄荷醇即左旋薄荷 醇1 3 】，如下图1 1 所示，具有优雅的凉香、薄荷香、醚香、辛香和桉叶样香气及独特的清新凉 味1 4 】，并对人体有良好的药效和生理作用，是极为重要的凉味剂产品；而其它光学异构体均 有杂味【5 1 。薄荷中的薄荷酮也是常用的凉味剂，它也存在于天然薄荷中，它有4 种光学异构 体，其中以l 薄荷酮凉味最好，并且它的立体构型与l - 薄荷醇相同。 江南大学硕士学位论文 o l - 溥荷醇，f e m a ：2 6 6 5l - 薄荷酮，f e m a ：2 6 6 7 图1 1l 薄荷醇与l 薄荷酮的结构 f i g u r e 1 一lt h es 缸1 l c 勰o fl m e n t o la n dl - m e n t h o n e 但是l 薄荷醇却存在留香不持久、香味偏清甜、凉味不强烈和尖刺等缺点1 2 1 ，于是人们 针对l 薄荷醇的结构和特性进行研究。在研究中发现：具有l 薄荷醇立体构型的化合物凉味 最纯正，其他的都会带些杂气，因而在不改变l 薄荷醇立体构型的基础上对分子进行不断的 修饰和改进，希望找到凉感更加尖锐、沁透、持久的化合物，于是就衍生出了许多l 薄荷醇 类和l - 薄荷酮类凉味化合物。 1 1 1 1l - 薄荷醇的酯类化合物 根据研究表明，常见脂肪酸的l 薄荷醇酯对提高凉味并没有任何帮助，反而会增加其中 的茶香或果香等杂气【2 1 。水溶性较好的l 薄荷醇酯类，由于它们具有良好的水溶性，我们成 之为水溶性凉味剂；同时引入的极性基团降低了化合物的挥发性和香气，使凉味作用更加持 久，凉味更加纯正。几种具有代表性的l 薄荷醇酯类凉味剂见下图1 2 ： 至 ab c d o 图1 2l 一薄荷醇酯类凉味剂 f i g u r e 1 - 2t h ec o o l i n gc o m p o u n d so fl - m e n t o le s t e r a 物质是琥珀酸单l 薄荷醇酯，f e m a ( 美国风味料和提取物制造商协会，以下简称 f e m a ) ：3 8 1 0 。它具有清鲜、长效、纯正的薄荷特征凉味，无苦味，其钠盐的口感与之类似， 几乎没有任何杂气【6 j 。现在上海香料所已经在生产。 b 物质是乳酸l 一薄荷醇酯，f e m a ：3 7 4 8 。它具有留味很长的薄荷特征凉味，凉感较薄 荷醇稍强，气息很弱1 7 j 。( h & r 公司即德国哈门雷默公司给出的香型评价，以下简称h & r ) c 物质是碳酸l 一薄荷醇7 - - 醇酯，f e m a ：3 8 0 5 。它对皮肤和1 ：3 腔粘膜均有强烈凉感， 无气息，有薄荷样味感1 2 1 。( h & r ) d 物质是碳酸l - 薄荷醇丙三醇酯，f e m a ：3 8 0 6 。它的1 3 感与碳酸l 薄荷醇7 - - 醇酯类 似【引。( h & r ) 1 1 1 2l 薄荷醇的醚类化合物 l 薄荷醇的醚类凉味剂的性质与香气和酯类化合物类似，几种具有代表性的l 薄荷醇的 醚类凉味剂见下图1 3 ： 2 绪论 三 e o h l u ，o h 至 f 图1 3l 薄荷醇的醚类凉味剂 f i g u r e 1 - 3t h ec o o l i n gc o m p o u n d so fl m e n t o le t h e r e 物质是l 薄荷基丙三醇醚，f e m a ：3 7 8 4 。它能提升l 薄荷醇的凉味而没有香气，能 增加凉昧的和谐感，减少l 薄荷醇对皮肤的刺激【2 】( 高砂公司给出的香型评价，以下简称高 砂) 。在皮肤和口腔作用都有清凉的感觉，和薄荷醇一起使用，能使凉感增强而且持续。 