一、背景及概述

龍涎香是抹香鯨（Physeter macrocephalus）的腸道產生的一種強烈的氣味物質。它的作用是保護腸道粘膜不受抹香鯨所吃的軟體動物的不可消化的殘骸的影響，使其周圍變硬并融入其中。

龍涎香一詞源于古法語 "ambre gris"，意思是 "灰色的琥珀"，與 "黃色的琥珀 "相反，后者指的是樹脂琥珀。它被用于制作香水。

在化學上，龍涎香主要由蠟質的、不飽和的、高分子量的醇類混合物組成，主要的化學成分是降龍涎醚。其他化學成分，如表皮甾醇和共軛甾醇，也被發現，但降龍涎醚是使龍涎香具有典型氣味的物質。典型的龍涎香氣味的形成機制見圖1。[1]

圖1 典型的龍涎香氣味的形成機制：由于海水、空氣和/或陽光的氧化分解，從龍涎香中產生了降龍涎醚[1]

由于抹香鯨是受保護的物種，不能被獵殺，所以龍涎香現在已經變得極為罕見，被合成物質所取代。更為罕見的是，如果從被擱淺的動物尸體上取下，就有可能使用天然的，或者有時是漁民從動物反芻的龍涎香中撈出的。

降龍涎醚又名雙環二氫高金合歡醚、1,1,6,10-四甲基-5,6-環乙氧基十氫化萘、Amberoxan、Ambropur、Ambroxide。天然龍涎香是一種高級香料，它來自抹香鯨腸胃中的灰白色軟結石，量極少。降龍涎香醚是一種人工合成的、具有龍涎香味的香料，作為天然龍涎香的代用品。無色至白色結晶。相對分子質量236.39。熔點75～76℃。沸點120℃(1.33×102Pa)。閃點161℃。比旋光度-29°(c=1，甲苯)。降龍涎醚的分子結構如圖2所示。

Ambrox 由 ambrein（龍涎香的主要成分，一種來自抹香鯨消化道的蠟狀物質）與大氣中的氧氣反應形成。作為 (半日花烷(labdane)) 二萜的分解產物，少量降龍涎香醚也可以在以下來源中找到：煙草 (Nicotiana tabacum) (來自順式-冷杉醇 (Z)-abienol)、快樂鼠尾草 (Salvia sclarea) (來自香紫蘇醇,sclareol)、巖薔薇 ( Cistus ladanifer 和 Cistus creticus）（來自半日花烷酸labdanolic acid），在垂枝柏（Cupressus sempervirens）和蠟質抹香鯨類尸體的脂肪體（來自ambrein）中。

Ambrein 不再用于獲得 Ambrox，取而代之的是來自快樂鼠尾草(Salvia sclarea)的香紫蘇醇作為起始材料。隨著芬美意在 1950 年發表了第一個部分合成，發現了一種替代的降龍涎醚來源。技術合成的關鍵步驟是用三氧化鉻CrO3對側鏈進行氧化降解。隨后用氫化鋁鋰還原內酯得到二醇，在酸存在下，二醇環化成所需的醚。熱力學上更穩定的 9b-epi-ambrox 可以作為副產物形成。該反應可以工業規模進行，收率54%，1980年代初專利到期后，其他技術上可行的合成路線相繼發表。使用高碘酸鈉（而不是高錳酸鉀）的紫蘇醇降解反應發表在 Derek HR Barton 爵士的工作組中，并且正在申請專利。雖然合成步驟可以相對容易和安全地進行，但這些合成的主要缺點是供應情況波動，因此紫蘇醇的價格波動很大。作為紫蘇醇的替代品，也可以使用 (+)-cis-abienol生產降龍涎醚。(+)-cis-Abienol 獲自 Canada balsam。通過 (+)-cis-abienol 的臭氧分解和隨后的還原后處理，獲得了一種二醇，該二醇可以在吡啶中用甲苯磺酰氯以優異的收率環化為 Ambrox。

Ambrox是一種自古以來就廣為人知的香水，用于香水。Ambrox 的不同立體異構體具有相似的氣味，但氣味閾值不同。降龍涎醚和類似物的世界年產量剛剛超過 30 噸。

