2,5-二甲基吡嗪是一種吡嗪類化合物，呈炒花生香氣和巧克力、奶油氣味，并且它的氣味強(qiáng)烈。該物質(zhì)天然存在于球莖甘蘭、豬肉、朗姆酒、可可、咖啡、土豆片、河蝦等中，具有香勢(shì)強(qiáng)、閾值低的特點(diǎn)，在食品及食品添加劑、醫(yī)藥、香料、染料、飼料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此外，在醫(yī)藥領(lǐng)域2,5-二甲基吡嗪是降糖類藥物和抗脂類藥物的重要中間體，可用于格列吡嗪、阿西莫司等藥物的生產(chǎn)工藝。
圖1 2,5-二甲基吡嗪的性狀圖
合成工藝
2,5-二甲基吡嗪制備方法主要包括直接提取法、化學(xué)合成法以及生物發(fā)酵法三種。2,5-二甲基吡嗪廣泛存在于自然界和發(fā)酵食品中，包括咖啡、花生等50多種天然食品，但自然界中該物質(zhì)的直接提取難度大、產(chǎn)量得率較低，不適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)?；瘜W(xué)合成法是2,5-二甲基吡嗪工業(yè)化生產(chǎn)主要方式，具有收率高、可大規(guī)模制備的優(yōu)勢(shì)，但其過程伴隨有毒副產(chǎn)物生成且分離困難，易造成環(huán)境污染，也一定情況下限制了其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用。生物發(fā)酵法環(huán)保優(yōu)勢(shì)突出，是該物質(zhì)潛力制備途徑，近年來受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注。該物質(zhì)的生物合成途徑主要是利用枯草芽孢桿菌和大腸桿菌進(jìn)行合成，但由于成本高、轉(zhuǎn)化率較低，目前其尚未達(dá)到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)水平。近幾年，有少數(shù)研究者通過基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生產(chǎn)菌株，但是碳原子得率仍然處于極低的水平。
食品加工應(yīng)用
2,5-二甲基吡嗪是一種含氮雜環(huán)化合物，作為重要的風(fēng)味化合物廣泛存在于傳統(tǒng)發(fā)酵食品和熱處理食品中，例如白酒、醬油、發(fā)酵的可可粉、燒烤的牛肉、種子以及花生等，主要貢獻(xiàn)食品中的烤花生香氣，是我國(guó)GB2760—1986中規(guī)定允許使用的香精物質(zhì)。2,5-二甲基吡嗪具有極低的閾值，在食品中添加1～2 μg/kg，就可以起到明顯的增香作用。此外，該物質(zhì)還是一種重要的醫(yī)藥中間體——5-甲基吡嗪-2-羧酸的重要合成原料。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于該化合物的合成主要采用化學(xué)方法，但化學(xué)合成往往存在嚴(yán)峻的環(huán)保問題，且產(chǎn)品不是天然的。作為具有增香作用的食品添加劑，生物法生產(chǎn)的該化合物明顯更受消費(fèi)者喜愛，且價(jià)格更高。
醫(yī)藥應(yīng)用
在食品及食品添加劑領(lǐng)域，2,5-二甲基吡嗪是一種食品用香料，具有增香作用，可用于配制烘烤食品、肉類、咖啡、堅(jiān)果等食品用香精；在醫(yī)藥領(lǐng)域，2,5-二甲基吡嗪是降糖類藥物和抗脂類藥物的重要底物或藥物中間體，包括格列吡嗪、阿西莫司等藥物。阿西莫司是一類降脂類的藥物，適應(yīng)癥包括高脂血癥、糖尿病、結(jié)核病等。我國(guó)是全球阿西莫司主要供應(yīng)和消費(fèi)國(guó)之一，在人口老齡化背景下，糖尿病、高脂血癥患者呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，阿西莫司市場(chǎng)需求空間較廣泛，進(jìn)而將為2,5-二甲基吡嗪市場(chǎng)發(fā)展帶來廣闊空間。
生物研究
有研究團(tuán)隊(duì)采用遺傳操控策略對(duì)大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)代謝流進(jìn)行重新分配，成功構(gòu)建了碳原子得率顯著提高的2,5-二甲基吡嗪細(xì)胞合成工廠。首先篩選最優(yōu)來源的關(guān)鍵酶以促進(jìn)酶催化反應(yīng)過程，其次引入外源酶并通過表達(dá)調(diào)控該酶以促進(jìn)非酶催化過程，最后利用CRISPR-cas9阻斷強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)碳流分支代謝途徑進(jìn)而構(gòu)建合適的底盤細(xì)胞,最終碳原子得率提高到30.2%，為目前報(bào)道最高水平。此外，有研究以L-蘇氨酸為底物合成2,5-二甲基吡嗪，而L-蘇氨酸目前廣泛運(yùn)用于食品、飼料以及醫(yī)藥行業(yè)，由于成本低廉，產(chǎn)能逐漸過剩，如今已經(jīng)市場(chǎng)飽和，所以本研究通過構(gòu)建高產(chǎn)2,5-二甲基吡嗪重組菌株，將低值化合物L(fēng)-蘇氨酸高值化，解決了產(chǎn)能過剩的問題，提高了經(jīng)濟(jì)效益。該研究為微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪提供重要借鑒。[1]
參考文獻(xiàn)
[1] Chen Yang, J. Agric. Food Chem.2021,69,8,2512–2521.