f 物质是3 l 薄荷氧基2 甲基1 ，2 二羟基丙烷，f e m a ：3 8 4 9 。它的口感和l 薄荷基丙 三醇醚类似例。( 高砂) 两者结构相似，都是多羟基醚，由于羟基的存在增加了物质的亲水性，使其具备良好的 水溶性，因而在l 薄荷醇的基础上凉味有所提升，但它又不像酯类化合物具有极性基团，因 而在挥发性上并没有显著的降低，凉味的整体和谐感增强，与其他凉味剂配合使用能达到非 常好的效果。 此外，具有代表性的醚类化合物还有3 l 薄荷醇乙二醇单醚，它具有类似薄荷醇的凉气 和薄荷香，能产生持久的清凉口感，主要用于烟草中，但至今未获得f e m a 的批准【2 1 。 1 1 1 3l 薄荷基甲酰胺类化合物 l 薄荷基甲酰胺类化合物的结构见图l - 4 ，虽然有报道称连接n 原子的烷基可以是甲基、 乙基、丙基、环己基等，但至今只有乙基的l 薄荷基甲酰胺获得f e m a 批准，而且也只有 它的味感最好。n 乙基l 薄荷基甲酰胺有极尖刻的凉味，在皮肤上施用有几乎冰凉的感觉， 有强烈的抑汗效果，因此获得i c e 一2 0 0 0 的商品名，f e m a ：3 4 5 5 1 0 1 ，上海香料所己开始生产。 ，、n h c h z c h 3 o o 图1 4n 乙基l 薄荷基甲酰胺 f i g u r e 1 - 4n e t h y l l - m e m o lf o r m a m i d e 1 1 1 4l 薄荷酮的缩酮化合物 l 薄荷酮的缩酮化合物是在l 薄荷酮的分子构型基础上开发的一类凉味剂，它和上述的 l 薄荷醇类凉味剂一样，都具有持续长效的凉感，几个具有代表性的化合物结构如下图1 5 ： gh 图1 5l 薄荷酮的缩酮凉味剂 f i g u r e 1 5t h ec o o l i n gc o m p o u n d so fl m e n t o n ek e t a l 崦 p 文：一 江南大学硕士学位论文 g 物质是l 薄荷酮乙二醇缩酮，至今未获f e m a 批准，在薄荷风味料中能提升薄荷样凉 感和香气i l 。 h 物质是l 薄荷酮丙三醇缩酮，f e m a ：3 8 0 7 ，消旋l 薄荷酮丙三醇缩酮f e m a ：3 8 0 9 ， 它几乎没有香气，在5 1 0 m g k g 的浓度下在v i 腔内可感觉到逐渐增强的凉感，咽喉也能很快 感觉到但略带刺激和烧灼感，慢慢凉感会持续增强经久不息，现在已经由h & r 和上海香料 研究所生产。 1 1 2w s 系列凉味剂 1 9 7 0 年以来，w i l k i n s o n 等人对凉味剂展开了广泛的研究，他们合成出近1 2 0 0 个具有凉 味活性的化合物【1 2 l ，这就是后来为人们所知的w s 系列凉味剂，其中包括在商业上取得成功 的w s 一3 、w s 5 和w s 2 3 等。它们的结构式如下图1 - 6 ： c n h c h 2 c h 3 o n h c h 2 c o o e t ，3 w s 。3 w s 5w s - 2 3 图1 6w s 系列凉味剂 f i g u r e 1 - 6w ss e r i e sc o o l i n gc o m p o u n d s w s - 3 即n 乙基l 薄荷基甲酰胺，它是l 薄荷基甲酰胺类化合物中凉味最纯正的，同时 也获得了f e m a 批准，在市场上的占有额大。w s 5 和w s 3 一样，由于w s 5 极性基团增加 使得它的挥发性和香气都相应的降低，因而在凉味上要显得更加长效持久。