香蘭素的合成方法和技術(shù)展望

/香蘭素的合成方法及技術(shù)展望吳志尚化工一班3014207025〔天津大學(xué)化工學(xué)院.天津300072>摘要：香蘭素是世界上最重要的香料之一.廣泛應(yīng)用在食品飲料、香精香料和醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域中,全球每年的需求量超過16000t。鑒于人們對(duì)純天然綠色食品的追求日益增長.天然香蘭素高效的生產(chǎn)方法也成為研究的熱點(diǎn)。本文綜述了香蘭素的多種不同的合成途徑以及合成關(guān)鍵因素等方面的研究進(jìn)展,分析探討了不同合成途徑的優(yōu)劣之處。并展望了利用微生物高產(chǎn)天然香蘭素存在的瓶頸以及有潛力的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：香蘭素；天然香料；合成途徑ThesynthesismethodsofvanillinandtechnicaloutlookWuZhishangClaslt;Schoolofchemicalengineeringinstitute.TianjinUniversity.Tianjin300072>Abstract：Vanillinisoneofthemostimportantflavoringcompounds,anditiswidelyusedinthefoodindustry,spicefragrance,andmedicineindustry,etc.Theannualworldwideconsumptionisestimatedover16000tons.Duetopeople’sincreasingconcernfornaturalfood,theproductofnaturalvanillinhasbecomethemajorpointofscientificresearch.Bycomparingdifferentproductionmethodsofvanillin,weconcludedthatthemicrobialtransformationtovanillinisthemostpromisingmethod.Researchdevelopmentsondifferentbiosyntheticpathwaysforvanillin,aswellasthegenesandenzymesinvolved,werediscussed.Inaddition,theadvantagesanddisadvantagesofeachpathwaywerecomparedandexplained.Finally,theexistingbottlenecksinbiosynthesisofhigh-yieldnaturalvanillinwiththehelpofgeneticandmetabolicengineering,andthepotentialdevelopmentdirectioninthisfieldwereelucidated.Keywords：Vanillin;Naturalspices;Syntheticpathway香蘭素<Vanillin,4-羥基-3-甲氧基苯甲醛>主要存在于天然植物香莢蘭中,是世界上最重要的香料之一。香蘭素的晶體為白色針狀.呈香蘭莢特有的香氣.它微溶于冷水.易溶于熱水、乙醇、乙醚、氯仿和熱揮發(fā)油中[1]。其化學(xué)結(jié)構(gòu)為:圖1香蘭素化學(xué)結(jié)構(gòu)式香蘭素獨(dú)特的無法用人工方法復(fù)合而成的香氣,使得她在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。香蘭素大部分應(yīng)用于食品工業(yè)中,是高檔食品不可缺少的調(diào)香原料,在香精香料、飲料和醫(yī)藥工業(yè)中也發(fā)揮重要作用,全球每年的需求量超過16000t[2]。市場上供應(yīng)的香蘭素有兩種——合成香蘭素和天然香蘭素。化學(xué)法合成的香蘭素,供大于求,市場價(jià)格較低,每公斤不到15美元。這種香蘭素不僅香型單一,而且合成過程中污染嚴(yán)重而無法被人們接受[3]。