生物技術(shù)合成天然香料香精

1、生物技術(shù)(jsh)合成天然香料香精共三十一頁目錄(ml)起源香料香精生物技術(shù)合成天然香料香精的方法生物轉(zhuǎn)化(shn w zhun hu)法合成天然香蘭素生物轉(zhuǎn)化法合成天然2-苯乙醇前景與展望共三十一頁起源(qyun)自古以來，人們已在無意識的情況下利用微生物使一些食品更具風(fēng)味，如各種酒類、醬、醋和面包等發(fā)酵類食品都具有一種自然的清香。到19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人們才開始認(rèn)識發(fā)酵食品的典型香味與發(fā)酵微生物之間的關(guān)系，香味物質(zhì)乃是微生物生長過程合成的一些代謝產(chǎn)物。發(fā)酵食品中特定的微生物群已決定了該食品所特有的香氣，比如奶酪、酸奶、醬油、啤酒、泡菜等中的味道各有特點(diǎn)。已知有多種微生物，包括細(xì)菌、霉菌和

2、酵母，都可以利用基本的營養(yǎng)成分通過全程合成某些香料化合物，包括揮發(fā)性醇類、酯類、羰基化合物、有機(jī)酸、硫化物、氨基酸類等。許多細(xì)菌和霉菌都具有合成芳香化合物的能力。如枯草芽孢桿菌能夠全程合成吡嗪類物質(zhì)，從而賦予醬油、豆豉、豆瓣醬和醬香型 白酒(biji)特有的香味 。擬孢長喙殼菌能產(chǎn)生多種帶有果味花香的萜烯類化合物；念珠長喙殼菌能產(chǎn)生包括乙酸異丁酯、乙酸異戊酯、香茅醇和香葉醇等多種香氣物質(zhì)；哈茨木霉 菌株能有效地形成具有椰子味的內(nèi)酯6-戊基-吡喃酮。共三十一頁共三十一頁香料(xinglio)香精香料是指具有令人愉快的芳香氣味，用于調(diào)配香精的化合物或混合物，而香精則是由多種香料調(diào)配而成的香氣和諧、

3、令人喜愛的混合物。香料香精不是直接消費(fèi)品，而是添加在其他產(chǎn)品中的配套原料。香料香精廣泛配套使用于食品、飲料、酒類、卷煙、日化、醫(yī)藥、飼料以及紡織和皮革(pg)等工業(yè)，其加入量雖不大，但對產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次極為重要。目前世界上香料品種約6000多種，全球?qū)ο懔系男枨竽暝鲩L率超過4.4%，2008年全球香料香精市場需求量總計超過185.6億美元。共三十一頁香料(xinglio)香精共三十一頁天然(tinrn)香料和合成香料香料的生產(chǎn)方法有兩種，即從天然動植物原料中提取和化學(xué)合成，由此將香料分為(fn wi)兩大類，即天然香料和合成香料。人類進(jìn)入21世紀(jì)，隨著生活水平的提高和健康意識的增強(qiáng)，化學(xué)合成香

4、料香精的安全性還是受到人們的懷疑，始終擔(dān)心它們對健康具有潛在的危害，所以越來越青睞無污染的天然產(chǎn)品。從動植物原料中提取的天然香料符合人們這種安全性的需求，但天然動植物香料受原料來源的限制，其開發(fā)和應(yīng)用受到極大地限制，無法滿足人們的這種需要。天然和合成的價格差異激發(fā)了 眾多針對這些有價值的香料化合物而進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化工藝開發(fā)的研究，就是要利用微生物細(xì)胞或酶轉(zhuǎn)化天然前體或全程合成（發(fā)酵）來生產(chǎn)各種天然香料。共三十一頁生物技術(shù)合成天然(tinrn)香料香精的方法發(fā)酵工程(gngchng) 酶工程細(xì)胞工程基因工程共三十一頁 一. 基因工程(jyn gngchng) 基因工程（genetic enginee

5、ring）又稱基因拼接技術(shù)和DNA重組(zhn z)技術(shù)。所謂基因工程是在分子水平上對基因進(jìn)行操作的復(fù)雜技術(shù)，是將外源基因通過體外重組(zhn z)后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使這個基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)的操作。 利用基因工程技術(shù)，改良香料植物的基因性狀，培養(yǎng)出高產(chǎn)香料物質(zhì)的植物細(xì)胞株。 共三十一頁應(yīng)用(yngyng)實(shí)例日本山形縣工業(yè)技術(shù)中心采取突變法，將產(chǎn)香能力強(qiáng)的遺傳因子導(dǎo)人酵母菌中，經(jīng)過兩年時間培育出了新酵母菌。用這種新酵母菌釀制葡萄灑及一些果酒,可提高酒中乙酸異戊酯等7種香氣的含量，使酒味香氣濃郁。通過基因工程將牛肉風(fēng)味肽的基因附在-factor載體上在酵母細(xì)胞中表達(dá),所生產(chǎn)出

