微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件

微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料鄭松彬微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料鄭松彬1微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹2香料在食品、飲料及化妝品工業(yè)中大量被使用，每年全世界的香料市場達(dá)到180億美元（2006），而且在逐年平穩(wěn)增長中。當(dāng)今世界市場上大多數(shù)的香料均由化學(xué)法合成，只有少于5%可稱為天然的香料是從植物中提取到。采用不同方法生產(chǎn)的香料的價(jià)格差別非常大，以香草醛為例：從香蘭豆中提取的香草醛價(jià)格在0.22~0.25g/1美元之間，而由化學(xué)法從鄰甲氧基苯酚合成的香草醛則大約為66.7g/1美元。根據(jù)美國FDA和歐洲的法律規(guī)定，用生物技術(shù)方法產(chǎn)生的香料，如果用于生產(chǎn)的最初原料是天然的，也可視為天然香料，所以許多的研究開始聚焦在采用生物技術(shù)方法來生產(chǎn)香精和香料。香料在食品、飲料及化妝品工業(yè)中大量被使用，每年全世界的香料市3當(dāng)前香料生產(chǎn)中存在的問題：當(dāng)前的香料生產(chǎn)主要以化學(xué)合成法為主，由于這常會(huì)導(dǎo)致一些有環(huán)境有害的產(chǎn)物的生成，而且由于缺乏底物的專一性，會(huì)導(dǎo)致形成一些不需要的反應(yīng)復(fù)合物，這會(huì)降低生產(chǎn)的效率和增加下游提取工藝的成本。此外，根據(jù)歐洲的立法，采用化學(xué)法合成的香料在食品、飲料和化妝品中的應(yīng)用是受到限制的。從植物中直接提取香料的做法存在很多問題。植物中我們所需要的化合物的濃度一般是很低的，這使用提取的工藝成本很高，而產(chǎn)量也是受到天氣及病害的影響。所以，天然香料不能滿足巨大市場的需求，尋找另外的資源勢在必行。當(dāng)前香料生產(chǎn)中存在的問題：當(dāng)前的香料生產(chǎn)主要以化學(xué)合成法為主4采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料：優(yōu)點(diǎn)：相對溫和的反應(yīng)條件；高的底物特導(dǎo)性的產(chǎn)品的單一性；較小的環(huán)境污染。方法：通過植物組織；通過分離到的酶；通過微生物。酶和微生物催化在底物的選擇性和產(chǎn)品的單一性上具有優(yōu)勢，產(chǎn)品也更容易分離得到，所以這也是被認(rèn)為更有潛力的一種策略。采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料：優(yōu)點(diǎn)：相對溫和的反應(yīng)條件；酶和微生物催5微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件6微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹7丙烯基苯是一種具有不同取代基團(tuán)的芳香族化合物，作為起始化合物用于生產(chǎn)各種香料，它能通過物理方法從植物油中萃取。丙烯基苯對于大多數(shù)的微生物來說是有毒害作用的，但最近報(bào)道稱某些微生物能將丙烯基苯轉(zhuǎn)化為高值的香料。例如，從丁香樹Syzygiumaromaticum精油萃取的丁香酚和異丁香酚能被轉(zhuǎn)化為香蘭素。許多研究開始聚焦在這個(gè)過程的中間媒介以及關(guān)鍵酶的分離，以闡明丙烯基苯的代謝機(jī)制。丙烯基苯是一種具有不同取代基團(tuán)的芳香族化合物，作為起始化合物8微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件9丙烯基苯的微生物代謝：環(huán)氧——二醇途徑：曲霉菌屬、紅球菌屬、棒狀桿菌屬、假單胞菌屬、克雷伯菌屬、腸桿菌屬、沙雷氏菌屬、芽胞桿菌屬和節(jié)桿菌屬的一些微生物可以催化丙烯基苯側(cè)鏈的氧化，這是香蘭素、松柏醇、松柏醛以及其他在重要的產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步。研究認(rèn)為，1-丙烯基苯和2-丙烯基苯都是通過環(huán)氧化物——二醇途徑代謝的，這也意味著一個(gè)環(huán)氧化物結(jié)構(gòu)和一個(gè)二醇結(jié)構(gòu)存在于代謝途徑中1-丙烯基苯總是通過苯甲酸取代進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，而2-丙烯基苯則先變成丙烯酸，產(chǎn)生相應(yīng)的苯乙烯酸衍生物。丙烯基苯的微生物代謝：環(huán)氧——二醇途徑：曲霉菌屬、紅球菌屬、101-丙烯基笨：異丁香酚和茴香醚

在枯草牙胞桿菌HS中確認(rèn)