天然香蘭素主要是從天然香莢蘭中提取,但是香莢蘭種植區(qū)域有限,產(chǎn)量受氣候影響大,勞動(dòng)強(qiáng)度大,得到的天然香蘭素價(jià)格極其昂貴,每公斤售價(jià)高達(dá)4000美元,約為合成香蘭素的300倍。目前最具潛力的生物合成法具有原料天然且廉價(jià)易得,生產(chǎn)過程清潔無污染,快速高效等優(yōu)點(diǎn),利用生物技術(shù)手段<微生物轉(zhuǎn)化法>生產(chǎn)天然香蘭素已成為一種值得推廣的新渠道。但該種方法尚未達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的高產(chǎn)量目標(biāo)及規(guī)模.且生物合成法的產(chǎn)品分離純化過程略顯復(fù)雜.如何達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)需要的高產(chǎn)量,并且使下游的產(chǎn)物分離純化過程簡單化、經(jīng)濟(jì)化,實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益,仍是天然香蘭素價(jià)格居高不下的主要限制因素[4],這也是現(xiàn)階段科學(xué)研究領(lǐng)域的瓶頸,亟待突破性的創(chuàng)新研究。香蘭素的合成主要包括：化學(xué)合成法、天然萃取法、生物合成法。它們的具體內(nèi)容如下所述。1.化學(xué)合成法制備香蘭素文獻(xiàn)報(bào)道化學(xué)合成法制取香蘭素的方法較多.主要有松柏苷法.木質(zhì)素法.黃樟素法.丁香酚法.對(duì)羥基苯甲醛法.對(duì)甲酚法.愈創(chuàng)木酚法.電解氧化法等。1.1松柏苷法此法由松柏苷在無機(jī)酸和酶的作用下水解成松柏醇.再經(jīng)氧化得香蘭素。該方法在目前的工業(yè)化生產(chǎn)中已基本被淘汰[5]。1.2木質(zhì)素法木質(zhì)素〔英語：Lignin是一種廣泛存在于植物體中的無定形的、分子結(jié)構(gòu)中含有氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元的芳香性高聚物。木質(zhì)素廣泛存在于廢木材、秸稈、泥炭、紙漿廢液和酒糟中.可以利用這些廢棄物中所含的木質(zhì)素來制備香蘭素。XX理工大學(xué)李廣學(xué)[6]等利用造紙廢液經(jīng)磺化.氧化后生成香蘭素收率最高可達(dá)10.8%。雖然木質(zhì)素法生產(chǎn)香蘭素的收率不高.但從原料資源和生產(chǎn)方法來看以木質(zhì)素為原料生產(chǎn)香蘭素為造紙廢液的綜合利用開辟了一條新路.很有發(fā)展前途.需要進(jìn)一步研究開發(fā)。1.3黃樟素法黃樟素<Safrole>是許多食用天然香精如黃樟精油,八角精油和樟腦油的主要成分,約占黃樟精油的80%。黃樟素在用肉豆蔻,日本野姜,加州月桂樹等香料制成的香精中也有少量存在。黃樟精油常被用作啤酒和其他酒的風(fēng)味添加成分。黃樟樹<Sas-safrasalbidum>樹根皮也是流行的一種藥用滋補(bǔ)茶—黃樟茶的主要成分。此法以黃樟素<來源于樟腦油>在堿性條件下異構(gòu)化.再氧化為胡椒醛.然后再在PCl5作用下制成原兒茶醛.最后經(jīng)硫酸二甲酯甲基化得香蘭素[7]。該方法由于工藝路線較長.原料來源困難.成本較高.所以該方法目前使用較少。1.4丁香酚法本方法根據(jù)氧化方法的不同可分為直接氧化法.間接氧化法.電化學(xué)氧化法.但工業(yè)上生產(chǎn)香蘭素一般采用直接氧化法。該工藝流程為.以丁香酚為原料.與強(qiáng)堿共熱.異構(gòu)化為異丁香酚.然后將異丁香酚直接氧化。該工藝生產(chǎn)的香蘭素香氣較好.但原料來源困難.生產(chǎn)成本高.產(chǎn)品收率約60%.目前只有少數(shù)廠家采用該工藝.且總體產(chǎn)量很小[7]。1.5對(duì)羥基苯甲酸法本方法以對(duì)羥基苯甲醛為原料.經(jīng)溴化.然后甲氧基化而得到香蘭素。XX大學(xué)韓偉等用此法以CuCl為催化劑制得香蘭素.最終收率可達(dá)80%左右。