6、來的酵母抽提物中含有較高濃度的風(fēng)味牛肉肽,即可利用酵母進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)牛肉風(fēng)味肽。將脫苦蛋白酶和風(fēng)味醛氧化酶對應(yīng)基因在菌體中克隆并成功表達(dá),可利用建造的基因工程菌排去干酪香料(xinglio)中的不良風(fēng)味.共三十一頁 二.細(xì)胞工程 利用植物細(xì)胞(xbo)、 組織和器官大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù),可以大量培養(yǎng)香料植物,從而獲得高價值的香料。食用香料植物組織培養(yǎng)在天然香料工業(yè)中的研究集中在快速繁殖、種質(zhì)保存、品種改良、新品種培育和脫落病毒等方面，作為精油的生物反應(yīng)器和為轉(zhuǎn)基因技術(shù)提供植物受體的研究越來越受到人們的重視。共三十一頁在利用植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)香蘭素時,通過在培養(yǎng)基中添加一些植物激素,如2,4-二氯苯氧

7、乙酸(2,4-dichlorophenoxyacetic acid,2,4-D)、芐基腺嘌呤(benzyl adenine,BA)和萘乙酸(naphthalene acetic acid,NAA)等,愈傷組織(zzh)發(fā)生率大大提高,而且所形成的愈傷組織(zzh)的繼代培養(yǎng)生長較好。 同時,采用植物細(xì)胞培養(yǎng)(piyng)技術(shù)生產(chǎn)香蘭素及其系列化合物時,會受到多種因素影響。外植體、使用培養(yǎng)(piyng)基的類型、培養(yǎng)(piyng)基中添加的前體物質(zhì)的種類和數(shù)量、培養(yǎng)(piyng)期的溫度和光照都會對代謝物的組成和產(chǎn)量有重要影響。共三十一頁 三.酶工程 酶工程是利用酶的催化作用生產(chǎn)各種有價值物質(zhì)的

8、技術(shù)。到目前為止,約3000種酶在文獻(xiàn)中被報道,但只有幾百種可商業(yè)化生產(chǎn),且其中僅20種適合于工業(yè)生產(chǎn)過程,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過程,而且還可將大分子(fnz)前體化合物水解為小分子(fnz)香料物質(zhì),一個很好的例子是酯水解反應(yīng)的逆反應(yīng)即利用脂肪酶在非水相中的酯化反應(yīng),這些性水解和轉(zhuǎn)酯反應(yīng)。共三十一頁 利用(lyng)酶工程,可以生成許多香料的前體物質(zhì)。應(yīng)用這一方法,一方面可拓寬香料的原料來源,另一方面通過尋找廉價的原料,大大減少生產(chǎn)成本。共三十一頁1983年,Tien和Kirk從黃孢原毛平革菌 中分離出木質(zhì)素過氧化物酶,并對其進(jìn)行定性,發(fā)現(xiàn)它與木質(zhì)素的

9、解聚有關(guān)。 1998年,Williamson等以農(nóng)業(yè)廢料為原料,采用物理和酶工程相結(jié)合的方法,產(chǎn)生香蘭素生物(shngw)合成的重要前體物質(zhì)阿魏酸（ferulic acid）。 阿魏酸（ferulic acid）共三十一頁 四.發(fā)酵(f jio)工程發(fā)酵工程是生物技術(shù)的重要組成部分,它將微生物學(xué)、生物化學(xué)、化學(xué)工程學(xué)的基本原理有機(jī)地結(jié)合起來,是一門利用微生物的生長代謝活動來生產(chǎn)各種有用物質(zhì)的工程技術(shù)。 該技術(shù)是目前生產(chǎn)香料(xinglio)最廣泛的生物技術(shù)，以工農(nóng)業(yè)廢料為原料,利用微生物可以生產(chǎn)各種天然香料(xinglio)。細(xì)菌、霉菌和酵母菌都可用來生產(chǎn)香蘭素、內(nèi)酯等香料(xinglio),

