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slshing

铁虫 (小有名气)

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[交流] 【原创】运用崭新生物技术制备天然牛乳香精

运用崭新生物技术制备天然牛乳香精



                              苏林

                  （广西师范大学. 桂林. 541001）



The Use of New biotechnology for the Production of Natural Flavors and Fragrances

                              Sulin

               （Guangxi Normal University.  Guilin. 541001)

                        Abstract

   Natural flavors and fragrances is the high-value fine chemicals and food additives. However, limited sources of raw materials and the high cost of extraction, use Natural flavors and fragrances is the high-value fine chemicals and food additives. However, limited sources of raw materials and the high cost of extraction, use of biological technology to produce such products will have broad prospects. On the fermentation engineering and enzyme engineering in the application of flavors and fragrances, and to explore the technical preparation of the new biotechnology of natural flavors and fragrances.

Endophyte is a very rich diversity of microbial taxa, distributed in no external symptoms of infection within the health of plant tissue, and coevolution with the host plant, the existence and role of people has long been ignored. Now I found a plant in memory of a stable microbial community, it is by fungi, bacteria, protozoa and other components. After research and testing, found such a community and put in some natural plant material in a closed reactor fermentation under certain conditions, the formation of an ecosystems. This system in the fermentation reactor to the preparation of natural flavors and fragrances. The community as a whole as a result of synergies, we can use a variety of natural plant materials to produce a wide range of natural flavors and fragrances, and microbial ecology but also the technology and the organic combination of enzyme engineering in order to milk as raw material to produce the natural milk flavor .

Key words:New biotechnology,Natural flavors and fragrances,Production,Ecosystems.

                           摘要

天然香精香料是高价值的精细化工产品和食品添加剂。但原料来源有限且提取成本高，利用生物技术生产这类产品具有广阔的前景。简述发酵工程和酶工程在香精香料中的应用，并探讨了崭新生物技术制备天然香精香料。
植物内生菌是一个多样性十分丰富的微生物类群，分布于没有外在感染症状的健康植物组织内，并与宿主植物协同进化，其存在和作用长期以来一直为人们所忽视。现今我发现在某一植物内存在一稳定的微生物群落，它是由真菌、细菌、原生动物等组成。经研究与试验，发现将上述群落与某一些天然植物材料投放在封闭的发酵反应器中，在一定条件下，形成一生态系统。这一系统在发酵反应器中能制备天然香精香料。由于该群落的整体协同效应，可以利用各种天然植物材料来生产各种各样的天然香精香料，并且还能把微生物生态学技术、发酵技术、酶工程等技术有机地、紧密地起来，以牛乳为原料来生产天然牛乳香精。

关键词：崭新生物技术，天然香精香料，制备，生态系统



0.前言

香料、香精对食品、饲料、化妆品和制药工业极其重要。目前，世界上香料、香精的产量约151亿美元，占据了25%左右的食品添加剂市场，且逐年增长。遗憾的是，现今生产的香料、香精中约85%的产品是通过化学合成方法得到的。但是用化学法合成的香料存在以下严重的缺陷：

一是大量的化学合成物质滥用给人们的健康带来危害；二是化学方法合成中由于缺乏专一的底物，造成产品纯度下降；三是化学合成的产物中常含消旋混合物，如从中提取目的异构体或手性香料将是非常困难并且花费巨大；四是人们对化学合成的添加剂用于食品、化妆品等日益反感[1]。

随着人们生活水平的提高，对食品添加剂需求趋向于天然、健康、安全、营养和多功能性。天然香精香料是高价值的精细化工产品和食品添加剂，而原来从天然动、植物提取的天然香料，由于原料有限，提取成本高，远远满足不了市场的需求。因此，人们对香料的生物合成越来越感兴趣，同时生物技术将在天然香精香料研究和制备中发挥越来越大作用，这也是对生物技术发展的挑战和机遇。

1.原有的香料生物技术

  对天然香料的定义：

（1）原料必须为天然动、植物材料；（2）加工工艺包括：蒸馏，萃取、发酵、酶解、水解、加热、焙烤；（3）产物包括：果汁精油、精油、油树脂、萃取物、酶解物、发酵产物、馏出物、焙烤产物[2]。

