Furaneol CAS 3658-77-3

1. Giả thuyết tổng hợp Furanone trong dâu tây

Hình 1 Giả thuyết về con đường sinh tổng hợp furanone trong quả dâu tây. 4-Hydroxy-5-metyl-2-methylene-3 (2H) -furanone HMMF; 4-hydroxy-2, 5 - dimethyl-3 (2 h) -furanone HDMF; Dâu quinone oxyoreductase (FaQR); F. Ananassa ketone oxyoreductase FaEO; F. Ananassa O-methyltransferase FaOMT.

Sau đó, tinh chế một phần enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp HDMF. Sự phân bố hoạt động của enzyme được quan sát có liên quan đến sự hiện diện của một peptide duy nhất. Phân tích trình tự cho thấy enzyme này hoàn toàn giống với trình tự protein của quinone oxyoreductase phụ thuộc auxin trưởng thành có thể cảm ứng được (FaQR). Protein FaQR được biểu hiện chức năng ở Escherichia coli và xúc tác cho sự hình thành HDMF. 4-hydroxy-5-methyl-2-methyl-3 (2H) - furanone (HMMF) được xác định là chất nền tự nhiên của FaQR và là tiền chất của HDMF (Hình 1).

FaQR xúc tác quá trình khử các liên kết không bão hòa alpha và beta trong ketene HMMF có khả năng phản ứng cao, sau này được đổi tên thành F Ananassa ketone oxyoreductase (FaEO). FaEO không làm giảm các liên kết đôi của chuỗi thẳng 2-enal và 2-enal mà thay vào đó hydro hóa một số dẫn xuất HMMF được thay thế bằng các nhóm chức methylene. HMMF cũng được phát hiện trong quả cà chua và quả dứa, cho thấy HDMF được tổng hợp thông qua các con đường tương tự ở các loại quả khác nhau. Nhân bản Solanum lycopersicon EO (SlEO) từ cDNA và xác định protein tái tổ hợp. Các nghiên cứu sinh hóa đã xác nhận rằng SlEO có liên quan đến sự hình thành HDMF trong quả cà chua. So với hai chất khử không flavone phụ thuộc NAD (P) H khác, FaEO và SlEO thể hiện phổ cơ chất hẹp hơn. Cho đến gần đây, để làm sáng tỏ cơ chế phân tử của phản ứng đặc biệt được xúc tác bởi FaEO, cấu trúc tinh thể của nó được xác định ở sáu trạng thái hoặc phức chất khác nhau, bao gồm các phức chất với HDMF và ba chất tương tự cơ chất. Kết quả chỉ ra rằng hydrua 4R của NAD (P) H được chuyển sang carbon vòng ngoài C-6 chưa bão hòa của HMMF, tạo thành chất trung gian enol không hoạt động về mặt quang học, sau đó trải qua quá trình proton hóa để tạo thành HDMF.

Điều đáng chú ý là một số báo cáo cho thấy rằng việc sản xuất furanone có thể không phải là hoạt động trực tiếp của quá trình trao đổi chất ở thực vật mà là nỗ lực chung của cây dâu tây và một loại vi khuẩn có liên quan - Methanobacteria. Tuy nhiên, lộ trình đề xuất không thuyết phục vì có nhiều báo cáo mâu thuẫn nhau về các bước cuối cùng của HDMF và DMMF, đồng thời các thí nghiệm đánh dấu không hỗ trợ việc chuyển đổi các sản phẩm trung gian được đề xuất là lactose và 6-deoxy-D-fructose{{4} }photphat thành furanone.

2. Tổng hợp nấm menFuraneol

Là thành phần hương vị chính của nước tương lên men, HEMF lần đầu tiên được phân lập từ nước tương lên men. Sự hình thành HEMF được thúc đẩy bằng cách nuôi cấy nấm men chịu mặn Zygosaccharomyces rouxii trong môi trường chứa các sản phẩm phản ứng của ribose và glycine aminocarbonyl (Mailard). Cơ chế của hợp chất được nghiên cứu bằng cách sử dụng các đồng vị ổn định của nó. Bộ xương ngũ giác và methyl chuỗi bên của HEMF có nguồn gốc từ ribose, trong khi nhóm ethyl có nguồn gốc từ D-glucose hoặc acetaldehyde. Vai trò của nấm men trong việc hình thành HEMF không chỉ là cung cấp chất chuyển hóa D-glucose (acetaldehyde) mà còn liên kết các sản phẩm phản ứng Maillard với chất chuyển hóa D-glucose.

