2,5-二甲基吡嗪是一种吡嗪类化合物，呈炒花生香气和巧克力、奶油气味，并且它的气味强烈。该物质天然存在于球茎甘兰、猪肉、朗姆酒、可可、咖啡、土豆片、河虾等中，具有香势强、阈值低的特点，在食品及食品添加剂、医药、香料、染料、饲料等领域应用广泛。此外，在医药领域2,5-二甲基吡嗪是降糖类药物和抗脂类药物的重要中间体，可用于格列吡嗪、阿西莫司等药物的生产工艺。
图1 2,5-二甲基吡嗪的性状图
合成工艺
2,5-二甲基吡嗪制备方法主要包括直接提取法、化学合成法以及生物发酵法三种。2,5-二甲基吡嗪广泛存在于自然界和发酵食品中，包括咖啡、花生等50多种天然食品，但自然界中该物质的直接提取难度大、产量得率较低，不适用于大规模工业化生产。化学合成法是2,5-二甲基吡嗪工业化生产主要方式，具有收率高、可大规模制备的优势，但其过程伴随有毒副产物生成且分离困难，易造成环境污染，也一定情况下限制了其在食品领域的应用。生物发酵法环保优势突出，是该物质潜力制备途径，近年来受到学术界和产业界广泛关注。该物质的生物合成途径主要是利用枯草芽孢杆菌和大肠杆菌进行合成，但由于成本高、转化率较低，目前其尚未达到大规模工业生产水平。近几年，有少数研究者通过基因操控手段改造2,5-二甲基吡嗪生产菌株，但是碳原子得率仍然处于极低的水平。
食品加工应用
2,5-二甲基吡嗪是一种含氮杂环化合物，作为重要的风味化合物广泛存在于传统发酵食品和热处理食品中，例如白酒、酱油、发酵的可可粉、烧烤的牛肉、种子以及花生等，主要贡献食品中的烤花生香气，是我国GB2760—1986中规定允许使用的香精物质。2,5-二甲基吡嗪具有极低的阈值，在食品中添加1～2 μg/kg，就可以起到明显的增香作用。此外，该物质还是一种重要的医药中间体——5-甲基吡嗪-2-羧酸的重要合成原料。目前，国内外对于该化合物的合成主要采用化学方法，但化学合成往往存在严峻的环保问题，且产品不是天然的。作为具有增香作用的食品添加剂，生物法生产的该化合物明显更受消费者喜爱，且价格更高。
医药应用
在食品及食品添加剂领域，2,5-二甲基吡嗪是一种食品用香料，具有增香作用，可用于配制烘烤食品、肉类、咖啡、坚果等食品用香精；在医药领域，2,5-二甲基吡嗪是降糖类药物和抗脂类药物的重要底物或药物中间体，包括格列吡嗪、阿西莫司等药物。阿西莫司是一类降脂类的药物，适应症包括高脂血症、糖尿病、结核病等。我国是全球阿西莫司主要供应和消费国之一，在人口老龄化背景下，糖尿病、高脂血症患者呈增长态势，阿西莫司市场需求空间较广泛，进而将为2,5-二甲基吡嗪市场发展带来广阔空间。
生物研究
有研究团队采用遗传操控策略对大肠杆菌细胞内代谢流进行重新分配，成功构建了碳原子得率显著提高的2,5-二甲基吡嗪细胞合成工厂。首先筛选最优来源的关键酶以促进酶催化反应过程，其次引入外源酶并通过表达调控该酶以促进非酶催化过程，最后利用CRISPR-cas9阻断强竞争碳流分支代谢途径进而构建合适的底盘细胞,最终碳原子得率提高到30.2%，为目前报道最高水平。此外，有研究以L-苏氨酸为底物合成2,5-二甲基吡嗪，而L-苏氨酸目前广泛运用于食品、饲料以及医药行业，由于成本低廉，产能逐渐过剩，如今已经市场饱和，所以本研究通过构建高产2,5-二甲基吡嗪重组菌株，将低值化合物L-苏氨酸高值化，解决了产能过剩的问题，提高了经济效益。该研究为微生物高效合成2,5-二甲基吡嗪提供重要借鉴。[1]
参考文献
[1] Chen Yang, J. Agric. Food Chem.2021,69,8,2512–2521.