在短小牙胞桿菌S-1中確認(rèn)

從惡臭假單胞菌中純化到酶

1-丙烯基笨：異丁香酚和茴香醚在枯草牙胞桿菌HS中確認(rèn)在112-丙烯基笨：丁香酚幾種代謝中間產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)

從紅球菌屬分離到氧化酶

2-丙烯基笨：丁香酚幾種代謝中間產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)從紅球菌屬分離到12微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹13香草醛（C8H8O3，4-羥基-3-甲氧基-苯甲醛），在世界市場上最重要的香料，每年的需求量超過12000噸，然而超過80%的香草醛是由化學(xué)方法合成。通過生物技術(shù)的方法生產(chǎn)香草醛已經(jīng)被廣泛地研究，也嘗試了幾種底物，如阿魏酸、丁香酚、異丁香酚、香草酸、木質(zhì)素甚至葡萄糖。在這幾種底物中，經(jīng)阿魏酸轉(zhuǎn)化得到的香草醛的產(chǎn)量最高，接近20g/l，摩爾產(chǎn)率比其他的高50%。然而，用于反應(yīng)的阿魏酸不是從天然原料得到的，而且用該方法得到的香草醛也不能列入天然品。也有一些實(shí)驗(yàn)嘗試用玉米糠和甜菜槳用酶法生產(chǎn)阿魏酸，但由于獲得的阿魏酸的產(chǎn)量太低，而無可行性。香草醛（C8H8O3，4-羥基-3-甲氧基-苯甲醛），在世界14微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)香草醛在許多微生物轉(zhuǎn)化過程中，只有微量的香草醛被累積。通過假單胞菌HR199和渾濁紅球菌PD630催化丁香酚的生物轉(zhuǎn)化過程中，阿魏酸、香草酸或松柏醇是主要產(chǎn)物。為了提高香草醛的產(chǎn)量，有人引入了代謝工程，從簡青霉素中得到香草醇氧化酶基因，然后在渾濁紅球菌PD630和無枝酸菌HR167，再引入從假單胞菌HR199菌株的松柏醇脫氫酶(calA)和松柏醛脫氫酶(calB)，經(jīng)重組獲得的菌株能轉(zhuǎn)化丁香酚為阿魏酸，然后再轉(zhuǎn)化為香草醛，從而建立了香草醛的生產(chǎn)過程。微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)香草醛在許多微生物轉(zhuǎn)化過程中，只有微量的香草醛15微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件16酶催化法生產(chǎn)香草醛通過酶催化轉(zhuǎn)化丁香酚和異丁香酚是生產(chǎn)香草醛的另外一個(gè)微生物途。苯乙烯雙加氧酶、香草醇氧化酶（脫氫酶）和脂氧化酶均有報(bào)道。甲氧甲酚和vanillylamine被轉(zhuǎn)化為香草醇，然后在香草醇氧化酶的催化下變成香草醛。從大豆中提取到一種能轉(zhuǎn)化異丁香酚為香草醛的天然酶制劑，加入活性碳和過氧化物H2O2后，香草醛的產(chǎn)量為2.46g/l，摩爾轉(zhuǎn)化率為13.3%。

酶催化法生產(chǎn)香草醛通過酶催化轉(zhuǎn)化丁香酚和異丁香酚是生產(chǎn)香草醛17從丙烯基苯得到的其他香料產(chǎn)品近年來，香草醛吸引了大部分的注意力。然而，還有其他的由生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯得到的香料產(chǎn)品，包括茴香醛、茴香醇、松柏醛、松柏醇。例如，有報(bào)道使用突變的ArthrobacterglobiformisDSM3597轉(zhuǎn)化丁香酚可得到1.25g/l的松柏醛。盡管現(xiàn)在對這些香料的需要量還不大，但它們還是代表了一些有潛在市場價(jià)值的香料產(chǎn)品從丙烯基苯得到的其他香料產(chǎn)品近年來，香草醛吸引了大部分的注意18微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹19挑戰(zhàn)：大多數(shù)的微生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)量和濃度都比較低，以至生物技術(shù)轉(zhuǎn)化工藝缺少可行性。前景：1、經(jīng)基因改良，可能產(chǎn)生具有更高催化活性的菌株，采用分子技術(shù)直接進(jìn)行關(guān)鍵酶的移植是將來提高產(chǎn)量的一個(gè)重要的工具。一個(gè)很好的例證通過重建一個(gè)缺乏內(nèi)酯降解的?；o酶A氧化酶活性的菌株，生產(chǎn)的菌株只是輕微的改變，但相對于野生型菌株γ癸內(nèi)酯的產(chǎn)量卻是十倍地增加。2、工藝優(yōu)化將會(huì)是另外一個(gè)重要的方向。如由液相和實(shí)質(zhì)相組成的雙相生物轉(zhuǎn)化體系，已經(jīng)成功地應(yīng)用在許多生物轉(zhuǎn)化（或降解）過程。在雙相體系中，底物的毒性被降低，更有利于底物在細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)化。應(yīng)用這種雙相轉(zhuǎn)化體系，在由異丁香酚生產(chǎn)香草醛中取得了巨大的進(jìn)步，香草醛的產(chǎn)量達(dá)到30g/l。