圖2 降龍涎醚的分子結構

二、降龍涎醚及其異構體的香氣特征及其使用法規

降龍涎醚[(-)-Ambrox]是天然龍涎香酊最關鍵的有效成分之一，具有柔和、持久、穩定的動物型龍涎香香氣、溫和的木香香韻。降龍涎醚具有多個不同的立體異構體結構，異構體之間具有一定的香氣特征差異，如圖3所示。降龍涎醚異構體a具有溫和的木香香韻、較粗的馬鈴薯-地窖的味道，香氣強度比降龍涎醚低100倍；異構體c具有與降龍涎醚相當的香氣強度，但有微弱的豐富而復雜的酒香味；異構體e和g有弱的樟腦木香香氣，帶有幾乎很難辨別的龍涎香香氣；異構體f具有微弱的類似龍涎香香氣，但被一種汗臭味掩蓋；異構體h木香香氣更強，但缺乏溫暖的動物氣息。降龍涎醚不同的香氣特征差異，同樣化學結構的化合物所選用的生產原料不同也會造成不同的香氣差異，如溶劑能對最終產品的香氣產生輕微的改變，結晶方式的不同也會造成不同的香氣差異。[1]

圖3 降龍涎醚及其8種異構體[2]

合成的降龍涎醚[(-)-Ambrox]是極其優秀的定香劑，是所有合成龍涎香香料中評價最高的一種，是天然龍涎香優異代用品之一。由于降龍涎醚對人體無刺激、無過敏反應，因此很適合用于皮膚、頭發和織物的加香，在化妝品行業中被廣泛應用。降龍涎醚在食品工業中作為食品添加劑也被允許使用，被列入我國食品添加劑使用標準(GB2760—2011)允許使用的食品合成香料名單中（編號為S0280），也被美國食品香料和萃取物制造者協會（FEMA）認可為安全食用香料（FEMA編碼為3471），聯合國糧農組織和世界衛生組織下的食品添加劑聯合專家委員會(JECFA)也認可了其食用安全性（JECFA 編碼為1240）。[2]

三、降龍涎醚的制備方法進展

1、幾種工業生產方法

目前降龍涎醚的工業生產方法主要是以香紫蘇醇為原料的合成路線及國際著名香料公司瑞士芬美意開發的以 β-二氫紫羅蘭酮 或金合歡醇類似物為原料的合成路線，具體合成路線如圖4 所示。以 β-二氫紫羅蘭酮(β-dihydroionone)為原料的合成路線通過 Darzens 反應、Knoevenagel 反應、脫羧、環化、還原、環化共 6 步反應合成消旋體降龍涎醚，如需制備光學純降龍涎醚，需通過對中間體香紫蘇內酯(sclareolide) 進行手性拆分；金合歡醇類似物(homofarnesol)可通過環化反應直接得到消旋體降龍涎醚。這兩條反應路線主要用于制備其外消旋商品 Cetalox 和 Ambrox DL。以香紫蘇醇為原料的合成路線通過氧化、還原、環化 3 步反應可得到光學純降龍涎醚，是目前生產降龍涎醚最重要的方法。

圖4 降龍涎醚的工業制備路線 [2]

2、一些實驗室研發階段的合成方法

降龍涎醚的合成方法主要以多烯類化合物為原料，經催化多級串聯環化的方法制備降龍涎醚。1950 年，Stoll 等以從香紫蘇(Salvia sclarea L.)的莖葉中提取得到的香紫蘇醇（sclareol）為原料首次化學合成降龍涎醚。隨后，化學家們以眾多的天然萜類化合物，如 甲基半日花烷(methyl communic)、甲基萘甲醇(drimenol)、松香酸(abietic acid)、香葉基丙酮(geranylacetone)、香芹酮(carvone)、齊墩果酸 (oleanolic acid)、金合歡醇類似物(homofarnesol)、二氫紫羅蘭酮(dihydroionone)、冷杉醇(abienol)、稠環烯酮(fused ring enone)、淚杉醇(manool)等為原料成功地合成了降龍涎醚，各種天然萜類化合物具體結構如圖5 所示。其中具有代表性的合成方法主要包括以下研究工作。

