生物技术合成天然香料香精..

生物技术合成天然香料香精目录起源香料香精生物技术合成天然香料香精的方法生物转化法合成天然香兰素生物转化法合成天然2-苯乙醇前景与展望起源自古以来，人们已在无意识的情况下利用微生物使一些食品更具风味，如各种酒类、酱、醋和面包等发酵类食品都具有一种自然的清香。到19世纪末20世纪初，人们才开始认识发酵食品的典型香味与发酵微生物之间的关系，香味物质乃是微生物生长过程合成的一些代谢产物。发酵食品中特定的微生物群已决定了该食品所特有的香气，比如奶酪、酸奶、酱油、啤酒、泡菜等中的味道各有特点。已知有多种微生物，包括细菌、霉菌和酵母，都可以利用基本的营养成分通过全程合成某些香料化合物，包括挥发性醇类、酯类、羰基化合物、有机酸、硫化物、氨基酸类等。许多细菌和霉菌都具有合成芳香化合物的能力。如枯草芽孢杆菌能够全程合成吡嗪类物质，从而赋予酱油、豆豉、豆瓣酱和酱香型白酒特有的香味。拟孢长喙壳菌能产生多种带有果味花香的萜烯类化合物；念珠长喙壳菌能产生包括乙酸异丁酯、乙酸异戊酯、香茅醇和香叶醇等多种香气物质；哈茨木霉菌株能有效地形成具有椰子味的内酯6-戊基-α-吡喃酮。香料香精香料是指具有令人愉快的芳香气味，用于调配香精的化合物或混合物，而香精则是由多种香料调配而成的香气和谐、令人喜爱的混合物。香料香精不是直接消费品，而是添加在其他产品中的配套原料。香料香精广泛配套使用于食品、饮料、酒类、卷烟、日化、医药、饲料以及纺织和皮革等工业，其加入量虽不大，但对产品的质量和档次极为重要。目前世界上香料品种约6000多种，全球对香料的需求年增长率超过4.4%，2008年全球香料香精市场需求量总计超过185.6亿美元。香料香精天然香料和合成香料香料的生产方法有两种，即从天然动植物原料中提取和化学合成，由此将香料分为两大类，即天然香料和合成香料。人类进入21世纪，随着生活水平的提高和健康意识的增强，化学合成香料香精的安全性还是受到人们的怀疑，始终担心它们对健康具有潜在的危害，所以越来越青睐无污染的天然产品。从动植物原料中提取的天然香料符合人们这种安全性的需求，但天然动植物香料受原料来源的限制，其开发和应用受到极大地限制，无法满足人们的这种需要。天然和合成的价格差异激发了众多针对这些有价值的香料化合物而进行生物转化工艺开发的研究，就是要利用微生物细胞或酶转化天然前体或全程合成（发酵）来生产各种天然香料。生物技术合成天然香料香精的方法发酵工程酶工程细胞工程基因工程一.基因工程基因工程（geneticengineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术。所谓基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。利用基因工程技术，改良香料植物的基因性状，培养出高产香料物质的植物细胞株。应用实例日本山形县工业技术中心采取突变法，将产香能力强的遗传因子导人酵母菌中，经过两年时间培育出了新酵母菌。用这种新酵母菌酿制葡萄洒及一些果酒,可提高酒中乙酸异戊酯等7种香气的含量，使酒味香气浓郁。通过基因工程将牛肉风味肽的基因附在α-factor载体上在酵母细胞中表达,所生产出来的酵母抽提物中含有较高浓度的风味牛肉肽,即可利用酵母进行发酵生产牛肉风味肽。将脱苦蛋白酶和风味醛氧化酶对应基因在菌体中克隆并成功表达,可利用建造的基因工程菌排去干酪香料中的不良风味.二.细胞工程利用植物细胞、组织和器官大规模培养技术,可以大量培养香料植物,从而获得高价值的香料。食用香料植物组织培养在天然香料工业中的研究集中在快速繁殖、种质保存、品种改良、新品种培育和脱落病毒等方面，作为精油的生物反应器和为转基因技术提供植物受体的研究越来越受到人们的重视。