挑戰(zhàn)：大多數(shù)的微生物轉(zhuǎn)化的產(chǎn)量和濃度都比較低，以至生物技術(shù)轉(zhuǎn)20THANKYOUTHANKYOU21微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料鄭松彬微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料鄭松彬22微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹23香料在食品、飲料及化妝品工業(yè)中大量被使用，每年全世界的香料市場達(dá)到180億美元（2006），而且在逐年平穩(wěn)增長中。當(dāng)今世界市場上大多數(shù)的香料均由化學(xué)法合成，只有少于5%可稱為天然的香料是從植物中提取到。采用不同方法生產(chǎn)的香料的價(jià)格差別非常大，以香草醛為例：從香蘭豆中提取的香草醛價(jià)格在0.22~0.25g/1美元之間，而由化學(xué)法從鄰甲氧基苯酚合成的香草醛則大約為66.7g/1美元。根據(jù)美國FDA和歐洲的法律規(guī)定，用生物技術(shù)方法產(chǎn)生的香料，如果用于生產(chǎn)的最初原料是天然的，也可視為天然香料，所以許多的研究開始聚焦在采用生物技術(shù)方法來生產(chǎn)香精和香料。香料在食品、飲料及化妝品工業(yè)中大量被使用，每年全世界的香料市24當(dāng)前香料生產(chǎn)中存在的問題：當(dāng)前的香料生產(chǎn)主要以化學(xué)合成法為主，由于這常會(huì)導(dǎo)致一些有環(huán)境有害的產(chǎn)物的生成，而且由于缺乏底物的專一性，會(huì)導(dǎo)致形成一些不需要的反應(yīng)復(fù)合物，這會(huì)降低生產(chǎn)的效率和增加下游提取工藝的成本。此外，根據(jù)歐洲的立法，采用化學(xué)法合成的香料在食品、飲料和化妝品中的應(yīng)用是受到限制的。從植物中直接提取香料的做法存在很多問題。植物中我們所需要的化合物的濃度一般是很低的，這使用提取的工藝成本很高，而產(chǎn)量也是受到天氣及病害的影響。所以，天然香料不能滿足巨大市場的需求，尋找另外的資源勢在必行。當(dāng)前香料生產(chǎn)中存在的問題：當(dāng)前的香料生產(chǎn)主要以化學(xué)合成法為主25采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料：優(yōu)點(diǎn)：相對溫和的反應(yīng)條件；高的底物特導(dǎo)性的產(chǎn)品的單一性；較小的環(huán)境污染。方法：通過植物組織；通過分離到的酶；通過微生物。酶和微生物催化在底物的選擇性和產(chǎn)品的單一性上具有優(yōu)勢，產(chǎn)品也更容易分離得到，所以這也是被認(rèn)為更有潛力的一種策略。采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料：優(yōu)點(diǎn)：相對溫和的反應(yīng)條件；酶和微生物催26微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件27微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹28丙烯基苯是一種具有不同取代基團(tuán)的芳香族化合物，作為起始化合物用于生產(chǎn)各種香料，它能通過物理方法從植物油中萃取。丙烯基苯對于大多數(shù)的微生物來說是有毒害作用的，但最近報(bào)道稱某些微生物能將丙烯基苯轉(zhuǎn)化為高值的香料。例如，從丁香樹Syzygiumaromaticum精油萃取的丁香酚和異丁香酚能被轉(zhuǎn)化為香蘭素。許多研究開始聚焦在這個(gè)過程的中間媒介以及關(guān)鍵酶的分離，以闡明丙烯基苯的代謝機(jī)制。丙烯基苯是一種具有不同取代基團(tuán)的芳香族化合物，作為起始化合物29微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件30丙烯基苯的微生物代謝：環(huán)氧——二醇途徑：曲霉菌屬、紅球菌屬、棒狀桿菌屬、假單胞菌屬、克雷伯菌屬、腸桿菌屬、沙雷氏菌屬、芽胞桿菌屬和節(jié)桿菌屬的一些微生物可以催化丙烯基苯側(cè)鏈的氧化，這是香蘭素、松柏醇、松柏醛以及其他在重要的產(chǎn)品生產(chǎn)的第一步。研究認(rèn)為，1-丙烯基苯和2-丙烯基苯都是通過環(huán)氧化物——二醇途徑代謝的，這也意味著一個(gè)環(huán)氧化物結(jié)構(gòu)和一個(gè)二醇結(jié)構(gòu)存在于代謝途徑中1-丙烯基苯總是通過苯甲酸取代進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，而2-丙烯基苯則先變成丙烯酸，產(chǎn)生相應(yīng)的苯乙烯酸衍生物。丙烯基苯的微生物代謝：環(huán)氧——二醇途徑：曲霉菌屬、紅球菌屬、311-丙烯基笨：異丁香酚和茴香醚