Sau khi ủ với một số cacbohydrat photphat, người ta phát hiện thấy sự hình thành HMF trong dịch chiết tế bào chất của Saccharomyces cerevisiae. Vì HMF được hình thành một cách tự nhiên từ ribulose-5-phosphate thông qua chất trung gian Maillard 4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione, nên có thể giả định rằng ribulose-5-phosphate được tạo ra bằng enzyme trong chiết xuất tế bào chất và sau đó được chuyển đổi thành HMF thông qua các phản ứng hóa học. Giả thuyết này đã được xác nhận bằng việc sản xuất hydroxymethylfurfural trong hỗn hợp chứa các enzyme và đồng vị có bán trên thị trường có nhãn D-glucose-6-phosphate. Điều thú vị là HMF đã được xác định là phân tử tín hiệu ngoại bào Al-2 được xúc tác bởi enzyme LuxS và đóng vai trò trong giao tiếp giữa các vi khuẩn. Sự hình thành hóa học của Al-2 từ 5-phosphate ribulose cũng có thể xảy ra trong cơ thể, đây có thể là lý do dẫn đến hoạt động giống Al{11}}ở các sinh vật thiếu gen luxS.

Quá trình hình thành HDMF ở nấm men Z. rouxii trong các điều kiện nuôi cấy khác nhau đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng D-1,6-diphosphate fructose làm nguyên liệu thô. Khi D-1,6-diphosphate fructose được sử dụng làm nguồn carbon duy nhất, sự phát triển của nấm men Z. rouxii và sự hình thành HDMF là không đáng kể. Mặc dù tế bào nấm men Z. rouxii phát triển trong môi trường có D-glucose là nguồn carbon duy nhất, HDMF chỉ được tạo ra khi thêm D-fructose-1,6-diphosphate. Mức HDMF có mối tương quan nhất quán với số lượng tế bào nấm men và nồng độ D-fructose-1,6-diphosphate. Sau khi thêm 1-13CD-fructose-1,6-diphosphate, chỉ HDMF có nhãn duy nhất được tạo thành, trong khi sau khi thêm 13C6-D-glucose, furanone không nhãn được tạo thành. Do đó, carbon của HDMF hoàn toàn có nguồn gốc từ D-fructose-1,6-diphosphate ngoại sinh. Giá trị pH cao hơn của môi trường nuôi cấy có tác động tích cực đến sự hình thành HDMF, nhưng nó có thể làm chậm sự phát triển của tế bào, vì vậy giá trị pH tối ưu là 5,1. Căng thẳng muối đã kích thích sản xuất HDMF. Thêm o-phenylenediamine (thuốc thử bắt giữ chất trung gian - dicarbonyl (Mailard)) vào môi trường nuôi cấy có thể tạo ra ba dẫn xuất quinolone có nguồn gốc từ D-fructose-1,6-diphosphate. Việc xác định cấu trúc này lần đầu tiên đã xác nhận sự hình thành hóa học của 1-deoxy-2,3-hexadisase-6-phosphate, một chất trung gian trong con đường hình thành HDMF được nhiều người mong đợi nhưng chưa bao giờ được phát hiện. Do thực tế là HDMF chỉ có ở Z. Nó được phát hiện với sự hiện diện của tế bào Rouxii, do đó người ta cho rằng có nhiều bước enzyme liên quan hơn. Ở nhiệt độ môi trường xung quanh, HDMF cũng có thể được tạo ra về mặt hóa học trong dung dịch chứa D-fructose-1,6-diphosphate và NAD (P) H. NAD (P) H là cần thiết và việc áp dụng các tiền chất được dán nhãn chỉ ra rằng hydrua của xương sống D-fructose-1,6-diphosphate được chuyển sang C-5 hoặc C-6. Các quá trình sinh học và hóa học tạo ra HDMF từ D-fructose-1,6-dường như cũng đi theo một lộ trình tương tự.