周寧章等也對(duì)此法進(jìn)行了深入研究.以氯化溴為溴化劑.以DMF和甲醇的混合物為溶劑.兩步反應(yīng)每步的收率均在93%以上.總收率在85%以上。雖然該工藝路線.操作簡單.步驟少.產(chǎn)率高.但原料價(jià)格偏高[6].國內(nèi)沒有直接采用該工藝生產(chǎn)香蘭素的相關(guān)報(bào)道。1.6對(duì)甲酚法對(duì)甲酚法又可以分為兩種.分別為對(duì)甲酚先氧化后鹵化法和對(duì)甲酚先鹵化后氧化法。對(duì)甲酚先氧化后鹵化法實(shí)際上是對(duì)羥基苯甲醛法的延伸。該法操作簡單.第一步反應(yīng)收率達(dá)91%.且可直接用于下一步合成.總收率可達(dá)到85%.較對(duì)甲酚先鹵化后氧化法產(chǎn)率高。該法目前國內(nèi)研究比較多.我國有豐富的甲酚資源.因此有一定的發(fā)展前景.但目前國內(nèi)外尚未有采用此法大規(guī)模生產(chǎn)的報(bào)道[8]。1.7愈創(chuàng)木酚法愈創(chuàng)木酚法[10]合成香蘭素的工藝比較成熟.為目前合成香蘭素工業(yè)采用的主流方法。愈創(chuàng)木酚法又可分為以下方法:亞硝基法、甲醛法、Reimer－Tiemann法、氯乙醛法、乙醛酸法、電解氧化法等[11]。1.7.1亞硝基法以愈創(chuàng)木酚和烏洛托品、對(duì)亞硝基二甲苯胺為原料,經(jīng)縮合-氧化-水解而得,反應(yīng)式：該法分離過程復(fù)雜,反應(yīng)效率低,生產(chǎn)收率約57%,三廢嚴(yán)重,生產(chǎn)1t香蘭素約產(chǎn)生20t的廢水<含有酚類、醇及芳香胺、亞硝酸鹽>,很難進(jìn)行處理,另有1～2t的固體渣。該工藝在國外已被淘汰,但還是我國主要的生產(chǎn)方法,目前國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模較大的廠家已經(jīng)著手改進(jìn)此法,如吉化公司、中華化工集團(tuán)等已將工藝改為乙醛酸法[11]。1.7.2乙醛酸法愈創(chuàng)木酚在堿性條件下與乙醛酸經(jīng)縮合成3-甲氧基-4-羥基苯乙醇酸<又稱扁桃酸>,然后在催化劑作用下氧化脫羧得粗品,經(jīng)提純得到香蘭素。反應(yīng)式為:國外對(duì)乙醛酸法的研究比較早.而且目前也多采用此方法來生產(chǎn)香蘭素。HodnyIvo等［12］研究發(fā)現(xiàn).堿性條件下.愈創(chuàng)木酚與乙醛酸60℃反應(yīng)24h.得到扁桃酸.然后在EDTA銅配合物的催化下氧化.最后再在甲苯中酸化脫羧得香蘭素.轉(zhuǎn)化率為80%<以扁桃酸計(jì)>。NobelDominique采用自制催化劑.在堿性條件通空氣氧化.扁桃酸的轉(zhuǎn)化率可高達(dá)86%.最后脫羧可得香蘭素。RajendraG．Kalikar等給出的乙醛酸、愈創(chuàng)木酚縮合的最佳條件為:反應(yīng)時(shí)間7h,n<創(chuàng)木酚>∶n<醛酸>∶n<氫氧化鈉>1∶1∶2.采用半間歇加料方式,將堿溶液和乙醛酸一起滴加.愈創(chuàng)木酚的轉(zhuǎn)化率為74%～77%;氧化反應(yīng)最佳條件:攪拌速度為2000r/min,反應(yīng)溫度為95℃,空氣流量為1mL/s.n<氫氧化銅>∶n<扁桃酸>0.5∶1.扁桃酸的轉(zhuǎn)化率為88%。游佳勇等［13］研究了扁桃酸制備中溫度、物料比、催化劑、壓力對(duì)產(chǎn)率的影響.通過選擇合適的反應(yīng)條件提高了香蘭素的產(chǎn)率.縮短了反應(yīng)時(shí)間。魏國峰等［14］研究了3種自制催化劑對(duì)愈創(chuàng)木酚－乙醛酸法合成香蘭素縮合反應(yīng)的影響.研究發(fā)現(xiàn)在某一催化劑催化質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí).乙醛酸的轉(zhuǎn)化率可達(dá)95.8%.扁桃酸的選擇性可達(dá)85.3%。