在利用植物细胞培养技术生产香兰素时,通过在培养基中添加一些植物激素,如2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-dichlorophenoxyaceticacid,2,4-D)、苄基腺嘌呤(benzyladenine,BA)和萘乙酸(naphthaleneaceticacid,NAA)等,愈伤组织发生率大大提高,而且所形成的愈伤组织的继代培养生长较好。同时,采用植物细胞培养技术生产香兰素及其系列化合物时,会受到多种因素影响。外植体、使用培养基的类型、培养基中添加的前体物质的种类和数量、培养期的温度和光照都会对代谢物的组成和产量有重要影响。三.酶工程酶工程是利用酶的催化作用生产各种有价值物质的技术。到目前为止,约3000种酶在文献中被报道,但只有几百种可商业化生产,且其中仅20种适合于工业生产过程,脂肪酶、酯酶、蛋白酶、核酸酶和糖苷酯酶可用于香料化合物的提取过程,而且还可将大分子前体化合物水解为小分子香料物质,一个很好的例子是酯水解反应的逆反应即利用脂肪酶在非水相中的酯化反应,这些性水解和转酯反应。利用酶工程,可以生成许多香料的前体物质。应用这一方法,一方面可拓宽香料的原料来源,另一方面通过寻找廉价的原料,大大减少生产成本。1983年,Tien和Kirk从黄孢原毛平革菌中分离出木质素过氧化物酶,并对其进行定性,发现它与木质素的解聚有关。1998年,Williamson等以农业废料为原料,采用物理和酶工程相结合的方法,产生香兰素生物合成的重要前体物质—阿魏酸（ferulicacid）。阿魏酸（ferulicacid）四.发酵工程发酵工程是生物技术的重要组成部分,它将微生物学、生物化学、化学工程学的基本原理有机地结合起来,是一门利用微生物的生长代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。该技术是目前生产香料最广泛的生物技术，以工农业废料为原料,利用微生物可以生产各种天然香料。细菌、霉菌和酵母菌都可用来生产香兰素、内酯等香料,采用细胞固定化等技术手段还可以大大提高香料物质的产量。在香兰素（vanillin）合成中的应用许多细菌、霉菌和酵母菌都可用来生产香兰素,一些微生物以阿魏酸、丁子香酚、异丁子香酚、香草醇、香草胺、松柏醇、藜芦醇等化合物为前体,经发醇可获得香兰素。生物转化法合成天然香兰素香兰素，即香草醛，化学名为3-甲氧基-4-羟基苯甲醛，是一种以奶油甜香味为特征的风味物质，广泛用于冰淇淋、巧克力和乳制甜点等食品中，堪称世界上使用最广的增香剂。生物转化法合成香兰素三条路线以阿魏酸为前体以丁香酚或异丁香酚为前体酶转化法以阿魏酸为前体阿魏酸是木材、草、和谷壳细胞壁中含量极大的一种肉桂酸衍生物,它作为配糖的轭合物同各种碳水化合物共价相连,经碱水解可从谷壳中释放出来。阿魏酸对微生物的毒性小,在其降解生成香草醛的过程中产生的副产物也少,因此它是最常用的前体物质之一。一些细菌和真菌就能够将阿魏酸转化为香兰酸或直接转化为香兰素。如恶臭假单胞菌能将阿魏酸非常高效地转化为香兰酸，转化浓度可达2.25g/L；拟无枝酸菌DSM9992菌株则能将阿魏酸直接转化成香兰素，转化浓度高达11.5g/L。此外，也有研究开出两步转化工艺，首先由黑根霉将阿魏酸转化为香兰酸，再由朱红密孔菌再将香兰酸进一步转化为香兰素，转化浓度可以达到1.45g/L。以丁香酚或异丁香酚为前体丁香酚是丁香油的主要成分，是一种天然前体，市场上有大量供应，价格也不贵。