圖5 合成降龍涎醚的多烯類化合物 [2]

3、降龍涎醚相關二萜類香氣化合物的酶法合成生物學

盡管植物來源的半日花烷二萜類化合物作為半合成(-)-降龍涎醚的起始材料具有普遍的效用，但有幾個因素限制了它們的工業應用。許多天然二萜類化合物在植物體中只少量存在，而且往往是復雜混合物的一部分，因此在化學合成中的應用需要費力和成本高昂的純化程序。此外，獲得生產二萜類的野生植物物種可能是有限的，而且植物的栽培可能受到不利環境條件的影響。因此，二萜類化合物生產基因和酶的發現和工程提供了一個機會，以改善和擴大用于制造降龍涎醚的起始材料的可用性。先進的高通量代謝物分析和轉錄組測序使人們能夠對許多以前無法進行全面基因發現的二萜類植物物種進行快速和具有成本效益的調查。近年來，許多二萜合成酶（diTPSs）和細胞色素P450單加氧酶（P450s）的鑒定和明確的功能注釋，這是二萜類生物合成的兩個關鍵酶類。[3]

一般來說，萜類化合物有一個共同的生物合成來源，即來自兩個C5中間物，二磷酸異戊酯（IPP）和二磷酸二甲酰（DMAPP）。通過異戊二烯基轉移酶的活動使這些構件縮合，產生一些具有不同鏈長的異戊二烯基二磷酸酯中間物，作為所有萜類化合物的核心前體。二萜類化合物來自于C20中間體雙牻兒基焦磷酸鹽（GGPP），它被diTPSs通過多步驟的碳原子驅動的（環）異構化反應轉化為各種線性或環狀支架。通過P450s和其他一些酶類的活動，對diTPS產品進行功能改性，從而使植物二萜類化合物具有巨大的化學多樣性。[3]

diTPS功能的多樣性部分是基于其模塊化結構，該結構由三個α螺旋結構域α、β和γ的變化組成。三個主要的diTPS類別是單功能的I類diTPS、單功能的II類diTPS和雙功能的I/II類diTPS。這三類具有不同的結構域，并在活性位點的數量和特征功能圖案方面有所不同。II類diTPSs在β-γ結構域中有一個N端活性位點，伴隨著一個共同的DxDD結構域，有利于質子化引發的GGPP環異構化為各種具有不同立體化學和區域特異性氧合的雙環戊烯基二磷酸酯中間體。相比之下，I類diTPSs在α-結構域中含有一個C-末端活性位點，以及用于結合底物二磷酸酯基團的催化性DDxxD和NSE/DTE結構域。I類diTPSs促進GGPP的轉化或II類diTPS產物的轉化。I類diTPSs催化電離促進的底物二磷酸酯基團的裂解，以及隨后產生的碳化物的重新排列，產生多種二萜結構。雙功能I/II類diTPSs在一個蛋白質中同時含有II類和I類活性位點和功能。據目前所知，只有苔蘚、苔蘚植物江南卷柏(Selaginella moellendorffii)和裸子植物含有雙功能的I/II類diTPSs。[3]

在被子植物中，大多數二萜類化合物，包括所有與半日花烷有關的化合物，是通過一對單功能的II類和I類diTPSs的順序活動形成的。反復的基因復制，隨后的亞功能化和新功能化導致了diTPS基因家族在進化過程中的擴展和功能分化。最近對一些物種的研究表明，二萜類生物合成可能以模塊系統的形式組織起來，其中I類和II類酶的不同組合可以產生不同的二萜類支架，進一步增加二萜類中間產物和產品的化學空間結構的多樣性。[3]

從植物體中成對作用的功能不同的diTPSs的自然發生的模塊途徑的特征中收集的信息，可以應用于開發基于現有diTPSs和可能的P450酶的組合表達的代謝工程和合成生物學戰略。在已建立的高價值萜類化合物代謝工程平臺（如抗癌二萜藥物Taxol和用于治療瘧疾的倍半萜類青蒿素）所取得的經驗基礎上，一些實驗室目前正在開發用于生產天然和非天然二萜類生物產品的新的微生物和植物平臺，如圖6所示。[3]