周亞婷等［14］對(duì)縮合反應(yīng)中的反應(yīng)溫度、反應(yīng)液的pH值、加料方式、原料配比以及氧化反應(yīng)中的催化劑、介質(zhì)的pH值、反應(yīng)時(shí)間、溫度等反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化.使香蘭素總收率達(dá)到75%.產(chǎn)品純度＞99%。1.7.3甲醛法由愈創(chuàng)木酚和甲醛進(jìn)行反應(yīng)得香蘭醇,再由香蘭醇與對(duì)亞硝基-N,N-二甲基苯胺氧化反應(yīng)得香蘭素。為了增加香蘭素的收率,在反應(yīng)過程中用銅和氯化亞銅作催化劑,反應(yīng)式為:1.8電解氧化法先將愈創(chuàng)木酚和乙醛酸進(jìn)行縮合反應(yīng).再將反應(yīng)液加入電解反應(yīng)槽中.加人固堿使溶液成強(qiáng)堿性.不需加其他催化劑和氧化劑.按照一定電流密度進(jìn)行電解氧化反應(yīng).生成的愈創(chuàng)木酚羰基羧酸不必分離.再調(diào)節(jié)溶液呈弱酸性時(shí).即會(huì)脫梭生成香蘭素且收率可達(dá)90%以上[5]。李云等［15］通過縮合反應(yīng)合成扁桃酸.再經(jīng)電解氧化制備香蘭素。研究了電流強(qiáng)度、電解時(shí)間、堿濃度對(duì)收率的影響.電解氧化反應(yīng)收率可達(dá)92%。韋星船等［16］也研究了電解氧化法制香蘭素的工藝.對(duì)堿的用量、電流密度、電解溫度、電解時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.使得電解氧化收率達(dá)到95%。電解氧化法工藝簡單.不需外加氧化劑和催化劑.省去反應(yīng)液的后處理工序.減少了廢液污染.而且操作平穩(wěn).反應(yīng)選擇性高.反應(yīng)的產(chǎn)物純度較高.有很大的發(fā)展前途。1.9香蘭素化學(xué)合成法總結(jié)化學(xué)合成法一直是香蘭素的主要制作工藝.由上述各種香蘭素的化學(xué)合成方法可以看出.乙醛酸法憑借其原料來源廣、工藝條件易控制、收率高、污染少的特點(diǎn).為目前工業(yè)生產(chǎn)香蘭素的主流方法。如何提高愈創(chuàng)木酚與乙醛酸的縮合產(chǎn)率及選擇更好的氧化催化劑需進(jìn)一步研究。同時(shí)化學(xué)合成法也普遍存在產(chǎn)物復(fù)雜.過程污染大.產(chǎn)品純度不高等特點(diǎn)。因此對(duì)于化學(xué)合成法而言.能否開發(fā)出能夠適合工業(yè)化低污染高純度的路線.就決定其在國內(nèi)是否將有重大的應(yīng)用前景。2.植物提取法香蘭素以游離態(tài)和葡萄糖苷的形式廣泛存在于自然界植物中,尤其在香莢蘭豆中,含量約為20g/kg<干重>。世界香莢蘭產(chǎn)地目前主要集中在馬達(dá)加斯加、印度尼西亞、科摩羅、留旺尼、烏干達(dá)、墨西哥和塔希提等島嶼國或地區(qū)[17]。香莢蘭的深加工產(chǎn)品主要是香莢蘭浸劑,方法是先將香莢蘭切碎放入浸提器中,用95%的乙醇在50℃-60℃條件下浸提,過濾后即可。這種方法成本高、費(fèi)時(shí),且溶劑會(huì)殘留。采用超臨界溶劑萃取技術(shù)[18],無毒、無溶劑殘留、在加工過程中也不接觸空氣,因此香蘭素不會(huì)發(fā)生水解、氧化和酯化等反應(yīng),收率也較高。植物提取法有其自身的優(yōu)點(diǎn).而且從植物香莢蘭中提取的香蘭素是天然的,但由于香莢蘭的種植區(qū)域有限,產(chǎn)量受氣候影響大,作物種植及加工處理勞動(dòng)強(qiáng)度太大[18],生產(chǎn)的天然香蘭素遠(yuǎn)不能滿足市場的需求。3.生物轉(zhuǎn)化法3.1植物細(xì)胞培養(yǎng)法1991年Knuth等提出,香草愈傷組織細(xì)胞懸浮培養(yǎng)物會(huì)分泌出一種復(fù)雜的帶香莢蘭香味的物質(zhì),在不加前體物的條件下用活性炭連續(xù)提取14d后,可以得到0.099g/L香蘭素。另有研究者嘗試?yán)媒M織培養(yǎng)香莢蘭<Vanilla>和辣椒<Capsicum>來生產(chǎn)香蘭素,產(chǎn)量都非常低,離工業(yè)化應(yīng)用還有很大的距離。