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行业资讯
天然香料的微生物法生产

香料的微生物生产特征

    许多微生物发酵代谢过程中可以产生多种多样高价值的天然香料分子,但大都产量较低而没有利用价值,而且由于代谢的多样性,产生一系列结构类似的香料分子。如果香料化合物是通过主要代谢途径得到,并且衍生于天然的非挥化性物质如谷氨酸、柠檬酸等,则可能产生例外的情况,如此则可以通过生物催化转化结构类似的前体天然化合物来实现目标香料生产。这种策略要求前体化合物是天然的,而且来源广泛,价格适宜。如要前体化合物与目标香料分子物化性质相似,则下游后处理过程中产物的分离和纯化将是生产过程中面临的主要问题。许多香料的微生物工业化生产过程存在以下前体通路-香兰素产生于阿魏酸或丁香油酚,4-癸内酯来自蓖麻油酸,2-苯乙醇来自苯丙氨酸。除了代谢多样性,香料分子和前体化合物的细胞毒性也是香料的生物生产工艺开发过程中绕不开的难题。最常用的方法是原位产物分离和少量多批加料,可以大大改善生物生产过程效率,提高经济上的可行性。绝大多数香料分子是亲油性分子,它们容易分布在细胞膜上,改变微生物细胞的生理性质,最终使细胞失去活性。随着基因工程技术的发展,经基因改造的微生物可以用做催化剂来生产香料,在后处理过程中也可以轻易与产物分离,为香料的微生物工业化生产带来了希望。如今,全基因组测序技术越来越成熟,测序效率越来越高。在已测序的微生物中,有多种真菌和细菌在食品和香料生产中有潜在的巨大应用价值。例如 Bacillus subtilis,Brevibacterium linens,Clostridium acetobutylicum,Corynebacterium glutamicum, Gluconobacter oxydans,Lactococcus lactis, Pseudomonas putida,Streptococcus thermophilus, Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica  Aspergillus niger等微生物菌种。表一总结了微生物产香料面临的困难及对应生物技术解决方案。   

微生物制备香料的障碍及其生物技术解决方案

 障碍特征

生物技术策略

 产品举例

 

代谢路径的复杂性导致生成大量不需要的副产物

合成路径中关键基因过表达,异源基因表达以及工程酶的使用,有害基因的敲除,从前体化合物合成代替微生物从头合成,菌种筛选及培育,利用副产物经生物转化合成目的产物。

3-甲基丁酸乙酯,肉桂醇,马鞭草烯醇,香兰素,2-苯乙醇,4-对羟基苯基-2-丁酮,紫苏醇,10-羟基广藿香醇,4-癸内酯

 过量的香料产物对微生物的细胞毒害

产物原位分离,树脂吸附,两相萃取分离,膜反应器,休止细胞代替生长细胞,构建和筛选耐受菌株。

6-戊基吡喃酮,C2C5 烷基酯,糠基硫醇,2-苯乙醇,苯乙醛,苯乙酸乙酯,乙醛,香兰醛

 香料前体化合物对微生物细胞的毒害

连续分批加料,在线前体物浓度和微生物活性监测,微生物固定化,两相生化过程工程,休止细胞替代活体细胞,前体化合物耐受微生物的筛选,真菌孢子代替真菌菌丝体。

4-辛酸内酯,3-甲基丁酸乙酯,长链有机酸,柠檬烯转化物,丙酸,苯乙酸,5-羟基癸酸内酯,4-羟基己内酯,香芹酮,紫苏酸,甲基酮

     在利用微生物生产的香料中,一些是有较大市场的大宗产品,如谷氨酸、柠檬酸等达百万吨级规模,而另外的大都数都是市场容量低于一吨每年的小量产品。工业界也不愿意花太大的财力和人力去开发这些市场价值有限的产品。尽管如此,也有一些应用价值较大,市场需求达吨级以上的香料,像香兰素、2-苯乙醇和4-癸内酯等,而且这类香料的市场需求也将会随着生物制备工艺的改进稳步增加。例如,桃子味香料4-癸内酯的价格在80年代高达2000$/kg2004年则降低到大约300$/kg  