圖6 植物二萜類生物合成途徑的模塊化及其對生物系統的代謝工程的效用，用于生產降龍涎醚前體。近年來，根據轉錄組測序和非模式芳香植物中的酶學特征，發現了參與形成植物源性降龍涎醚前體（如香紫蘇醇、順式冷杉醇和二萜類樹脂酸）的多種二萜合成酶和細胞色素P450單加氧酶組合。二萜類生物合成酶在微生物和植物宿主系統中的單一或組合表達，為降龍涎醚前體和其他二萜類生物產品的代謝工程提供了可行性。這些工程系統能夠以單一目標化合物或低復雜性混合物的形式生產天然或新型二萜類化合物?？s略語：GGPP，雙牻兒基焦磷酸鹽；LPP，拉巴達(labda)-13-烯-8-醇二磷酸酯；(+)-CPP，(+)-焦磷酸古巴酯；AbCAS，香柏樹順式冷杉醇醇合成酶；NtLPS，煙草拉巴達(labda)-13-烯-8-醇二磷酸酯合成酶; NtABS, 煙草順式-冷杉醇合成酶; SsLPS, 快樂鼠尾草拉巴達(labda)-13-烯-8-醇二磷酸酯合成酶; SsSCS, 快樂鼠尾草香紫蘇醇合成酶; ISO, 來自不同針葉樹的異哌啶烯合成酶; LAS, 來自不同針葉樹松科屬/紐葉松異海松二烯的左旋哌啶/松香二烯合酶; PsCYP720B4, 大白花地榆細胞色素P450 720B4; DRA, 二萜類樹脂酸。diTPS示意圖中的紅色X表示單功能酶中的非功能活性部位[3]

四、降龍涎醚的用途

降龍涎醚“龍涎香效應”可大大提高香精的擴散作用，用于高級香水及化妝品的香精中，對人體無刺激，適合于皮膚、頭發和織物的加香，如肥皂、爽身粉、膏霜及香波等的加香及定香。

龍涎香香原料在卷煙中的應用賴百當類物質是香料煙的關鍵性致香成分，降龍涎醚是其中作用特別突出的一種香料，對混合型卷煙的煙氣有著重要貢獻。降龍涎醚也廣泛用于烤煙型卷煙和香水工業。降龍涎醚應用于卷煙工業的加香加料，與煙草的特征香韻諧調和合，并可掩蓋雜氣，即使微量使用，也可改善煙草的香味品質，尤其適合混合型卷煙加香，增強東方型煙草的風味。Ｒ.J.Reynols Tobacco Company (雷諾煙草公司)已使用香紫蘇內酯、降龍涎二醇及降龍涎醚負載于溶劑中，以萬分之五到千分之三的施加量噴灑到煙絲上，以改善卷煙的風味。由于降龍涎醚分子量小、揮發性強，且閾值低。瑞士奇華頓香料公司Givavdan將降龍涎二醇制備成碳酸酯(Carbonate-I，Chart2)潛香物質，其分子量大，不易揮發。在卷煙抽吸過程中，香氣前體物降龍涎二醇碳酸酯在高溫分解、同時環合產生降龍涎醚香氣成分，卷煙煙氣具有明顯的木香及琥珀香氣。湖南中煙工業公司將降龍涎二醇制備成草酸酯(Oxalate-II，Chart2)潛香物質的形式，然后加入到煙草中，其加入方式為加表香、加料香或薄片加香。在卷煙抽吸燃燒過程中均勻釋放降龍涎醚致香物質，使卷煙具有較明顯的龍涎香氣。