具有代表性的由 l 薄荷醇衍生的w s 系列凉味剂的结构见下图1 7 ： w s - 4w s 1 4冬 图1 7 由l 薄荷醇衍生的w s 系列凉味剂 f i g u r e 1 - 7w ss e r i e sc o o l i n gc o m p o u n d sd e r i v ef i o ml - m e n t o l w s 2 3 并不是由l 薄荷醇或者l 。薄荷酮衍生而来，它是一种全新结构的新型酰胺凉味剂， 它是脂肪族羧酸酰胺，整个碳链高度支链化，结构紧凑空间位阻大，它能产生强冲击性的凉 感，并持续作用于舌头和上颚，是一种广泛应用于食品、医药等领域的凉味剂，市场需求量 大。与w s 2 3 结构类似的新型酰胺类凉味剂的结构如下图1 8 ： n h ij k 图1 8 与w s 2 3 结构类似的新型酰胺类凉味剂 f i g u r e 1 8n e w a m i d ec o o l i n gc o m p o u n d sh a v es i m i l a rs t r u c t u r ew i t l lw s 一2 3 4 o3 sw 绪论 i 物质是w s 2 ，是本文合成的目标产物，它的凉感与w s 2 3 类似，无色无味，拥有持久 纯正的凉感，国外已普遍使用。 j 物质是2 0 0 7 年美国一篇专利中报道的一种用于须后水、刮胡泡沫中的凉昧剂，它能给 人一种冰爽畅快的凉感，以减少刮胡之后皮肤的紧绷与不适。 k 物质是n 甲基2 ，2 二异丙基丁酰胺，f e m a ：4 5 5 7 。它也是最近f e m a 认可的一种拥 有广阔应用前景的凉味剂。 1 1 3 伍烯胺酮类清凉化合物 人们对于a 烯胺酮类清凉化合物的关注源于德国的h o f m a n n 及其合作者发表的研究成 果，文纠1 3 】报道他们在天然麦芽中找到的4 甲基3 ( 1 吡咯烷基) 2 ( 5 h ) 呋喃酮，它的凉味在 口中的强度是薄荷醇的3 5 倍，在皮肤上的强度是薄荷醇的5 1 2 倍，持续时间是薄荷醇的2 倍， 鉴于其凉味强度大、持续时间长，人们对该研究给予了极大的关注。人们在研究过程中发现 了一些g t 烯胺酮类化合物具有凉味活性，但是在使用中的效果远没有预期的那么好。下面是 几种具有代表性的a 烯胺酮类清凉化合物的特性描述1 3 1 ，见下表1 2 ： 表1 2a 烯胺酮类清凉化合物的特性 t a b 1 2t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa e n a r n i n ek e t o n ec o o l i n gc o m p o u n d s 1 2 凉昧剂凉昧的作用机理 1 2 1 味觉的概念和分类 味感是食物在人的口腔内对味觉器官的刺激并产生的一种感觉。这种刺激有时是单一性 的，但多数情况下是复合性的。世界各国对昧感的分类并不一致，我国通常分成甜、苦、酸、 咸、辣、鲜、涩7 味；此外，还有些国家或地区的分类有凉味，碱味等。 从生理学的角度看，只有甜、苦、酸、咸4 种基本味感。它们是通过刺激味蕾细胞而感 知味道的。至于其他几种味感如碱味、金属味和清凉味等，一般认为不是通过直接刺激味蕾 细胞产生的【。 1 2 2 昧感的生理基础i 食物的滋味虽然多种多样，但它使人们产生味感的基本途径却很相似：首先是呈味物质 溶液刺激口腔内的味感受体，然后通过一个收集和传递信息的神经感觉系统传导到大脑的味 觉中枢，最后通过大脑的综合神经中枢系统分析，从而产生味感。 口腔内的味感受体主要是味蕾，其次是自由神经末梢。