10、采用細(xì)胞固定化等技術(shù)手段還可以大大提高香料(xinglio)物質(zhì)的產(chǎn)量。共三十一頁在香蘭素（vanillin）合成(hchng)中的應(yīng)用 許多細(xì)菌(xjn)、霉菌和酵母菌都可用來生產(chǎn)香蘭素,一些微生物以阿魏酸、丁子香酚、異丁子香酚、香草醇、香草胺、松柏醇、藜蘆醇等化合物為前體,經(jīng)發(fā)醇可獲得香蘭素。 共三十一頁生物轉(zhuǎn)化法合成(hchng)天然香蘭素香蘭素，即香草醛，化學(xué)名為3-甲氧基-4-羥基苯甲醛，是一種以奶油甜香味為特征的風(fēng)味物質(zhì)，廣泛用于冰淇淋、巧克力和乳制甜點(diǎn)等食品中，堪稱世界(shji)上使用最廣的增香劑。共三十一頁生物轉(zhuǎn)化(shn w zhun hu)法合成香蘭素三條路線以阿魏酸為前

11、體以丁香酚或異丁香酚為前體酶轉(zhuǎn)化(zhunhu)法共三十一頁以阿魏酸為前體阿魏酸是木材、草、和谷殼細(xì)胞壁中含量極大的一種肉桂酸衍生物,它作為配糖的軛合物同各種碳水化合物共價相連,經(jīng)堿水解可從谷殼中釋放出來。阿魏酸對微生物的毒性小,在其降解生成(shn chn)香草醛的過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物也少,因此它是最常用的前體物質(zhì)之一。一些細(xì)菌和真菌就能夠?qū)⑽核徂D(zhuǎn)化為香蘭酸或直接轉(zhuǎn)化為香蘭素。如惡臭假單胞菌能將阿魏酸非常高效地轉(zhuǎn)化為香蘭酸，轉(zhuǎn)化濃度可達(dá)2.25g/L；擬無枝酸菌DSM9992 菌株則能將阿魏酸直接轉(zhuǎn)化成香蘭素，轉(zhuǎn)化濃度高達(dá)11.5g/L。此外，也有研究開出兩步轉(zhuǎn)化工藝，首先由黑根霉將阿魏酸轉(zhuǎn)

12、化為香蘭酸，再由朱紅密孔菌再將香蘭酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為香蘭素，轉(zhuǎn)化濃度可以達(dá)到1.45g/L。共三十一頁以丁香酚或異丁香酚為前體丁香酚是丁香油的主要成分，是一種天然前體，市場上有大量供應(yīng)，價格也不貴。有些微生物菌株能將丁香酚轉(zhuǎn)化為阿魏酸、阿魏醛或松柏醛，繼而(j r)再轉(zhuǎn)化為香蘭素，如銅綠假單胞菌轉(zhuǎn)化丁香酚，轉(zhuǎn)化9h可產(chǎn)生香蘭素280mg/L，香草醇100mg/L以及阿魏酸48mg/L；利用枯草芽孢桿菌轉(zhuǎn)化異丁香酚，香蘭素濃度可達(dá)0.61g/L，摩爾轉(zhuǎn)化率為12.4%，其無細(xì)胞萃取液能產(chǎn)生0.9g/L香蘭素，摩爾轉(zhuǎn)化率為14%。共三十一頁香蘭素的生物轉(zhuǎn)化(shn w zhun hu)路線共三十一頁酶

13、轉(zhuǎn)化(zhunhu)法近年來對微生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)香草醛研究得較多,但一般情況下香草醛只是代謝中間產(chǎn)物,會繼續(xù)降解而不易積累。因此除了繼續(xù)設(shè)法尋找可在代謝途徑中積累香草醛的菌株外,用酶轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)香草醛是近年來又一個很有前景(qinjng)的研究方向。常用來進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的酶有從轉(zhuǎn)化效果較好的微生物中提取出來的相關(guān)酶,也有從植物中提取的酶。已經(jīng)報道的酶轉(zhuǎn)化法有的與微生物轉(zhuǎn)化法相結(jié)合分兩步進(jìn)行;也有用酶單獨(dú)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的。共三十一頁1990年Yoshimoto等人從Pseudomonassp.TMY1009中分離出一種苯乙烯雙氧酶,并闡述了用苯乙烯雙氧酶從苯乙烯和異丁香酚轉(zhuǎn)化香草醛的方法。荷蘭的Robert