Các sản phẩm tự nhiên có hoạt tính quang học thể hiện sự dư thừa chất đối quang độc đáo trong quá trình sinh tổng hợp do tính chọn lọc lập thể và phản ứng xúc tác enzyme. Mặc dù người ta kỳ vọng rằng HDMF sẽ được tạo ra thông qua sự kết hợp giữa nấm men Z. rouxii và enzyme trái cây, hợp chất xuất hiện tự nhiên là chủng tộc. Sự phân biệt chủng tộc nhanh chóng của HDMF giải thích hiện tượng này là do tính chất tautome của ketoenols. Phân tích điện di mao quản 1H-NMR và bất đối của sự trao đổi proton deuterium trên vòng furanone của C-2 cho thấy tốc độ racemic hóa của HDMF là thấp nhất ở pH 4-5. Do đó, để xác minh sự hình thành enzyme của HDMF, chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm ủ với chiết xuất nấm men Z. rouxii và protein dâu tây ở pH 5. Sự hình thành HDMF được làm giàu đối quang đã được xác nhận trong cả hai thí nghiệm, trong khi racemic furanone được phát hiện trong điều kiện pH trung tính. .

3. Vi khuẩn tổng hợp furanone

HDMF được phát hiện sau 4 ngày nuôi cấy Pichiacapsulata trên môi trường peptone casein có chứa L-rhamnose. Phân tích khối phổ tỷ lệ đồng vị ổn định đã xác nhận rằng L-rhamnose là nguồn carbon của HDMF. Thí nghiệm theo thời gian dẫn đến giả thuyết rằng HDMF được hình thành bởi một chất trung gian do Pichia pastoris tạo ra trong quá trình khử trùng bằng nhiệt của môi trường nuôi cấy, như đề xuất của nấm men liên hợp Lutheran. Tương tự, trong kết quả phản ứng Maillard, HDMF được phát hiện trong môi trường được điều chế bằng cách đun nóng đường và axit amin. Trong cùng môi trường lên men, hàm lượng HDMF cũng tăng lên nhờ quá trình lên men của Lactococcus lactis subsp. hỏa táng.

4. Tóm tắt quá trình tổng hợp furanone

3 (2H) - hợp chất furanone có ngưỡng mùi thấp và đặc tính mùi thơm hấp dẫn, khiến chúng trở thành những hóa chất thơm quan trọng. Chúng được hình thành về mặt hóa học từ các loại carbohydrate khác nhau trong phản ứng Maillard, và do đó tồn tại trong nhiều loại thực phẩm chế biến sẵn, góp phần tạo ra mùi thơm. Nhưng furanone cũng có thể được sản xuất bởi nấm men, vi khuẩn và thực vật và chức năng sinh lý của nó có thể liên quan đến hoạt động oxy hóa khử. Mặc dù các loại đường deoxysugar như L-rhamnose là tiền chất hiệu quả của HDMF trong phản ứng Maillard, nhưng D-1,6-diphosphate fructose đã được xác định là tiền chất tự nhiên trong trái cây. Trong quả dâu tây, carbohydrate được phosphoryl hóa được chuyển đổi thành HMMF bằng cách loại bỏ photphat và nước, và cuối cùng HMMF bị khử thành HDMF bởi FaEO (FaQR). Quá trình methyl hóa HDMF dẫn đến sự tích tụ DMMF và được xúc tác bởi FaOMT. Nhìn chung, tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong việc làm sáng tỏ con đường sinh tổng hợp furanone tự nhiên ở vi sinh vật và thực vật do ứng dụng tiền chất có nhãn đồng vị. Trong tương lai gần, việc hiểu được trình tự bộ gen của dâu tây rừng sẽ giúp phát hiện các gen bị thiếu con đường HDMF và hệ thống hình ảnh cải tiến sẽ giúp xác định vị trí furanone nội bào. Hiểu biết về các gen và enzyme liên quan sẽ cung cấp nền tảng cho việc sản xuất furanone tự nhiên thông qua công nghệ sinh học.