味蕾通常由4 0 1 5 0 个味细胞所组 成，不同的味感物质在味细胞受体上与不同的组分作用，味细胞后面连着传递信息的神经纤 维，这些神经纤维再集成小束通向大脑，再通过神经传导系统上几个独特的神经节，支配所 属的味蕾以响应食物的不同化学成分产生味觉。 5 江南大学硕士学位论文 1 2 3 昧的阈值 从人们对味的敏感性来看，它与味感强度有关，对于味感强度的测量和表达，目前一般 都采用品尝统计法，即选出定数量的味觉专家在相同条件下进行品尝评定，得出其统计值， 并采用阈值作为衡量标准。所谓阈值是指能感受到该物质的最低浓度。 阈值根据其测定方法的不同，可分为绝对阈值、差别阈值和最终阈值。绝对阈值又叫感 觉阈值，是指一种感觉从无到有的刺激量，通常是配制一系列差别极小的递增浓度水溶液来 供品尝小组评定；差别阈值是指将某一给定刺激量变更到显著刺激时所需的最小量；最终阈 值则是指某味感物质达到一定量后即不再增加刺激强度的溶液浓度。它们都可按需要用来表 达味感物质的敏感性。 1 2 4 味觉机理 目前人们对视觉和听觉产生的机理已有较深入的了解，而对味觉机理的研究尚处于探索 阶段，有关味觉的学说也很少。现在人们普遍认为，食物与味受体的结合是在味细胞膜表层 进行的一种松弛可逆反应。 我国学者曾广植【l j 在总结前人研究成果后，于8 0 年代初期提出了味细胞膜的板块振动模 型。他认为，味感始于呈味物质与味受体的结合，引起受体构象改变，产生量子交换，受体 所处板块的振动受到激发，跃迁至某特殊频率的低频振动，然后通过其他相似板块的共振传 导，就成为神经系统所能接受的信息。按照这个低频振动理论，不同结构的呈味物质之所以 会产生相同味感，在于它们能使相同的受体板块产生相同的振动频率范围。据计算在口腔温 度下清凉味振动频率约为2 1 0s - 1 ，然后通过其它相似板块共振传导为神经系统所能接受的信 息。 最近研究表吲悼1 6 】，皮肤和粘膜表面清凉味感既不是来自清凉化合物挥发，也不是血管 扩张所致，在皮肤表面和口腔内并没温度变化，而是通过： 1 ) 在口腔和皮肤表皮基层中存在清凉感觉受体，如皮肤清凉感觉受体位于皮肤表层下约0 1 0 2m m 处： 2 ) 接受域直径约1m m 或更小些； 3 ) 清凉感觉受体可被化学试剂，如l 薄荷醇刺激激发； 4 ) 引起放电现象。当温度降低时，放电频率会增加，温度变化范围即使小至0 1 也能引起 放电频率改变，但当温度低于1 3 时，受体系统发生改变会出现疼痛感。 另外，用薄荷醇对猫进行试验表明，让薄荷醇作用在猫舌神经上，发现该舌神经上冷纤 维会被激发产生火花。进一步对猫舌头上清凉感觉受体放电活动研究，表明静脉内施用薄荷 醇溶液会诱导清凉感觉受体放电活动增加。清凉感觉受体上放电现象可因静脉内注射钙离子 而消失，这表明薄荷醇可通过抑制清凉感觉受体钙离子流出而引起受体去磁化和增加神经放 电。可见薄荷醇通过影响钙离子在细胞膜上运动而对清凉感觉受体产生作用。这就是目前凉 味剂的凉味作用机理l l 。 1 3 凉昧剂的化学结构特性 1 9 7 0 年在r o yr a n d o l p h 的领导下，w i l k i n s o ns w o r d 等人对具有凉味活性的化合物展开 了广泛的研究。在这个期间h u 曲r w a t s o n 和他的合作者合成出了近1 2 0 0 种有凉味活性的化 6 绪论 合物。w a t s o n 对化合物的凉感与结构之间的关系进行系统研究后提出，凡是具有凉味活性的 化合物其分子结构都应该满足以下4 个要求【1 2 】： 1 ) 具有氢键组，其中最有效的氢键组是羟基、n 二烷基羰基胺、硫氧化物、磷化氢氧化物。 