五、龍涎香的藥理活性

1、增強食欲及性欲作用

Mohamed等(2012)研究評估了龍涎香對一些內分泌激素、血脂、體重和食欲的影響。共招募了40名受試者，隨機接受415毫克/天的龍涎香（Am；n=20）或安慰劑（PL；=20），為期4周。血液樣本用于評估血脂、睪酮、雌二醇、生長激素（GH）、催乳素、胰島素、甲狀腺素（T4）和皮質醇。數據顯示，僅在服用龍涎香后，睪酮、雌二醇、催乳素、胰島素、皮質醇、甲狀腺素（T4）水平和體重都有明顯增加，而生長激素在兩組中都沒有明顯的變化?？偰懝檀迹═c）、低密度脂蛋白膽固醇（LDLc）和高密度脂蛋白膽固醇（HDLc）明顯增加，而龍涎香組的甘油三酯（TG）水平明顯下降。他們的結論是，由于龍涎香對一些內分泌激素的影響，攝入龍涎香會導致性欲和體重的增加。[4]

2、抗癌作用

龍涎香對人類肝癌、結腸腺癌、肺癌和人類乳腺癌細胞系表現出細胞毒性活動。此外，龍涎香在抑制人類中性粒細胞功能方面具有抗炎活性。[5]

3、壯陽作用

龍涎香的主要成分Ambrein對雄性大鼠的性能力有支持作用。交配研究是通過將雄性與接受的雌性關在一起進行的。在觀察了接受治療的雄性大鼠的交配行為后，龍涎香形成了反復的陰莖勃起事件，一個依賴劑量的、強烈的和重復的射精上升。這項研究已被證明可以增加大鼠的性行為，這為其傳統的壯陽藥用途提供了一些支持。[5]

4、抗糖尿病作用

降龍涎醚通過增強葡萄糖的利用，降低了正常和中度阿洛桑處理的糖尿病大鼠的血糖水平。在有甘露糖的情況下，降龍涎醚不能降低葡萄糖負荷大鼠的高血糖，但在沒有甘露糖的情況下，它能降低葡萄糖負荷大鼠的高血糖。[5]

5、其他活性

龍涎香以前被用作治療各種疾病的傳統藥物。然而，由于龍涎香的主要成分天然1的生物活性（如龍涎香樣品1和2中含有1，約為68%；圖7d）尚未被廣泛評估，因為它很稀少。到目前為止，只知道它的壯陽、抗痛和抑制彈性蛋白酶釋放的活性。由于本研究中的酶法合成使合成1的生產足夠充分，因此對其兩種生物活性進行了分析。首先，我們分析了1對骨細胞、成骨細胞和破骨細胞的分化所產生的影響。用茜素紅S對成熟的成骨細胞沉積的細胞外鈣進行染色，然后用或不用10μM的1培養細胞。然而，沒有發現1對成骨細胞活性的明顯影響。相反，在10μM的濃度下，1增強了破骨細胞的分化（圖8）。結果表明，1以濃度依賴的方式顯著增加了成熟破骨細胞的數量（圖8）。50μM的1的效果與5μM的Kenpaullone相似，后者是破骨細胞分化的一個強有力的激活劑。這一結果表明，1可能是治療由破骨細胞功能缺陷引起的骨質疏松癥的一個有希望的候選藥物。[6]

圖7 1轉換為揮發性成分。(a) 龍涎香揮發物的GC-MS色譜圖。化合物2-5被確認，而化合物12-17沒有被確認。(b) 用紫外光和光敏劑（RB、TPP或MB）處理1產生的龍涎香揮發性成分和揮發性化合物的百分比。除2-5和12-17外，"其他 "的Te比例是用化合物的總量計算的。(c) 用紫外光和光敏劑（RB、TPP或MB）處理1產生的龍涎香揮發性成分和揮發性化合物的產量。(d) 龍涎香和暴露于紫外線和光敏劑（RB、TPP或MB）的反應液中1的殘留率。[6]

盡管早期關于1的光氧化的研究旨在模仿天然龍涎香的揮發性成分的產生并分離出揮發物9-11，但沒有一項研究旨在實現1到揮發物的有效轉化。在這項研究中，我們能夠獲得8-15%的產量（圖7c），這比以前為不同目的獲得的產量9-11和我們分析的天然龍涎香中的含量（圖7c）要高。我們構建的揮發性物質合成系統可以改變氣味，這取決于所使用的光敏劑的類型（圖7b）。在未來，通過研究各種反應條件，包括使用不同的光敏劑，可以產生各種氣味。此外，盡管在本研究中檢測到了未知的揮發性化合物12-17（圖7a和補充圖12），但無法確定其結構。如果大量的1被光氧化，未來可能會發現新的氣味化合物。此外，我們確定了1的兩種生物活性：促進破骨細胞的分化和預防Aβ的神經毒性（圖8和9）。然而，目前仍不清楚這種化合物是如何進行這些活動的。識別1的細胞內靶分子可能會使我們在未來發現治療骨質疏松癥和阿爾茨海默病的藥物。[6]

