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1、微生物转化丙烯基苯产生天然香料微生物转化丙烯基苯产生天然香料郑松彬郑松彬微生物转化丙烯基苯产生天然香料微生物转化丙烯基苯产生天然香料l l背景介绍背景介绍l l丙烯基苯代谢机制的探索l l采用生物技术生产香料的一些进展l l前景与展望l l香料在食品、饮料及化妆品工业中大量被使用，每年全世香料在食品、饮料及化妆品工业中大量被使用，每年全世界的香料市场达到界的香料市场达到180180亿美元（亿美元（20062006），而且在逐年平稳），而且在逐年平稳增长中。增长中。l l当今世界市场上大多数的香料均由化学法合成，只有少于当今世界市场上大多数的香料均由化学法合成，只有少于5%5%可称为天然的香料是
2、从植物中提取到。采用不同方法可称为天然的香料是从植物中提取到。采用不同方法生产的香料的价格差别非常大，以香草醛为例：从香兰豆生产的香料的价格差别非常大，以香草醛为例：从香兰豆中提取的香草醛价格在中提取的香草醛价格在0.220.25g/ 10.220.25g/ 1美元之间，而由化学美元之间，而由化学法从邻甲氧基苯酚合成的香草醛则大约为法从邻甲氧基苯酚合成的香草醛则大约为66.7g /166.7g /1美元。美元。 l l根据美国根据美国FDAFDA和欧洲的法律规定，用生物技术方法产生的和欧洲的法律规定，用生物技术方法产生的香料，如果用于生产的最初原料是天然的，也可视为天然香料，如果用于生产的最初
3、原料是天然的，也可视为天然香料，所以许多的研究开始聚焦在采用生物技术方法来生香料，所以许多的研究开始聚焦在采用生物技术方法来生产香精和香料。产香精和香料。当前香料生产中存在的问题：l l当前的香料生产主要以化学合成法为主，由于这常会导致一当前的香料生产主要以化学合成法为主，由于这常会导致一些有环境有害的产物的生成，而且由于缺乏底物的专一性，些有环境有害的产物的生成，而且由于缺乏底物的专一性，会导致形成一些不需要的反应复合物，这会降低生产的效率会导致形成一些不需要的反应复合物，这会降低生产的效率和增加下游提取工艺的成本。此外，根据欧洲的立法，采用和增加下游提取工艺的成本。此外，根据欧洲的立法，采
4、用化学法合成的香料在食品、饮料和化妆品中的应用是受到限化学法合成的香料在食品、饮料和化妆品中的应用是受到限制的。制的。 l l从植物中直接提取香料的做法存在很多问题。植物中我们所从植物中直接提取香料的做法存在很多问题。植物中我们所需要的化合物的浓度一般是很低的，这使用提取的工艺成本需要的化合物的浓度一般是很低的，这使用提取的工艺成本很高，而产量也是受到天气及病害的影响。所以，天然香料很高，而产量也是受到天气及病害的影响。所以，天然香料不能满足巨大市场的需求，寻找另外的资源势在必行。不能满足巨大市场的需求，寻找另外的资源势在必行。采用生物技术生产香料：l l优点：相对温和的反应条件；优点：相对温
5、和的反应条件； 高的底物特导性的产品的单一性；高的底物特导性的产品的单一性； 较小的环境污染。较小的环境污染。l l方法：通过植物组织；方法：通过植物组织； 通过分离到的酶；通过分离到的酶； 通过微生物。通过微生物。酶和微生物催化在底物的选择性和产品的单一性上具有优势，产品也更容易分离得到，所以这也是被认为更有潜力的一种策略。微生物转化丙烯基苯产生天然香料微生物转化丙烯基苯产生天然香料l l背景介绍l l丙烯基苯代谢机制的探索丙烯基苯代谢机制的探索l l采用生物技术生产香料的一些进展l l前景与展望l l丙烯基苯是一种具有不同取代基团的芳香族化合丙烯基苯是一种具有不同取代基团的芳香族化合物，作
6、为起始化合物用于生产各种香料，它能通物，作为起始化合物用于生产各种香料，它能通过物理方法从植物油中萃取。过物理方法从植物油中萃取。 l l丙烯基苯对于大多数的微生物来说是有毒害作用丙烯基苯对于大多数的微生物来说是有毒害作用的，但最近报道称某些微生物能将丙烯基苯转化的，但最近报道称某些微生物能将丙烯基苯转化为高值的香料。例如，从丁香树为高值的香料。例如，从丁香树SyzygiumSyzygium aromaticumaromaticum精油萃取的丁香酚和异丁香酚能被转精油萃取的丁香酚和异丁香酚能被转化为香兰素。化为香兰素。l l许多研究开始聚焦在这个过程的中间媒介以及关许多研究开始聚焦在这个过程的