氢键组是化合物具备凉味活性所必须的，而且此氢键组必须含有1 个氧原子能够作为一个 氢键的接受体。下表所示为一些具有凉味活性的功能基团并对基团所具有的凉味活性进行 了评价，见下表1 3 ： 表1 - 3 功能基团的凉味活性 t a b 1 3t h ec o o l i n ga c t i v i t yo ff u n c t i o ng r o u p 功能基团评价 羟基_ o h n 烷基酰胺，- c o n h r n ，n 二烷基酰胺，- c o n r 2 硫氧化物，- s ( o ) r 磷化氢氧化物，= p ( o ) r 羧基，c o o h 酰胺，c o n h ， 羟烷基酯，- c o o c 。h 2 n o h 脲，- n c o n r 2 硫酯，s o ，r 硫胺，- s o n r 2 s o n r 2 醚，一o r ；酮，- c ( o ) r ；t 酯， - c o o r ，氯化物，- c i ；胺， - n h ， 它是薄荷醇的氢键组，同样也是一种非常强的氢键组能带给化合物很强的 凉味活性 可能是最有用的功能基团，具有此基团的化合物具有挥发性，而且变化各 异的r 基团能使化合物达到一个理想的亲g g 水平衡 具有此基团的化合物的凉味活性很强，但是其中很多都具有挥发性 能使化合物具备很强的凉味活性，但是由于其结构的不稳定性使得应用受 到很大的限制 它是强的氢键组，能使化合物具有强而有效的凉感，但有机磷化合物普遍 被怀疑具有毒性，但磷化氢氧化物的毒性尚不能确定；在热力学上磷化氢 氧化物非常稳定，化学反应活性也很低 化合物凉味活性较弱，在碱性环境下活性会降低 化舍物凉味活性较弱 如果羟基在2 号位，化合物的凉味活性就是中等强度 有些化舍物具有凉味活性 它是中等强度的氢键组，但是化合物的凉味活性很低 它是中等强度的氢键组，但是化合物的凉味活性很低并且夹杂着很重的苦 味 化舍物凉味活性很低，而且有些不稳定 这类g , c t g g 没有赋予化合物凉味活性，这可能是由于它们接受氢键不稳定 的缘故 2 ) 具有紧密的碳氢构架 通过n 烷基甲酰胺来充分考察碳氢构架与化合物的凉味活性之间的联系，从图1 - 9 中可 以看到各种碳氢构架，它们都是有( x ) 基团的n 烷基甲酰胺，而且它们都具有非常强的凉 味活性。值得注意的是，这些化合物的碳氢架构都是高度支链化的，对于很多凉味活性很好 的化合物，它的功能基团都连接着高度支链化的碳，或者是连在高度支链化的碳旁边的碳上。 如果功能基团与高度支链化的碳间隔一个c h 2 基团，那么它的凉味活性将会大大的降低，如果 间隔两个c h 2 基团，那么它的凉味活性几乎完全丧失。 对于除了n 烷基以外的其他功能基团，结果也是类似的。 7 江南大学硕士学位论文 垒x 钵 咚驰吠 长# 书 图1 - 9 当x 是n 烷基时具有很强的凉味活性的碳氢架构 f i g u r e 1 9t h es t r u c t u r eh a v eas t r o n gc o o l i n ga c t i v i t yw h e nt h e i sn a l k y l 3 ) 正确的亲水疏水平衡 对于具有很强凉味活性的化合物，它们本身都必须具有一个合适的亲水疏水平衡。这个 平衡被认为在与化合物受体的接触方面是非常重要的。衡量这种亲水疏水平衡最普遍的方法 就是利用h a n s c hl c g p 这个数值，其中p 是化合物在正辛醇和水中的分配系数。l o g p 是衡量 化合物穿过生物膜完成物质交换的重要参数，尤其是皮肤。具有非常强的凉味活性的化合物 它的l o g p 数值一般在1 5 4 o 之间，而且基本所有的具有凉味活性的化合物它们的l o g p 数值 在1 0 5 0 之间。 