生物香料是采用生物技术，以天然原料或合成原料制备的香料。生物技术是一个研究范围很广的技术门类，小到生物分子，大到生态系统。生物技术包括发酵工程、酶工程、细胞工程、蛋白质工程和基因工程。以天然原料作起始物使用发酵技术、酶技术制备的香料称为天然同等香料，有时亦简称天然香料。如果用化学合成原料作起始物，无论使用什么技术，其产品都不属于天然等同级，也就是说原料的天然性是产品天然的必要条件。

1.1.发酵工程制备天然香料

使用发酵技术制备天然香料的历史并不很长，然而却显现出强大的生命力和广阔的市场前景。发酵过程本质是一种生物转化，即把某些前体化合物通过生物化学反应转化为产物，然而，发酵至今还没有达到像化学反应那样，可以从石化燃料出发合成任何我们想要得到的化学结构。发酵一般从结构相似化合物出发经过一两步生化反应得到产物，如以阿魏酸为原料制备香兰素。发酵的另一个特点是它主要是一个降解过程，即把一些大分子降解为一些小分子，而其中某些小分子就是我们需要的产物。发酵的第三个特点是微生物生长所需要的碳源和氮源，有些被代谢成产物，有些被微生物消耗生成了副产物和能量。要认识微生物全部的代谢过程是一件不容易的事，然而检测发酵成分，忽视中间代谢过程，把发酵过程当成一种“黑箱 ” 处理，即仅关注输入和输出的关系，会相对容易些，今天，发酵仍然是生产天然食品香料、食品香精的主要手段之一。

发酵工程制备天然香料特点：

（1）条件温和有些在温和条件下实现水溶液中化学方法不可能完成的多步反应，反应安全，反应在常温、常压下进行，生产场地和设备没有防爆要求；

（2）高度专一性和选择性可以专一性选择底物、底物结合位点以及反应类型，如有些可生产天然手性香料；

（3）环境友好发酵完成，产品分离后形成的三废少；

（4）无菌生产；

（5）发酵设备具有通用性；

（6）克服了长期以来从动、植物作为天然香料惟一来源而存在的有效成分含量低，分离困难，受气候和动、植物病害影响等缺陷。

目前能运用微生物发酵工程制备的天然香料主要有：天然乙偶姻、天然香兰素、天然苯乙醇等。下面分别介绍：

1.1.1天然乙偶姻

乙偶姻：化学名3-羟基-2-丁酮、甲基乙酰甲醇。乙偶姻是一种应用广泛、令人喜爱的食用香料，是国际上常用的香料品种，主要用作配制奶油、乳制品、酸奶和草莓口味的香料。乙偶姻的国际需求量约1000t，国内需求量约100t，国内合成乙偶姻市场价格为8万（人民币）/t，国际市场天然手性乙偶姻可以接受的价格为30万（人民币）/t。

微生物发酵法生产乙偶姻是生物法生产乙偶姻的一个重要方法，从自然界中筛选分离高产乙偶姻的微生物菌种多达20几种，可是能积累高浓度的乙偶姻的微生物为数不多，主要为  Klebsiella pneumoniae、Bacillus  subtilis 和Hanseniaspora  guillieromondii。目前乙偶姻最高发酵水平为80g/L，已经由上海爱普香料有限公司产业化，发酵工艺达到国际领先水平。

1.1.2天然香兰素

香兰素又名香兰醛，学名3-甲氧基-4-羟基苯甲醛。香兰素是一种广谱高档香料，广泛用于食品、烟草以及医药、日用品。国际需求量约12000t，但其中有0.2%从植物中提取得到，化学合成的香兰素12美元/Kg，天然香兰素1000~1500美元/Kg，全世界使用香兰素大约有20%是天然香兰素。

微生物发酵法被认为是目前最实际的天然香兰素的制备方法。生物法生产天然香兰素的研究主要集中在微生物种类和底物两方面，以阿魏酸为底物转化生产天然香兰素也是当今研究的热点之一。目前常用从米糠油中提取的天然阿魏酸作为发酵原料，经微生物  Sterptomyces  发酵制备天然香兰素，关键是发酵中的转化率。例如法国罗地亚公司和上海爱普香料有限公司，其最高发酵水平达到15g/L，质量转化率60%。

