化学经纬
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手性柠檬烯是柠檬味,还是橘子味?

chem谈天说地471260


在很多经典有机化学教材中,都有类似这样的描述——(R)-(+)-柠檬烯((R)-(+)-limonene)闻起来有橘子味,而(S)-(−)-柠檬烯((S)-(−)-limonene)有柠檬味(图1)。教材通过这个例子,将手性与我们在生活中的感受生动地联系在一起,给严肃的教科书增加了不少趣味。然而,最近有人用实验证明,教材这个“趣味性”的例子很可能并不正确,手性柠檬烯闻起来可能既没有柠檬味,也没有橘子味……

手性柠檬烯是柠檬味,还是橘子味? 第1张

图1. 教材上“(R)-(+)-柠檬烯有橘子味(左图),(S)-(−)-柠檬烯有柠檬味(右图)”


质疑这事的,是来自挪威科技大学化学系的Lise Kvittingen等人。他们系里正在用的教材中就有关于手性柠檬烯气味特征的经典描述,但是在指导学生做柑橘类果皮精油提取实验时,他们注意到天然来源柑橘油和柠檬油的旋光测试值都是右旋的,只是后者绝对值更小一些。而且,以往文献曾提到,有气味的柑橘油和柠檬油并不仅仅含有柠檬烯,还含有一些微量成分如柠檬醛(图2)。更有意思的是,这些柑橘类果皮精油主要含有(R)-(+)-柠檬烯,而(S)-(−)-柠檬烯存在于香茅油及柠檬香茅油中,香茅(Cymbopogon nardus)及柠檬香茅(Cymbopogon citratus)都是香茅属(Cymbopogon)植物,与柑橘和柠檬这类柑橘属(Citrus)植物可以说是“八竿子打不着”。为此,他们设计了实验来验证书上对手性柠檬烯气味特征的描述。

手性柠檬烯是柠檬味,还是橘子味? 第2张

图2. 柠檬醛是橙花醛(左)和香叶醛(右)的混合物


他们先后开展了两次气味实验,第一次测试参与者48人,年龄分布在20-50岁,样品选择(R)-(+)-柠檬烯(技术纯)、(S)-(−)-柠檬烯(purum 纯)、天然来源的柠檬油和甜橙油,4种样品都通过水连续稀释后进行气味测试。第二次测试参与者49人,年龄分布在12-80岁,样品选择(R)-(+)-柠檬烯(分析纯)、(S)-(−)-柠檬烯(分析纯)、柠檬醛(分析纯)、天然柠檬油、天然甜橙油,5种样品都用三乙酸甘油酯进行溶解稀释,后者也作为空白对照。


结果显示,关于(R)-(+)-柠檬烯,第一次测试有50%的参与者将技术纯样品的气味与甜橙/柑橘味联系起来,而第二次关于分析纯样品的测试中,这一数字降低到13%;而68%的参与者将天然甜橙油的气味与甜橙/柑橘味联系起来。他们用气相色谱-氢火焰离子化检测器(GC-FID)检测三种样品,发现天然甜橙油、(R)-(+)-柠檬烯(技术纯)和(R)-(+)-柠檬烯(分析纯)中的柠檬烯主要都是(R)-(+)-柠檬烯(>99.9%),但所含杂质呈明显递减趋势(图3)。也就是说,(R)-(+)-柠檬烯纯度越高,闻起来越没有“橘子味”,反倒是杂质最多的天然甜橙油“橘子味”最明显,这说明“橘子味”极有可能源自样品中的一种或几种微量杂质,而非(R)-(+)-柠檬烯。这样,教科书中描述的“(R)-(+)-柠檬烯闻起来有橘子气味”就与本实验中的结果不符了。

手性柠檬烯是柠檬味,还是橘子味? 第3张

图3. GC-FID检测(R)-(+)-柠檬烯(分析纯,上图)、R柠檬烯(技术纯,中图)和天然甜橙油(下图)的图谱


不同纯度的(S)-(−)-柠檬烯样品两次测试结果却相差不多,分别仅仅只有18%和16%的参与者将purum纯和分析纯的(S)-(−)-柠檬烯与柠檬味联系起来;而高达74%的参与者将天然柠檬油的气味与柠檬味联系起来。GC-FID的检测显示柠檬油中几乎没有(S)-(−)-柠檬烯。相比之下,49%的参与者认为柠檬醛有柠檬味。因此,教科书所谓的“(S)-(−)-柠檬烯闻起来有柠檬味”与实验事实也不符。


话说回来,(R)-(+)-柠檬烯和(S)-(−)-柠檬烯到底是什么气味呢?有意思的是,测试的参与者也搞不清楚,尤其是在分析纯的(R)-(+)-柠檬烯和(S)-(−)-柠檬烯气味测试中,有超过一半的人(55%和52%)表示不知道是什么味或提出五花八门的其它气味(图4)。

手性柠檬烯是柠檬味,还是橘子味? 第4张

图4. 气味测试比较结果


气味测试较容易受到人的主观感知和客观环境因素影响,但是Lise Kvittingen等人的实验提醒大家,不能忽略样品中微量成分的气味贡献。


那么,教科书上言之灼灼的手性柠檬烯气味从何而来呢?Lise Kvittingen等人追根朔源,发现教材引用的最初文献是1971年发表于Science 上的一篇文章“Odor incongruity and chirality” [1]文中的一个表格将(R)-(+)-柠檬烯的气味归结为橘子味,(S)-(−)-柠檬烯的气味归结为柠檬味。Lise Kvittingen等推测当年研究者的手性柠檬烯中可能混入了柠檬醛之类的微量杂质,误导了文章的读者,也误导了教科书的编纂者。


总结一下:柠檬中几乎没有(S)-(−)-柠檬烯;(S)-(−)-柠檬烯没有柠檬味;(R)-(+)-柠檬烯也没有橘子味;柠檬与柑橘精油的味道与手性柠檬烯无关。

手性柠檬烯是柠檬味,还是橘子味? 第5张

图5. 手性柠檬烯气味之谜


PS:孟子早就说过“尽信书,不如无书”,虽然他老人家当时吐槽的是儒家经典《尚书》,但引申到包括教科书的所有书籍以及包括Science 在内的著名期刊,也并无不妥。这种质疑的态度,可以说是科学进步的基础。

J. Chem. Educ., 202198, 3600–3607, DOI: 10.1021/acs.jchemed.1c00363


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