4 ) 相对分子质量在1 5 0 3 5 0 之间 如果一个碳氢构架能产生很强的凉味活性，那它必然与一个强的氢键接受功能基团相连， 如果它的l o g p 数值正好对应于凉味剂的区域，那么我们会发现它的分子量介于1 5 0 3 5 0 。用 化合物分子量衡量物质是否具有凉味活性的标准相对于前面的三个标准没有那么严格，但可 以肯定的是它增加了分子的亲水疏水平衡而使化合物具有凉味活性。 对于各种凉味剂来说，除了明显的致凉效果，都有一定程度的味道和气味修饰，凉味物 质并没有通用的性质。它们是一类化学类型很广范的化合物，物理性质也是各种各样。它们 大部分都能溶于有机溶剂，溶解性当然也取决于它们的l o 妒数值，而且大部分在水中的溶解 度都相对有限。其中醇和n ，n 二烷基甲酰胺一般都具有挥发性，并且都有一定的气味，其他 类型的化合物具有低的挥发性但没有味道。 1 4 凉味剂的用途 凉味剂由于能赋于清凉、新鲜等感觉，具有提神、醒脑作用，所以在食品、日用品、化 妆品、香料香精、医药、烟草、服饰、养殖等行业中都有广泛应用。 1 ) 在食品工业，清凉化合物被广泛应用于饮料、奶制品、口香糖、各种口腔含片等产品，让 人产生持久纯正的清凉感，起到怡神醒脑的作用，同时还有清热、解渴、降火、加深呼吸、 除燥、安神、通便、抑菌、止痛等功能1 1 8 - 2 2 1 ； 2 ) 在日用品、化妆品香料香精业，各种清凉化合物可用于调配各种清凉香精，清凉剂可按香 精正常添加量应用于各种日用品( 如洗发香波、沐浴露、除臭剂、身体清洁剂、牙膏、嗽 口液和空气清洁剂等) ，赋予它们所需的清凉感和新鲜感，使肌肤感到冰爽、清新的舒适 感： 8 绪论 3 ) 在卷烟工业，卷烟用凉味剂经常被制造成微乳液，例如一种薄荷脑微乳液，使用该微乳液 生产的卷烟无杂气和异味，在室温条件下存放一年以上，卷烟抽吸时，薄荷味释放均匀适 中，让人感觉心情舒畅，有提神醒脑的作用； 4 ) 在医药工业，清凉化合物被用于减轻搔痒症状、疼痛和缓和病人情绪【1 8 2 0 】； 5 ) 在养殖业方面，尤其是在非洲或者一些热带国家开始在饲料中使用凉味剂，以提高猪、牛、 鸡等畜禽的成活率和生长率，从而提高养殖效益 2 1 - 2 2 6 ) 凉昧剂也可用于驱虫。有报道说，一些凉味剂具有驱虫的效果。奇华顿发现w s 3 及其 n 位的替代化合物的驱虫效果好。同样，最近发现对薄荷基3 ，8 二醇也有驱虫效果。 q u w e r d i n g ，它是一个非常有名的以桉叶素为基础制作的驱虫产品，其中包含了对薄荷基 3 ，8 二醇( p m d ) 、异胡椒薄荷醇、香草醇。 1 5 凉昧剂的研究进展 薄荷醇是人们最熟悉的凉味剂，具有清新的凉味、价廉且易得等优点，广泛应用于日化、 食品、烟草、医药及个人卫生品等产品中。但随着人们对凉味制品的要求不断提高，薄荷醇 的不足和缺点也暴露出来，在研究中人们慢慢发现左旋构型的薄荷醇和薄荷酮具有很好的凉 味活性，于是从2 0 世纪6 0 年代人们就陆续对薄荷醇和薄荷酮的分子构型进行改造，修饰， 合成出了许多具有凉味活性的化合物。 1 9 6 3 年，b r o w n & w i l l i a m s o n 将丁二酸单薄荷酯作为卷烟香味添加剂申请专利【2 4 l ，3 5 年 后v m a n ef i l s 才将该化合物作为凉味剂申请专利【2 5 】，f e m a ：3 8 1 0 。另一个与它相似的凉 味剂戊二酸单薄荷酯最近也为f e m a 认可( f e m a ：4 0 0 6 ) ，但对其应用却很少有文献报道。 