微生物转化丙烯基苯产生天然香料

1. 微生物转化丙烯基苯产生天然香料 郑松彬

2. 微生物转化丙烯基苯产生天然香料 • 背景介绍 • 丙烯基苯代谢机制的探索 • 采用生物技术生产香料的一些进展 • 前景与展望

3. 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180亿美元（2006），而且在逐年平稳增长中。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180亿美元（2006），而且在逐年平稳增长中。 • 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%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：从香兰豆中提取的香草醛价格在0.22~0.25g/ 1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66.7g /1美元。 • 根据美国FDA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，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。

4. 当前香料生产中存在的问题： • 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，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。 • 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。

5. 采用生物技术生产香料： • 优点：相对温和的反应条件； 高的底物特导性的产品的单一性； 较小的环境污染。 • 方法：通过植物组织； 通过分离到的酶； 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。

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8. 丙烯基苯是一种具有不同取代基团的芳香族化合物，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。 • 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为高值的香料。例如，从丁香树Syzygium aromaticum精油萃取的丁香酚和异丁香酚能被转化为香兰素。 • 许多研究开始聚焦在这个过程的中间媒介以及关键酶的分离，以阐明丙烯基苯的代谢机制。

10. 丙烯基苯的微生物代谢：环氧——二醇途径： • 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一步。 • 研究认为，1-丙烯基苯和2-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一个二醇结构存在于代谢途径中 • 1-丙烯基苯总是通过苯甲酸取代进行生物转化，而2-丙烯基苯则先变成丙烯酸，产生相应的苯乙烯酸衍生物。

11. 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 1-丙烯基笨：异丁香酚和茴香醚

12. 几种代谢中间产物被发现 从红球菌属分离到氧化酶 2-丙烯基笨：丁香酚

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14. 香草醛（C8H8O3，4-羟基-3-甲氧基-苯甲醛），在世界市场上最重要的香料，每年的需求量超过12000吨，然而超过80%的香草醛是由化学方法合成。香草醛（C8H8O3，4-羟基-3-甲氧基-苯甲醛），在世界市场上最重要的香料，每年的需求量超过12000吨，然而超过80%的香草醛是由化学方法合成。 • 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、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20g/l，摩尔产率比其他的高50%。 • 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。

15. 微生物转化生产香草醛 • 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HR199和浑浊红球菌PD630催化丁香酚的生物转化过程中，阿魏酸、香草酸或松柏醇是主要产物。 • 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PD630和无枝酸菌HR167，再引入从假单胞菌HR199菌株的松柏醇脱氢酶(calA)和松柏醛脱氢酶(calB)，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，从而建立了香草醛的生产过程。

17. 酶催化法生产香草醛 • 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、香草醇氧化酶（脱氢酶）和脂氧化酶均有报道。 • 甲氧甲酚和vanillylamine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。 • 从大豆中提取到一种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H2O2后，香草醛的产量为2.46g/l，摩尔转化率为13.3%。

18. 从丙烯基苯得到的其他香料产品 • 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、茴香醇、松柏醛、松柏醇。例如，有报道使用突变的Arthrobacter globiformis DSM3597转化丁香酚可得到1.25g/l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

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20. 挑战：大多数的微生物转化的产量和浓度都比较低，以至生物技术转化工艺缺少可行性。挑战：大多数的微生物转化的产量和浓度都比较低，以至生物技术转化工艺缺少可行性。 • 前景： 1、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重要的工具 。一个很好的例证通过重建一个缺乏内酯降解的酰基辅酶A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γ 癸内酯的产量却是十倍地增加。 2、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30g/l。

21. THANK YOU