圖8 1對破骨細胞分化的生物影響。在沒有或有不同濃度的1的情況下，計算從RAW264.7細胞分化出來的TRAP陽性破骨細胞的數量。Kenpaullone是一個陽性對照。數據以平均值±S.D.表示（n=3，*=P<0.01）。

圖9 1對Aβ1-42誘導的SK-N-SH細胞凋亡的保護作用。在暴露于1μM Aβ1-42 24小時之前，用不同濃度的1（1、2、5、10和20μM）對細胞進行預處理。使用Annexin V/7-AAD染色法，通過熒光細胞儀分析凋亡細胞。(a) 代表性實驗的點陣圖。右下角的數字表示早期凋亡細胞（Annexin V+/7-AAD-）的百分比，右上角表示后期凋亡和死亡（Annexin V+/7-AAD+）細胞的百分比。(b) 早期凋亡細胞（Annexin V+/7-AAD-）和后期凋亡和死亡細胞（Annexin V+/7-AAD+）的百分比。數據表示為平均值±SEM；（n=3）。*和?分別指Aβ1-42單獨組與對照組在附件素V+/7-AAD-和附件素V+/7-AAD+細胞的比較；*或?=P<0.01。#和?指的是1個預處理組與Aβ1-42單獨組在附件素V+/7-AAD-和附件素V+/7-AAD+細胞中的比較；#或?=P<0.01。

這項研究有別于傳統的生物合成研究，后者旨在重建天然生物合成途徑。這是一個挑戰，因為它的生物合成途徑仍不清楚，要用實驗室創造的酶來合成一個罕見的天然產品（1），這是一個人工生物合成路線。許多新的自然產品已經通過基因組挖掘被發現。然而，如果生物合成酶是一種新的類型，或者如果產品的天然生產者是未知的，就不能進行基因組挖掘。因此，在未來通過人工創造新的生物合成酶來合成所需的化合物將是非常重要的。此外，本研究構建的系統可以通過重新設計酶和使用底物類似物來合成1類似物和香味類似物，并將在未來創造出具有眾多氣味和生物活性的化合物，超越自然界中發現的化合物。[6]

參考文獻

[1]Cristiano, L.; Guagni, M. Zooceuticals and Cosmetic Ingredients Derived from Animals. Cosmetics 2022, 9, 13. https://doi.org/10.3390/cosmetics9010013

[2]楊邵祥，田紅玉，劉永國，丁瑞，孫寶國. 降龍涎醚合成研究進展. 化工學報, 2018, 69(1): 88-101.

[3]Schrader, Jens; Bohlmann, J?rg (2015). [Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology] Biotechnology of Isoprenoids Volume 148 || Enzymes for Synthetic Biology of Ambroxide-Related Diterpenoid Fragrance Compounds. , 10.1007/978-3-319-20107-8(Chapter 308), 427–447. doi:10.1007/10_2015_308

[4]Mohamed_Kotb,Kotb EI Sayed, Zakaria-y, Al-Shoaibi. Effects of ambergris on appetite and serum endocrine hormonal levels in skinny sufferers. Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research, 2012, 5(3):138-142.

[5]Prashant Kumar Singh, Badruddeen*, Mohammad Irfan Khan, Mohammad Khalid and Ghazanfer. Potential Benefits of Ambergris Beyond Perfume. Journal of Complementary Medicine, 2018, 7(1): 555705.DOI: 10.19080/JCMAH.2018.07.555705.

[6] Yamabe, Y., Kawagoe, Y., Okuno, K. et al. Construction of an artificial system for ambrein biosynthesis and investigation of some biological activities of ambrein. Sci Rep 10, 19643 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-76624-y