1.1.3天然苯乙醇

苯乙醇是一种具有玫瑰花香的芳香醇，大量用于食品、日化香精中，尤其在化妆品中用量最大。在美国市场，化学合成的苯乙醇市场售价为3.50美元/Kg，而天然的苯乙醇售价高达1000美元/Kg。

对微生物发酵法生产天然苯乙醇，近几年国外已成功研制出以苯丙氨酸、氟氨苯丙氨酸为原料，采用微生物啤酒酵母Saccharomyces  cerevisiae  发酵工艺制备出天然苯乙醇，但原料成本太高，转化率又不高，不适宜工业化生产。华宝香化科技发展（上海）有限公司经过多年的创新研发，成功完成了以烟草（烟梗、烟末）为原料的微生物发酵法生产天然苯乙醇，并于2004年7月28日获得了发明专利授权（ZL专利号02137575，5.授权公告CN1159447C）。该工艺包括利用农业副产物烟草作为生物转化的前体物质，添加适当培养基，选用合适的菌种（如产朊假丝酵母、酿酒酵母、中国克鲁维酵母中的一种），在一定的发酵工艺条件下进行发酵培养，降解了烟草中的木质素、果胶和多酚类化合物，并转化为苯乙醇。所得到的苯乙醇具有纯正的天然香味。可作为天然香料用于食品的加香，具有广泛的工业化发展前景[3]。

运用发酵工程制备天然香料存在一些困难，通常发酵液中香味化合物的浓度很低，致使提取过程的费用较高；其次，在技术上有些问题，微生物发酵生产香料过程有两个特点：一是许多香味物质的挥发性和较低的水溶性使其难以回收，二是产物对微生物本身具有抑制和毒害作用，常需使发酵液中终产物的浓度维持在较低水平，再次之，有些发酵工程原料成本高，经济上不合算。

1.2.酶工程和天然香料、手性香料

酶工程主要通过不同的酶促反应，如氧化、还原、水解、脱水反应，形成新的C—C键，并进一步转化为天然香料，其工程中酶具有高度专一性，有些酶的空间专一性又使制备手性香料成为可能。当前世界很多香料公司开发自己专用的酶，使其产品更具特色，不容易被模仿，尽管这些酶没有商品化，但使酶制备、酶应用的整体技术得到提高。因此，在酶工程中酶的制备是很关键的一环。我国某香料公司的技术中心，也在实验室中做类似天然奶香基的研发，从而制备出比原来奶酪的风味强度有显著提高的风味料，现在还不能工业化，或许是酶制剂产量低；或许是酶制剂成本高，或许是酶的活性不稳定。

1.2.1 手性香料

  手性香料通常是以单一旋光对映体的形式存在于自然界中的，因为不同的旋光对映体或区域异构体能够显示出不同的感官特性，它们的对映体合成是互利的。生物催化是这一领域中的一种有效工具，它能催化大量立体、区域选择性的化学反应，而缺乏选择性的传统合成工艺是无法轻易实现的[4]。

  薄荷醇又称为六氢百里酚，俗称薄荷脑，学名5-甲基-2-异丙基-环已醇，它是非常重要的环萜醇。在香料中应用的大多数为左旋体（l-）或合成的消旋体（dl-）。近年来，全球薄荷脑的年产量高达3.5万t，大大高于市场需求量。

大家知道l-薄荷醇（手性香料）几乎不能用化学合成得到。日本萜烯化学公司通过化学合成的dl-薄荷醇的外消旋混合物进行酶法拆分，得到光学纯度极高的l-薄荷醇，其过程为：将外消旋混合物酯化、形成乙酸酯，再利用微生物分离的非发酵藻酸单胞菌NoF-5的酯酶水解dl-薄荷醇乙酯为l-薄荷醇，该技术已达到工业化规模。另外，假单胞菌脱氢酶可以把l-薄荷酮转化成l-薄荷醇，此酶作用于未成熟辣薄荷提取的香精油（几乎只含有l-薄荷酮），得到光学纯度极高的l-薄荷醇。

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