3.2酶轉(zhuǎn)化法酶促反應(yīng)具有高效、專一,反應(yīng)條件溫和,能耗低,污染小等優(yōu)點(diǎn)。在香蘭素的生產(chǎn)中,也有酶法合成的報(bào)道。vandenHeuvel等發(fā)現(xiàn)利用香草醇氧化酶<Vanillyl-alcoholoxidase,VAO>可以生產(chǎn)香蘭素[19],底物木焦油醇在VAO的催化下經(jīng)香草醇氧化合成香蘭素。3.3微生物轉(zhuǎn)化法鑒于香蘭素廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中,其是否天然、健康備受消費(fèi)者的關(guān)注。以天然原料為底物,利用生物技術(shù),經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的香蘭素經(jīng)歐洲和美國的食品法規(guī)認(rèn)可為天然的香蘭素。經(jīng)過數(shù)十年的研究,迄今已報(bào)道的利用微生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)天然香蘭素的最高產(chǎn)量達(dá)到19.2g/L利用微生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)香蘭素的底物主要為丁香酚和阿魏酸。以丁香酚為底物的香蘭素代謝合成法工業(yè)上,丁香酚主要是從丁香油等植物精油中提取得到的,售價(jià)比較低廉,每千克約5美元;但是,丁香酚對(duì)微生物具有一定的毒性,會(huì)抑制菌體的正常生長及代謝。阿魏酸是肉桂酸的衍生物,是細(xì)胞壁的組成分之一,在很多谷物作物中的含量非常豐富[20]。麥麩和玉米麩皮中含量分別為4-7g/kg〔干重和約30g/kg<干重>,水稻胚乳中含量為12g/kg,甜菜<約5g/kg>也是阿魏酸的一個(gè)很好的來源,釀酒工業(yè)的副產(chǎn)物之一[21]——大麥的廢顆粒也含有少量的阿魏酸,約0.1g/kg。阿魏酸在自然界中含量豐富.廉價(jià)易得,對(duì)菌體沒有毒害作用,且以其為底物進(jìn)行轉(zhuǎn)化合成香蘭素的產(chǎn)量相對(duì)較高。不失為一種理想的原料物質(zhì)。因此,利用微生物的轉(zhuǎn)化能力來進(jìn)行天然香蘭素的生產(chǎn),并借助基因工程改造等生物技術(shù)手段提高香蘭素的產(chǎn)量,是一個(gè)非常具有潛力的研究方向[22]。3.3.2以阿魏酸為底物的香蘭素代謝合成法兩步法合成香蘭素:1996年研究者提出了兩步轉(zhuǎn)化法,第一步,先用黑曲霉<Aspergillusniger>將阿魏酸轉(zhuǎn)化為香草酸,轉(zhuǎn)化率為88%;第二步,再用朱紅密孔菌<Pycnoporuscinnabarinus>將香草酸還原為香蘭素,產(chǎn)率為22%,在這一步中,香草酸主要發(fā)生脫羧反應(yīng)生成2-甲氧基對(duì)苯二酚,僅極少部分的香草酸被還原生成香蘭素,所以香蘭素的產(chǎn)率很低[23]。后來陸續(xù)有優(yōu)化兩步法生產(chǎn)香蘭素的報(bào)道。在培養(yǎng)基中加入纖維二糖可改變菌株的代謝路徑,降低甲氧基對(duì)苯二酚的水平從而積累香蘭素。在轉(zhuǎn)化過程中加入大孔吸附樹脂吸附香蘭素,減輕其對(duì)菌體的毒害,也有利于香蘭素產(chǎn)量的提高[23]。在眾多的香蘭素生產(chǎn)菌株中,僅有極少數(shù)可以達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的水平。由于香蘭素對(duì)菌體來說是一種抑制劑大多數(shù)菌株無法耐受高濃度的香蘭素,或者部分菌株體內(nèi)存在香蘭素的下游代謝基因會(huì)將生成的香蘭素繼續(xù)降解,最終導(dǎo)致香蘭素的產(chǎn)量均比較低,通常不超過1g/L。據(jù)研究發(fā)現(xiàn),目前僅Amycolatopsis和Streptomyces兩個(gè)屬的多個(gè)菌株能將底物阿魏酸轉(zhuǎn)化生成較