14、 等人建立了雙酶法合成香草醛的工藝,在該工藝中香草醇氧化酶(VAO)能將甲氧甲酚(ji fn)和香草胺以很高的產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為香草醛。VAO催化的甲氧甲酚(ji fn)轉(zhuǎn)化分兩步進(jìn)行,即先形成香草醇再氧化為香草醛;VAO催化的香草胺轉(zhuǎn)化能在堿性條件下有效地進(jìn)行,香草胺先轉(zhuǎn)化為香草胺中間產(chǎn)物,后者再經(jīng)非酶水解轉(zhuǎn)化為香草醛。由于紅辣椒和辣椒素能經(jīng)酶法水解轉(zhuǎn)化為香草胺,因此由香草胺生產(chǎn)香草醛的方法很有潛力。Yoshida Aya等人用黑曲霉中的氨氧化酶(AO)通過氨基氧化由香草胺生產(chǎn)香草醛。共三十一頁生物轉(zhuǎn)化(shn w zhun hu)法合成天然2-苯乙醇 2-苯乙醇是一種具有柔和細(xì)膩玫瑰氣味的芳香醇，

15、天然存在于玫瑰、茉莉、百合和丁香(dngxing)等多種植物的精油中，這些植物也因含%苯乙醇而芳香怡人。2-苯乙醇的玫瑰香氣頗受人歡迎，是國際香精香料的主流風(fēng)格，大量應(yīng)用于玫瑰型及其他類型的香精配方中，在食品和日化用品等領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。 共三十一頁2-苯乙醇生物(shngw)合成的艾氏代謝途徑酵母(jiom)細(xì)胞可以通過合成芳香族氨基酸的莽草酸途徑全程合成2-苯乙醇，也可以通過氨基酸分解途徑轉(zhuǎn)化L-苯丙氨酸為2-苯乙醇。L-苯丙氨酸首先在轉(zhuǎn)氨酶作用下生成苯丙酮酸，或在脫羧酶的作用下形成苯乙胺，再脫羧或胺氧化形成苯乙醛，進(jìn)而生成2-苯乙醇。代謝途徑：共三十一頁常規(guī)發(fā)酵培養(yǎng)液中，酵母全程合成2

16、-苯乙醇最終濃度都非常低，所以，全程合成2-苯乙醇的發(fā)酵方法不是一種經(jīng)濟(jì)有效的生產(chǎn)方法，但在培養(yǎng)基中加入L-苯丙氨酸作為酵母生產(chǎn)的唯一氮源，2-苯乙醇的濃度便可以(ky)大大提高。如在L-苯丙氨酸濃度為10g/L，釀酒酵母BD菌株培養(yǎng)18h，轉(zhuǎn)化合成的2-苯乙醇濃度可達(dá)4.65g/L。利用馬克斯克魯維酵母CBS600菌株，進(jìn)行兩相體系轉(zhuǎn)化合成2-苯乙醇，2-苯乙醇濃度可達(dá)5.6g/L，轉(zhuǎn)化率高達(dá)83%?？梢钥闯?，利用L-苯丙氨酸為前體，生物轉(zhuǎn)化法合成2=苯乙醇是實(shí)際可行的生產(chǎn)工藝。目前，國際市場上的L-苯丙氨酸基本上都是采用微生物發(fā)酵法或酶法生產(chǎn)，屬于天然原料，大量用于阿斯巴甜的合成，且市場價

17、格便宜，可滿足大規(guī)模生物轉(zhuǎn)化法合成天然2-苯乙醇的需要。共三十一頁前景(qinjng)與展望 利用生物技術(shù)生產(chǎn)香料物質(zhì)前景廣闊，與生產(chǎn)天然香料、合成香料相比較，生物技術(shù)生產(chǎn)香料有不可比擬(bn)的優(yōu)點(diǎn)。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，生物技術(shù)以香精，香料的工業(yè)生產(chǎn)定會產(chǎn)生十分重要的作用和深遠(yuǎn)的影響。共三十一頁由此可見,用生物法制備天然香精香料給香精香料工業(yè)帶來了一次革命性的突破。生物法制備天然香精香料的進(jìn)一步發(fā)展必將促進(jìn)廣泛應(yīng)用高效的綠色生物催化過程改造傳統(tǒng)的化學(xué)過程,以解決人類所面臨的資源短缺、能源危機(jī)及環(huán)境污染等限制社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題,也為食品(shpn)添加劑行業(yè)其他天然食品(shpn)添加劑如生物防腐劑、色素等的健康發(fā)展提供了一條良好的借鑒思路。共三十一頁 謝謝(xi xie)！ 共三十一頁內(nèi)容摘要生物技術(shù)合成天然香料香精。一些細(xì)菌和真菌就能夠?qū)⑽核徂D(zhuǎn)化為香