7、中间媒介以及关键酶的分离，以阐明丙烯基苯的代谢机制。键酶的分离，以阐明丙烯基苯的代谢机制。 丙烯基苯的微生物代谢：环氧丙烯基苯的微生物代谢：环氧丙烯基苯的微生物代谢：环氧丙烯基苯的微生物代谢：环氧二醇途径：二醇途径：二醇途径：二醇途径：l l曲霉菌属、红球菌属、棒状杆菌属、假单胞菌属、克雷曲霉菌属、红球菌属、棒状杆菌属、假单胞菌属、克雷伯菌属、肠杆菌属、沙雷氏菌属、芽胞杆菌属和节杆菌伯菌属、肠杆菌属、沙雷氏菌属、芽胞杆菌属和节杆菌属的一些微生物可以催化丙烯基苯侧链的氧化，这是香属的一些微生物可以催化丙烯基苯侧链的氧化，这是香兰素、松柏醇、松柏醛以及其他在重要的产品生产的第兰素、松柏醇、松柏醛以
8、及其他在重要的产品生产的第一步。一步。 l l研究认为，研究认为，1-1-丙烯基苯和丙烯基苯和2-2-丙烯基苯都是通过环氧化物丙烯基苯都是通过环氧化物二醇途径代谢的，这也意味着一个环氧化物结构和二醇途径代谢的，这也意味着一个环氧化物结构和一个二醇结构存在于代谢途径中一个二醇结构存在于代谢途径中l l1-1-丙烯基苯总是通过苯甲酸取代进行生物转化，而丙烯基苯总是通过苯甲酸取代进行生物转化，而2-2-丙丙烯基苯则先变成丙烯酸，产生相应的苯乙烯酸衍生物。烯基苯则先变成丙烯酸，产生相应的苯乙烯酸衍生物。 1-1-丙烯基笨：异丁香酚和茴香醚丙烯基笨：异丁香酚和茴香醚丙烯基笨：异丁香酚和茴香醚丙烯基笨：异
9、丁香酚和茴香醚 在枯草牙胞杆菌HS中确认 在短小牙胞杆菌S-1中确认 从恶臭假单胞菌中纯化到酶 2-2-丙烯基笨：丁香酚丙烯基笨：丁香酚丙烯基笨：丁香酚丙烯基笨：丁香酚几种代谢中间产物被发现 从红球菌属分离到氧化酶 微生物转化丙烯基苯产生天然香料微生物转化丙烯基苯产生天然香料l l背景介绍l l丙烯基苯代谢机制的探索l l采用生物技术生产香料的一些进展采用生物技术生产香料的一些进展l l前景与展望l l香草醛（香草醛（C C8 8H H8 8OO3 3，4-4-羟基羟基-3-3-甲氧基甲氧基- -苯甲醛），在世界市苯甲醛），在世界市场上最重要的香料，每年的需求量超过场上最重要的香料，每年的需求
10、量超过1200012000吨，然而超吨，然而超过过80%80%的香草醛是由化学方法合成。的香草醛是由化学方法合成。l l通过生物技术的方法生产香草醛已经被广泛地研究，也尝通过生物技术的方法生产香草醛已经被广泛地研究，也尝试了几种底物，如阿魏酸、丁香酚、异丁香酚、香草酸、试了几种底物，如阿魏酸、丁香酚、异丁香酚、香草酸、木质素甚至葡萄糖。在这几种底物中，经阿魏酸转化得到木质素甚至葡萄糖。在这几种底物中，经阿魏酸转化得到的香草醛的产量最高，接近的香草醛的产量最高，接近20g/l20g/l，摩尔产率比其他的高，摩尔产率比其他的高50%50%。 l l然而，用于反应的阿魏酸不是从天然原料得到的，而且用
11、然而，用于反应的阿魏酸不是从天然原料得到的，而且用该方法得到的香草醛也不能列入天然品。也有一些实验尝该方法得到的香草醛也不能列入天然品。也有一些实验尝试用玉米糠和甜菜桨用酶法生产阿魏酸，但由于获得的阿试用玉米糠和甜菜桨用酶法生产阿魏酸，但由于获得的阿魏酸的产量太低，而无可行性。魏酸的产量太低，而无可行性。微生物转化生产香草醛微生物转化生产香草醛l l在许多微生物转化过程中，只有微量的香草醛被累积。通在许多微生物转化过程中，只有微量的香草醛被累积。通过假单胞菌过假单胞菌HR199HR199和浑浊红球菌和浑浊红球菌PD630PD630催化丁香酚的生物催化丁香酚的生物转化过程中，阿魏酸、香草酸或松柏
