香精与香料(33)—沉香螺醇与沉香油

中文名：沉香螺醇

英文名：Agarospirol

分子式：C15H26O

分子量：222.37

化学结构：

熔点：56.00至58.00 ℃

沸点：311.00至312.00 ° C

闪点：238.00 ° F。TCC（114.44℃）

植物来源

白木香 Aquilaria sinensis

沉香 Aquilaria agallocha.

化学成分分析

沉香螺醇属于倍半萜类化合物，由3个异戊二烯单位的碳链形成的二环萜类化合物。在白木香、沉香中以醇的形式存在于挥发油中，属于分子中含15个碳原子的天然萜类化合物，分子结构中含有一个含氧醇基，故可细分为属于倍半萜醇类化合物。

关于沉香的介绍

沉香是一种具有非常特殊气味的精油。几乎没有两种油会有完全相同的气味：有时是皮革味，有时是烟熏味，有些甚至有水果味，有些则闻起来有点俗。其原因来自于它的生产方式。沉香并不是真正从植物中蒸馏出来的，而是从一种真菌和一种植物之间的复杂互动中产生的。当原产于东南亚的Thymelaeaceae树种Aquilaria sp.或Gyrinop sp.受伤时，有时会产生沉香木，这是一种芳香的深色油性木材。这种木材的形成过程还不是很清楚，需要相当长的时间。这阻碍了种植，并使这种材料很难找到。这些因素也给保护和资源管理带来了困境。这种稀有性也对沉香油产生了另一个影响：价格高。目前，沉香油可能是市场上最昂贵的产品之一，有时一毫升（约为一盎司的1/33）可卖到400美元。它在中东和亚洲的香水和宗教仪式中非常珍贵。

如前所述，由于宿主和潜在病原体的多样性，沉香油的变化很大。然而，这些油的特点大多都是存在β-沉香呋喃，沉香螺醇和这些分子的衍生物（图1）。沉香精油的另一个特点是存在一种色酮，即巨盘木色原酮(Flindersiachromone)，但其浓度并不总是足以被检测到。在木材中还有许多其他相关的色原酮，但它们太重，含氧量太高，无法在精油中发现。这种油的另一个特点是我们对它知之甚少。稀有性、成本和其他多种因素使得从纯科学的角度来研究这种油非常困难，因此有很多未知的化合物。在一个样品中只有30%的化合物被确认，这并不意外。

关于这种珍贵的精油和沉香本身，已经有许多研究（截至2011年，关于所有报告的化合物的全面综述已经发表[1]）。这种材料的化学成分非常奇特，并导致一些在其他地方很少发现的分子。以下是一些在多项研究中被一致报道的化合物，因此可以认为是沉香的特征。

图1 沉香木油中主要成分及其结构

苄基丙酮(Benzylacetone)是沉香油和提取物中最常见的报告成分之一[1]。沉香油中还有许多其他数量较少的酚类物质，但这是主要的一种。奇怪的是，根据The Good Scents Company[2]的说法，尽管有香脂的香味，但这种化合物却有草莓的味道。据观察和报告，它在沉香油中的含量从0.5%到8%不等，并被报告为其特征性的香气决定性化合物之一[3]。

苄基丙酮被怀疑是沉香中另一个非常重要的代谢过程的 "副产品"，导致了一系列的2-苯乙基色酮的生成[4]。这些较重的酚类化合物绝大部分都没有挥发到精油中，但在色谱图的最末端经常会发现少量的巨盘木色原酮(Flindersiachromone)。这组色酮对沉香来说是非常特殊的，由于一些有趣的生物特性，多年来吸引了大量的研究兴趣[5]。

β-沉香呋喃(β-Agarofuran)是沉香油中另一种突出的、经常被提及的成分。它可以占到精油的14%。据报道，它是沉香油的主要香气贡献者之一，具有木质和坚果的气味[3]。

Jinkoh-eremol和valenca-1(10),8-dien-11-ol是沉香中发现的少数几个罕见的emophilane型倍半萜醇和酮。它们说明了化学家几十年来对这种油的特殊化学性质的研究结果，特别是在亚洲东部[1]。Jinkoh-eremol常常由于凝聚物而难以发现，但据报道在油中高达11.5%，而根据我们目前的数据，Valenca-1(10),8-二烯-11-醇可占其中的5.2%。需要注意的一个重要问题是，这些化合物不是主要的商业质谱数据库的一部分。这使得它们在不挖掘科学文献的情况下更难识别，如果它们没有被列在沉香油分析报告中，你不应该担心。

沉香螺醇是我们想提到的最后一种有趣的倍半萜醇，因为它的分子框架不太常见。它属于被称为vetispiranes的家族，在香根草油中也是异常的丰富。随着时间的推移，在沉香油中还发现了其他类似的倍半萜类物质，其名称令人振奋，如2,14-epoxyvetispira-6(14),7-diene [1]。沉香螺醇也有趣地存在于一些天竺葵油中，它也可以与沉香木共同拥有10-表-γ-桉叶油醇的存在。