这两种凉昧剂可用薄荷醇与相应的二酸直接酯化制得，更好的方法是利用薄荷醇与相应的二 酸酸酐反应制得【2 6 j 。 1 9 6 8 年，l i g g e t t & m y e r s 的一份专利介绍了一氯甲酸薄荷酯与多羟基化合物反应生成碳 酸酯作为卷烟香味添加剂，其中包括薄荷醇甘油碳酸酯、薄荷醇乙二醇碳酸酯( f e m a ：3 8 0 5 ) 和薄荷醇丙二醇碳酸酯( f e m a ：3 8 0 6 ) 。这类化合物的合成是薄荷醇先与光气反应生成一氯甲 酸薄荷酯，然后与甘油、乙二醇或者丙二醇反应制得。但是，薄荷醇乙二醇碳酸酯和薄荷醇 丙二醇碳酸酯在工业上很少应用l z 6 1 。 另一个非常重要的薄荷酯类产品，在商业上获得了成功，它就是乳酸薄荷酯，在1 0 0 多 年前人们已经合成出了乳酸薄荷酯( s y m r i s e ，f r e s c o l a t ，f e m a ：3 7 4 8 ) ，但直到二十世纪7 0 年代之后才作为凉味剂使用。该化合物可直接通过乳酸和薄荷醇酯化制矧z ”。 19 7 0 年，在r o yr a n d o l p h 的领导下，w i l k i n s o ns w o r d 等人对这个课科展开了广泛的研 究。在这个期间h u 曲r w a b o n 和他的合作者合成出了近1 2 0 0 种有凉味活性的化合物，这就 是为人们所熟知的w s 系列凉味剂。在这些化合物中，有二个被成功的商业化了，w s 3 ( n 乙基- 对薄荷基3 甲酰胺) 和w s 2 3 州甲基2 ，3 二甲基2 异丙基丁酰胺) 。 w s 一3 为几近无色的白色晶体，主要用于如医药、口腔护理、糖果中的制凉剂。它能产生 更具冲击的、清新持久的香气，有轻微的酒精味及凉味。 对于薄荷醇构型的w s 系列凉味剂，合成这类化合物的关键中间体是对薄荷基3 甲酸 ( w s 1 ) ，该化合物是以薄荷醇为起始原料，经氯代、格氏反应制得【z 引。w s 1 再与氯化亚砜 9 江南大学硕士学位论文 奎銎人么如刨。 = 4 名专s _ 忆2 | k 一洲删舯。日 妥洲一妥h 一壬c o c 骂斗之n c l o 绪论 - 4 i ，c n 叉 三醋酸甘油酯 面菇 竺兰少 酸 羚毗 图1 1 2 合成w s 2 3 的新方法 f i g u r e 1 - 12t h en e wm e t h o do fs y n t h e s i z i n gw s 2 3 到了9 0 年代，又有一批凉味剂被合成出来并被很好的应用于商业领域。这其中包括薄荷 酮甘油缩酮，它的商品名为f r e s c o l a tm g a ，是缩酮类凉味剂中很重要的一个产品。它由 s y m r i s e ( 德国德之馨香精香料有限公司) 于1 9 9 3 年申请了专利，它是在酸催化条件下由薄荷酮 与甘油缩合而成。它有两个产品，一个是左旋，一个是消旋的，在商业上应用的是左旋产品。 1 9 9 7 年，高砂在一篇专利中报道了一种薄荷醇醚类凉味剂，它就是3 薄荷氧基2 甲基1 ， 2 丙二醇( f e m a 3 8 4 9 ) ，但它在商业上的用途却很少有文献报道。此后，高砂公司又开发出 了一种基于t k 1 0 的凉味剂，它就是t k 1 0 香兰素缩醛。它是t k 1 0 在酸性条件下与香兰素 缩合脱水制得。 2 0 0 1 年1 1 月，德国的h o f f m a n n 1 3 】及其合作者发表了他们在天然麦芽中找到的环甲位烯 胺酮类凉味剂4 甲基3 ( 1 吡咯烷基) 2 1 5 h 1 呋喃酮，但在2 0 0