   

几种微生物产香料化合物及其生物过程特征

产物

前体

微生物

过程参数

描述

备注

L-谷氨酸

-

Corynebacterium glutamium

150g/L,60h,1500000 t/year

好氧发酵,单次发酵规模500吨,高细胞壁透过性突变菌株

柠檬酸

-

Aspergillus niger

>200g/L,912days,1000000t/year,yield>95%

下游后处理以柠檬酸钙的形式沉淀

乙酸

乙醇

Gluconobacter Acetobacter

wt.%=10-20%, >190000t/year, yield =98%

好氧发酵,单次发酵规模100吨,鼓气机供氧

L-乳酸

-

Lactobacillus

210g/L,140000 t/year, yield >90%

大于100吨发酵规模,通过盐淅技术回收产物

香兰素

阿魏酸

Streptomyces

高达 18 g/L, 50 h,110t/year

原位结晶回收产物高于10g/L

叶醇

亚麻酸

Soy lipoxygenase +plant hydroperoxidelyase + baker's yeast

4g/L, 510t/year,

也可从植物中提取

加入酵母可以得到目的产物醇,不加酵母主要得到的是醛类物质

4-癸内酯

蓖麻油酸

Yarrowia lipolytica

11g/L, 55 h,每年数吨

最后通过酸化和升高温度来使4-羟基癸酸内酯化来得到产物

2-苯乙醇

苯丙氨酸

Saccharomyces Kluyveromyces

>10g/L, 30 h,0.51t/year

分批进料发酵,能过两相体系回收产物,有机相产物浓度达25g/L

短链羧酸

燃料醇

Gluconobacter Acetobacter

高达95g/L, 72 h

两步发酵培养,一步生物质发酵,一步生物转化,产物用产酸类香料或酯合成

 

生物香料开发动力

    现代分离分析技术的发展使人们大量解析出微生物产香料的结构,最近十年分子生物学技术的发展,又促成人类逐渐了解了微生物及其酶产生香料的途径和机理。目前市场上销售的通过酶催化和生物转化技术制备的香料分子有100多种。全球的香料香精公司和生物技术科研机构对开发生物香料有着强烈的兴趣,其动力主要来自于人类对天然香料的偏好和需求,而利用生物手段以天然化合物为原料产生的香料在欧美国家被定性为天然产物,而人工合成的香料则被标记为非天然或人造香料。尽管化学合成香料效率高而且价格低,人们对天然香料仍然趋之若鹜,天然香料的价格通常比同样的化学合成香料价格高两个数量级,从而使科学家对香料特别是自然界含量低的香料的生物合成技术开发产生了浓厚的兴趣。2005年全球香料香精市场规模大约160亿美元,2001年天然香料添加物在饮料中占比高达90%(EU),膳食中达到80%(EU&USA),乳制品中占比50%(EU)以上。

   

应用生物技术来生产香料驱动力

市场驱动

技术驱动

消费者对天然、绿色、生物和健康的需求

高化学、区域和立体选择性的生物催化系统

 无限供应的廉价生物质原料

绿色、低碳、可持续性发展

寻求天然特征功能化合物

定向进化和理性设计生物酶催化剂,改善酶的催化功能

寻找多功能香料分子,同时具有食用和药用价值

分离过程工程,产品的原位回收技术

 

    品牌影响力和产品差异性竞争的压力使得公司不得不重新评估天然香料和化学合成香料成本差别。生物转化的香料不仅具有高附加值,工业界和学术界还对天然香料生产中的生物催化技术达成以下三大共识:(1)高选择性(化学、区域和立体)(2)以可再生资源和天然物质为原料(3)环境友好和可持续。现代生物技术包括基因工程、代谢工程和生化过程工程技术将会使越来越多的香料化合物实现绿色可持续的生物法生产。



 

 

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