总的来说，沉香可以包含几十种不寻常的甚至是未知的倍半萜类物质，而且不同批次之间有相当大的差异。不言而喻，这种植物材料仍然有些未知之处，需要持续的科学关注。

沉香产香机制的研究进展

沉香中植物与微生物相互作用的产香机制是一个极其迷人的现象。沉香的生产仅限于南亚和东南亚的少数地区，那里的潮湿气候有利于真菌的生长。沉香组织本质上是柔软的。因此，食草动物容易对其造成伤害，使遗传上易受影响的沉香植物长期受到真菌的感染和发酵，从而导致优质沉香的产生。图2描述了这种经过几个世纪的共同进化而建立起来的复杂关系，它提出了宿主-病原体之间的相互作用模型。在本研究中，镰刀菌-沉香木的相互作用表明，在涉及蜡和角质层屏障的生物压力反应中看到了典型的感知-反应机制，自由脂肪酸的细胞动力学导致氧化应激和脂氧合酶（LOX）途径的激活。然而，从香气的角度来看，与树脂状的沉香木片的发酵相比，结香组织和幼年植物之间的真菌互作致使产生较少的萜类化合物。已经发现，与愈创组织有关的信号是强烈表达倍半萜合成酶基因的关键前提条件。在最近的一项研究中，发现对沉香树悬浮培养物进行热冲击（模仿沉香树的烧凿钻孔法），可以诱导茉莉酮酸信号，从而形成沉香木的倍半萜。乙酰CoA处于初级和次级代谢的标记点。蜡的生物合成、脂氧合酶、茉莉酸盐途径和甲羟戊酸途径都从乙酰CoA开始。因此，在沉香木与真菌的相互作用过程中，这一点以及MVA和MEP途径开始时的调控机制（以及它们的交叉作用）决定了倍半萜的形成。有必要对关键代谢物的形成进行详细的时间点研究（如沉香螺醇、角鲨烯等的水平）。关键的沉香木esquiterpenes在体外结香组织与真菌的相互作用中没有被检测到，其原因可能会被这种研究所揭示。然而，这项研究首次使人们关注到真菌代谢产物（如十二烷、4-甲基-二十四烷）和非萜类成分（如酯类、醇类）对沉香独特香气的贡献（如赋予固定特性的3-十七醇）。此外，通过体外共同培养和发酵，积累了沉香木香气中迄今未知的芳香分子。这为开发新的沉香香气提供了独特的、令人兴奋的可能性，可以在商业上加以利用。从机制的角度来看，在相互作用过程中出现的具有生态学意义的半化学成分（如信息素）指出了沉香木生产的一个重要方面。在阿萨姆(Assam)沉香的情况下，昆虫蛀虫（Zeuzera conferta）的参与是众所周知的。蛀虫在啃食沉香木时，会钻进沉香木的茎部，然后沿着蛀虫走过的路径出现黑色的树脂沉积物。在昆虫介导的沉香木内部组织（心材）的真菌定植中，半化学成分是否有作用，这是一个重要的问题，需要适当的研究。了解生物的相互作用（植物-真菌-昆虫）可以加强对新型生物香料的研究，并回答在相互作用过程中导致香气化合物形成的复杂的代谢途径调控的基本问题。[6]

图2 芳香沉香是真菌与植物相互作用的结果。采用植物-病原体相互作用的布局来总结研究结果。沉香和镰刀菌在界面上的遗传和代谢机制的复杂调节导致了防御、次级代谢相关途径（脂氧合酶、茉莉酮酸、蜡质、甲羟戊酸）和代谢物的调节。通过基于GC-MS的分析和相关网络分析对代谢表型进行比较，发现萜类化合物、蜡、挥发物、半化学物和其他关键代谢物（沉香木倍半萜）的水平发生了变化，这些代谢物具有沉香木香气的化学特征。[6]

产自不同区域的沉香化学组成的比较分析

来自不同地理区域的沉香样品被制备出来，并使用GC-MS进行测试。挥发性成分和有效成分的相对百分比被确定下来，并列于表1。

表1 产自不同区域的沉香化学组成的比较分析

沉香木的化学成分已被广泛研究。来自中国的沉香木的化学成分与进口沉香木大致相同。对不同地区的沉香醇提取物进行分析，发现其中含有挥发油、倍半萜、2-(2-苯乙基)色酮、脂肪酸等成分。其中，沉香中的主要挥发油成分是倍半萜类和芳香族化合物。2-(2-苯基乙基)色酮是一种特征成分，证实沉香亚科(subfamily Agaraceae)是一个独立的亚科，而其前体二苯戊酮广泛存在于百里香科(Thymelaeaceae)的植物中。

