香蘭素的合成方法及技術(shù)展望

1、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。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The synthesis methods of van

2、illinand technical outlookWu Zhishang Class 1 3014207025（School of chemical engineering institute，Tianjin University ，Tianjin300072)Abstract ： Vanillin is one of the most important flavoring compounds, and it is widely used in the food industry, spice fragrance, and medicine industry, etc. The annua

3、l worldwide consumptionis estimated over 16 000 tons. Dueto people 's increasing concern for natural food,the productof natural vanillin has become the major point of scientific research. By comparing different production methods of vanillin, we concluded that the microbial transformation to van

4、illin is the most promising method. Research developments on different biosynthetic pathways for vanillin, as well as the genes and enzymes involved, were discussed. In addition,the advantages and disadvantages of each pathway were compared and explained. Finally, the existing bottlenecks in biosynt

5、hesis of high-yield natural vanillin with the help of genetic and metabolic engineering, and the potential development direction in this field were elucidated.Keywords： Vanillin; Natural spices ; Synthetic pathway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

6、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?；瘜W(xué)法合成的香蘭素 , 供大于求 , 市場價格較低 , 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

7、受氣候影響大 ,勞 動強(qiáng)度大 ,得到的天然香蘭素價格極其昂貴 ,每公斤售價高達(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易得 , 生產(chǎn)過程清潔無污染 ,快速 高效等優(yōu)點 , 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 ,實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益 , 仍是天然香蘭素價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

8、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，對羥基苯甲醛法，對甲酚法，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

9、廢棄物中所含的木質(zhì)素來制備香蘭素。安徽理工大學(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-safras albidum) 樹根皮也是流

10、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7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1.5

11、 對羥基苯甲酸法本方法以對羥基苯甲醛為原料，經(jīng)溴化，然后甲氧基化而得到香蘭素。浙江大學(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)報道。1.6 對甲酚法對甲酚法又可以分為兩種，分別為對甲酚先氧化后鹵化法和對甲酚先鹵化后氧化法。 對甲酚先氧化后鹵化法實際上是對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

12、接用于下一步合成， 總收率可達(dá)到 85%， 較對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 T iemann 法、氯乙醛法、 乙醛酸法、電解氧化法等 11 。以愈創(chuàng)木酚和烏洛托品、對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)

13、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12t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60C反應(yīng)24 h,得到扁桃酸，然后在EDTA 銅

14、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 ） 。 Nobel Dominique 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。Rajendra G 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°C,空氣流量為1 mL/s，n（氫氧化銅）：n（扁桃酸）0.5 ： 1

15、，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)時間。魏國峰等 14研究了 3 種自制催化劑對愈創(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，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：阿對縮合反應(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

16、香蘭醇與對亞硝基 - 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， 即會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 解時間、堿濃度對收率的影響，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

17、素的工藝， 對堿的用量、電流密度、電解溫度、 電解時間等參數(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，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

18、點。因此對于化學(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 20 g/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%勺乙醇在50C-60 C條件下浸提, 過濾后即可。這種方法成本高、 費時, 且溶劑會殘留。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

19、不接觸空氣 , 因此香蘭素不會發(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勺優(yōu)點，而且從植物香莢蘭中提取勺香蘭素是天然勺 , 但由于香 莢蘭勺種植區(qū)域有限 , 產(chǎn)量受氣候影響大 , 作物種植及加工處理勞動強(qiáng)度太大 18 , 生產(chǎn)勺 天然香蘭素遠(yuǎn)不能滿足市場勺需求。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)物會分泌出一種復(fù)雜勺帶香莢蘭 香味勺物質(zhì) , 在不加前體物勺條件下用活性炭連續(xù)提取 14 d 后, 可以得到 0.099 g/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 (Capsic

20、um) 來生產(chǎn)香蘭素 , 產(chǎn) 量都非常低 , 離工業(yè)化應(yīng)用還有很大勺距離。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。在香蘭素的生產(chǎn) 中 , 也有酶法合成的報道。 van den Heuvel 等發(fā)現(xiàn)利用香草醇氧化酶 （Vanillyl-alcoh oloxidase,VAO）可以生產(chǎn)香蘭素何，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)

21、十年的研究 , 迄今已報道的利用微生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)天然香蘭素的最高 產(chǎn)量達(dá)到 19.2 g/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。3.3.1 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 , 售價比較低廉 , 每千克約 5 美元; 但是, 丁香酚對微生物具有一定的毒性 , 會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 30 g/kg （干重）, 水稻胚乳中含量為 12 g/kg, 甜 菜（約 5g/k

22、g） 也是阿魏酸的一個很好的來源 , 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 0.1 g/kg 。阿魏酸在自然界中含量豐富，廉價易得 , 對菌體沒有毒 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 (Aspergillus niger) 將阿魏酸轉(zhuǎn)化為

23、香草酸 , 轉(zhuǎn)化率為 88%; 第二步 , 再用朱紅密孔菌 (Pycnoporus cinnabarinus) 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 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 1 g/L 。據(jù)研究發(fā)現(xiàn) , 目前僅 Amycolatopsis 和 Streptomyces 兩個屬的多個菌株能 將底物阿魏酸轉(zhuǎn)化生成較高產(chǎn)量 (超過 10 g/L