有些微生物菌株能将丁香酚转化为阿魏酸、阿魏醛或松柏醛，继而再转化为香兰素，如铜绿假单胞菌转化丁香酚，转化9h可产生香兰素280mg/L，香草醇100mg/L以及阿魏酸48mg/L；利用枯草芽孢杆菌转化异丁香酚，香兰素浓度可达0.61g/L，摩尔转化率为12.4%，其无细胞萃取液能产生0.9g/L香兰素，摩尔转化率为14%。香兰素的生物转化路线酶转化法近年来对微生物转化法生产香草醛研究得较多,但一般情况下香草醛只是代谢中间产物,会继续降解而不易积累。因此除了继续设法寻找可在代谢途径中积累香草醛的菌株外,用酶转化法生产香草醛是近年来又一个很有前景的研究方向。常用来进行生物转化的酶有从转化效果较好的微生物中提取出来的相关酶,也有从植物中提取的酶。已经报道的酶转化法有的与微生物转化法相结合分两步进行;也有用酶单独进行转化的。1990年Yoshimoto等人从Pseudomonassp.TMY1009中分离出一种苯乙烯双氧酶,并阐述了用苯乙烯双氧酶从苯乙烯和异丁香酚转化香草醛的方法。荷兰的Robert等人建立了双酶法合成香草醛的工艺,在该工艺中香草醇氧化酶(VAO)能将甲氧甲酚和香草胺以很高的产率转化为香草醛。VAO催化的甲氧甲酚转化分两步进行,即先形成香草醇再氧化为香草醛;VAO催化的香草胺转化能在碱性条件下有效地进行,香草胺先转化为香草胺中间产物,后者再经非酶水解转化为香草醛。由于红辣椒和辣椒素能经酶法水解转化为香草胺,因此由香草胺生产香草醛的方法很有潜力。YoshidaAya等人用黑曲霉中的氨氧化酶(AO)通过氨基氧化由香草胺生产香草醛。生物转化法合成天然2-苯乙醇2-苯乙醇是一种具有柔和细腻玫瑰气味的芳香醇，天然存在于玫瑰、茉莉、百合和丁香等多种植物的精油中，这些植物也因含%苯乙醇而芳香怡人。2-苯乙醇的玫瑰香气颇受人欢迎，是国际香精香料的主流风格，大量应用于玫瑰型及其他类型的香精配方中，在食品和日化用品等领域中均有广泛应用。2-苯乙醇生物合成的艾氏代谢途径酵母细胞可以通过合成芳香族氨基酸的莽草酸途径全程合成2-苯乙醇，也可以通过氨基酸分解途径转化L-苯丙氨酸为2-苯乙醇。L-苯丙氨酸首先在转氨酶作用下生成苯丙酮酸，或在脱羧酶的作用下形成苯乙胺，再脱羧或胺氧化形成苯乙醛，进而生成2-苯乙醇。代谢途径：常规发酵培养液中，酵母全程合成2-苯乙醇最终浓度都非常低，所以，全程合成2-苯乙醇的发酵方法不是一种经济有效的生产方法，但在培养基中加入L-苯丙氨酸作为酵母生产的唯一氮源，2-苯乙醇的浓度便可以大大提高。如在L-苯丙氨酸浓度为10g/L，酿酒酵母BD菌株培养18h，转化合成的2-苯乙醇浓度可达4.65g/L。利用马克斯克鲁维酵母CBS600菌株，进行两相体系转化合成2-苯乙醇，2-苯乙醇浓度可达5.6g/L，转化率高达83%。可以看出，利用L-苯丙氨酸为前体，生物转化法合成2=苯乙醇是实际可行的生产工艺。目前，国际市场上的L-苯丙氨酸基本上都是采用微生物发酵法或酶法生产，属于天然原料，大量用于阿斯巴甜的合成，且市场价格便宜，可满足大规模生物转化法合成天然2-苯乙醇的需要。前景与展望利用生物技术生产香料物质前景广阔，与生产天然香料、合成香料相比较，生物技术生产香料有不可比拟的优点。随着生物技术的不断发展，生物技术以香精，香料的工业生产定会产生十分重要的作用和深远的影响。由此可见,用生物法制备天然香精香料给香精香料工业带来了一次革命性的突破。生物法制备天然香精香料的进一步发展必将促进广泛应用高效的绿色生物催化过程改造传统的化学过程,以解决人类所面临的资源短缺、能源危机及环境污染等限制社会和经济发展的重大问题,也为食品添加剂行业其他天然食品添加剂如生物防腐剂、色素等的健康发展提供了一条良好的借鉴思路。谢谢！