从不同地区获得的所有沉香木的有效成分包括倍半萜类、芳香类和色原酮类化合物。例如，在马来西亚沉香中，色原酮化合物占总含量的2.77%，而在印度尼西亚沉香中，色原酮化合物和沉香螺醇分别占总含量的0.61%和0.49%。在越南沉香中，沉香螺醇和2-(2-苯乙基)色原酮及其衍生物的比例分别为0.66%和0.41%。在中国沉香木中的色原酮化合物的比例是最高的(2.93%)。

据报道，倍半萜类化合物具有抗神经炎症的特性，而芳香类和色原酮类化合物对人类胃癌细胞有抑制作用。根据以前的研究，沉香木形成的防御反应机制（图3），可以由物理损伤、化学损伤、真菌感染或诱发剂诱发，如图4所示。色原酮化合物2-苯乙基-苯并吡喃是诱导沉香木形成的诱因。沉香木样品中不同的色原酮化合物含量为中国沉香的筛选提供了科学依据。[7]

图3 由防御反应形成沉香的四种机制

沉香油的抗氧化活性

DPPH是一种高度稳定的以氮为中心的自由基，可以捕获其他自由基，以517纳米为中心的吸收很强。新鲜制备的DPPH溶液呈深紫色，与抗氧化剂反应后变成无色或淡黄色。如图4a所示，随着精油浓度的增加，其清除活性（SC%）明显增加。当浓度小于60毫克/毫升时，清除活性迅速增加，但随着浓度的进一步增加，清除活性增加得更慢。精油的抗氧化能力远远弱于丁基羟基甲苯（BHT）和维生素E（VE）的抗氧化能力。根据文献，如果一种物质的SC50值（SC%时的精油浓度）小于10毫克/毫升，则认为该物质具有抗氧化能力。DPPH清除效果依次下降：BHT>VE>HD（HD代表通过水蒸气提取的挥发性成分）。

使用Benzie和Strain建立的铁离子还原抗氧化能力（FRAP）检测法来测定样品的抗氧化活性。试验得到的标准曲线方程（y=0.002x+0.1049，R2=0.999）被用来确定提取物的还原能力。样品的还原能力用FRAP值表示，FRAP值越高代表还原能力越强。如图4b所示，铁还原能力随着浓度的增加而增加，抗氧化能力依次为：BHT > VE > HD。

图4 (a) DPPH自由基清除能力和(b)铁离子还原抗氧化能力(FRAP)测定结果

沉香油的抑菌活性

近年来，由于植物精油具有显著的抑菌活性，而且与化学合成的抑菌剂相比，具有减少副作用和残留毒性的独特优势，因此在抑菌化合物研究中受到广泛关注。一般来说，革兰氏阳性菌比革兰氏阴性菌对植物精油更敏感，因为革兰氏阴性菌的细胞壁外面含有脂多糖层，可以阻止疏水化合物进入细胞，从而降低抑菌效果。如表2所示，随着精油浓度的增加，对枯草杆菌（B. subtilis）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制率越来越强，分别为60.80 ± 3.82%和64.46 ± 3.01%。同时，对大肠杆菌（E. coli）的抑制作用较弱，为57.97±3.44%。抑制率的顺序如下：金黄色葡萄球菌>枯草杆菌>大肠杆菌。

表2 精油对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制活性

参考文献：

[1]  Naef, R. The Volatile and Semi-Volatile Constituents of Agarwood, the Infected Heartwood of Aquilaria Species: A Review. Flavour Fragr. J. 2011, 26 (2), 73–87.

[2] The Good Scents Company. Benzylacetone (4-phenylbutan-2-one), [On line], page consulted on 19 nov 2018, URL: http://www.thegoodscentscompany.com/data/rw1024231.html

[3] Pripdeevech, P.; Khummueng, W.; Park, S. K. Identification of Odor-Active Components of Agarwood Essential Oils from Thailand by Solid Phase Microextraction-GC/MS and GC-O. J. Essent. Oil Res. 2011, 23 (4), 46–53.

[4] Liao, G.; Dong, W. H.; Yang, J. L.; Li, W.; Wang, J.; Mei, W. L.; Dai, H. F. Monitoring the Chemical Profile in Agarwood Formation within One Year and Speculating on the Biosynthesis of 2-(2-phenylethyl)chromones. Molecules 2018, 23 (6).

[5] Ibrahim, S. R. M.; Mohamed, G. A. Natural Occurring 2-(2-Phenylethyl) Chromones, Structure Elucidation and Biological Activities. Nat. Prod. Res. 2015, 29 (16), 1489–1520.

[6]  Sen, S. et al. Chemometric analysis reveals links in the formation of fragrant biomolecules during agarwood (Aquilaria malaccensis) and fungal interactions. Sci. Rep. 7, 44406; doi: 10.1038/srep44406 (2017).

[7] Wang, M.-R.; Li, W.; Luo, S.; Zhao, X.; Ma, C.-H.; Liu, S.-X. GC-MS Study of the Chemical Components of Different Aquilaria sinensis (Lour.) Gilgorgans and Agarwood from Different Asian Countries. Molecules 2018, 23, 2168. https://doi.org/10.3390/molecules23092168