在枯草牙胞桿菌HS中確認(rèn)

在短小牙胞桿菌S-1中確認(rèn)

從惡臭假單胞菌中純化到酶

1-丙烯基笨：異丁香酚和茴香醚在枯草牙胞桿菌HS中確認(rèn)在322-丙烯基笨：丁香酚幾種代謝中間產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)

從紅球菌屬分離到氧化酶

2-丙烯基笨：丁香酚幾種代謝中間產(chǎn)物被發(fā)現(xiàn)從紅球菌屬分離到33微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹丙烯基苯代謝機(jī)制的探索采用生物技術(shù)生產(chǎn)香料的一些進(jìn)展前景與展望微生物轉(zhuǎn)化丙烯基苯產(chǎn)生天然香料背景介紹34香草醛（C8H8O3，4-羥基-3-甲氧基-苯甲醛），在世界市場上最重要的香料，每年的需求量超過12000噸，然而超過80%的香草醛是由化學(xué)方法合成。通過生物技術(shù)的方法生產(chǎn)香草醛已經(jīng)被廣泛地研究，也嘗試了幾種底物，如阿魏酸、丁香酚、異丁香酚、香草酸、木質(zhì)素甚至葡萄糖。在這幾種底物中，經(jīng)阿魏酸轉(zhuǎn)化得到的香草醛的產(chǎn)量最高，接近20g/l，摩爾產(chǎn)率比其他的高50%。然而，用于反應(yīng)的阿魏酸不是從天然原料得到的，而且用該方法得到的香草醛也不能列入天然品。也有一些實(shí)驗(yàn)嘗試用玉米糠和甜菜槳用酶法生產(chǎn)阿魏酸，但由于獲得的阿魏酸的產(chǎn)量太低，而無可行性。香草醛（C8H8O3，4-羥基-3-甲氧基-苯甲醛），在世界35微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)香草醛在許多微生物轉(zhuǎn)化過程中，只有微量的香草醛被累積。通過假單胞菌HR199和渾濁紅球菌PD630催化丁香酚的生物轉(zhuǎn)化過程中，阿魏酸、香草酸或松柏醇是主要產(chǎn)物。為了提高香草醛的產(chǎn)量，有人引入了代謝工程，從簡青霉素中得到香草醇氧化酶基因，然后在渾濁紅球菌PD630和無枝酸菌HR167，再引入從假單胞菌HR199菌株的松柏醇脫氫酶(calA)和松柏醛脫氫酶(calB)，經(jīng)重組獲得的菌株能轉(zhuǎn)化丁香酚為阿魏酸，然后再轉(zhuǎn)化為香草醛，從而建立了香草醛的生產(chǎn)過程。微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)香草醛在許多微生物轉(zhuǎn)化過程中，只有微量的香草醛36微生物轉(zhuǎn)化丙烯基笨產(chǎn)生天然香料課件37酶催化法生產(chǎn)香草醛通過酶催化轉(zhuǎn)化丁香酚和異丁香酚是生產(chǎn)香草醛的另外一個(gè)微生物途。苯乙烯雙加氧酶、香草醇氧化酶（脫氫酶）和脂氧化酶均有報(bào)道。甲氧甲酚和vanillylamine被轉(zhuǎn)化為香草醇，然后在香草醇氧化酶的催化下變成香草醛。從大豆中提取到一種能轉(zhuǎn)化異丁香酚為香草醛的天然酶制劑，加入活性碳和過氧化物H2O2后，香草醛的產(chǎn)量為2.46g/l，摩爾轉(zhuǎn)化率為13.3%。

酶催化法生產(chǎn)香草醛通過酶催化轉(zhuǎn)化丁香酚和異丁香酚是生產(chǎn)香草醛38從丙烯基苯得到的其他