12、醇是主要产物。转化过程中，阿魏酸、香草酸或松柏醇是主要产物。l l为了提高香草醛的产量，有人引入了代谢工程，从简青霉为了提高香草醛的产量，有人引入了代谢工程，从简青霉素中得到香草醇氧化酶基因，然后在浑浊红球菌素中得到香草醇氧化酶基因，然后在浑浊红球菌PD630PD630和和无枝酸菌无枝酸菌HR167HR167，再引入从假单胞菌，再引入从假单胞菌HR199HR199菌株的松柏醇菌株的松柏醇脱氢酶脱氢酶( (calAcalA) )和松柏醛脱氢酶和松柏醛脱氢酶( (calBcalB) )，经重组获得的菌株，经重组获得的菌株能转化丁香酚为阿魏酸，然后再转化为香草醛，从而建立能转化丁香酚为阿魏酸，然后再
13、转化为香草醛，从而建立了香草醛的生产过程。了香草醛的生产过程。酶催化法生产香草醛酶催化法生产香草醛l l通过酶催化转化丁香酚和异丁香酚是生产香草醛通过酶催化转化丁香酚和异丁香酚是生产香草醛的另外一个微生物途。苯乙烯双加氧酶、香草醇的另外一个微生物途。苯乙烯双加氧酶、香草醇氧化酶（脱氢酶）和脂氧化酶均有报道。氧化酶（脱氢酶）和脂氧化酶均有报道。 l l甲氧甲酚和甲氧甲酚和vanillylaminevanillylamine被转化为香草醇，然后被转化为香草醇，然后在香草醇氧化酶的催化下变成香草醛。在香草醇氧化酶的催化下变成香草醛。 l l从大豆中提取到一种能转化异丁香酚为香草醛的从大豆中提取到一种
14、能转化异丁香酚为香草醛的天然酶制剂，加入活性碳和过氧化物天然酶制剂，加入活性碳和过氧化物H H2 2OO2 2后，香后，香草醛的产量为草醛的产量为2.46g/l2.46g/l，摩尔转化率为，摩尔转化率为13.3%13.3%。 从丙烯基苯得到的其他香料产品从丙烯基苯得到的其他香料产品l l近年来，香草醛吸引了大部分的注意力。然而，还有其他近年来，香草醛吸引了大部分的注意力。然而，还有其他的由生物转化丙烯基苯得到的香料产品，包括茴香醛、茴的由生物转化丙烯基苯得到的香料产品，包括茴香醛、茴香醇、松柏醛、松柏醇。例如，有报道使用突变的香醇、松柏醛、松柏醇。例如，有报道使用突变的Arthrobacter
15、Arthrobacter globiformisglobiformis DSM3597 DSM3597转化丁香酚可得到转化丁香酚可得到1.25g/l1.25g/l的松柏醛。尽管现在对这些香料的需要量还不大，的松柏醛。尽管现在对这些香料的需要量还不大，但它们还是代表了一些有潜在市场价值的香料产品但它们还是代表了一些有潜在市场价值的香料产品微生物转化丙烯基苯产生天然香料微生物转化丙烯基苯产生天然香料l l背景介绍l l丙烯基苯代谢机制的探索l l采用生物技术生产香料的一些进展l l前景与展望前景与展望l l挑战：挑战：挑战：挑战：大多数的微生物转化的产量和浓度都比较低，以大多数的微生物转化的产量和
16、浓度都比较低，以至生物技术转化工艺缺少可行性。至生物技术转化工艺缺少可行性。l l前景：前景：前景：前景： 1 1、经基因改良，可能产生具有更高催化活性的菌株，采、经基因改良，可能产生具有更高催化活性的菌株，采用分子技术直接进行关键酶的移植是将来提高产量的一个用分子技术直接进行关键酶的移植是将来提高产量的一个重要的工具重要的工具 。一个很好的例证通过重建一个缺乏内酯降解。一个很好的例证通过重建一个缺乏内酯降解的酰基辅酶的酰基辅酶A A氧化酶活性的菌株，生产的菌株只是轻微的氧化酶活性的菌株，生产的菌株只是轻微的改变，但相对于野生型菌株改变，但相对于野生型菌株 癸内酯的产量却是十倍地增癸内酯的产量却是十倍地增加。加。 2 2、工艺优化将会是另外一个重要的方向。如由液相和实、工艺优化将会是另外一个重要的方向。如由液相和实质相组成的双相生物转化体系，已经成功地应用在许多生质相组成的双相生物转化体系，已经成功地应用在许多生物转化（或降解）过程。在双相体系中，底物的毒性被降物转化（或降解）过程。在双相体系中，底物的毒性被降低，更有利于底物在细胞膜上的转化。应用这种双相转化低，更有利于底物在细胞膜上的转化。应用这种双相转化体系，在由异丁香酚生产香草醛中取得了巨大的进步，香体系，在由异丁香酚生产香草醛中取得了巨大的进步，香草醛的产量达到草醛的产量达到30g/l30g/l。 THANK YOU
