微生物生态学技术制备天然香精香料

微生物生态学技术制备天然香精香料
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。

筒述了发酵工程和酶工程在香精香料中的应用，并探讨了微生物生态
学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
生态学技术与酶工程有机相结合，以牛乳为原料来生产天然牛乳香精。

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。

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。

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)环境良好发酵完成，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。

1．1．1天然乙偶姻
乙偶姻：化学名3一羟基一2一丁酮、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(RMB)／t，国际市场天然手性
乙偶姻可以接受的价格为30万(RMB)／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 guil—lieromondii。

目前乙偶姻最高发酵水平为809／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3一甲氧基一4一羟
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12USD／kg，天然香兰素1000～
1500USD／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159／L，质量转化率60％。

1．1．3天然苯乙醇
苯乙醇是—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3．50USD／kg，
而天然的苯乙醇售价高达1000USD／ks。

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 eerevisiae 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
CNl 159447C)。

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。

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弋键，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。

薄荷醇又称为六氢百里酚，俗称薄荷脑，学
名5一甲基一2一异丙基一环已醇，它是非常重要
的环萜醇。

在香料中应用的大多数为左旋体(1
一)或合成的消旋体(dl一)。

近年来，全球薄
荷脑的年产量高达35000t，大大高于市场需求量。

大家知道l一薄荷醇(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一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一薄荷醇，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一5的酯酶水解dl
一薄荷醇乙酯为l一薄荷醇，该技术已达到工业
化规模。

另外，假单胞菌脱氢酶可以把l一薄荷
酮转化成l一薄荷醇，此酶作用于未成熟辣薄荷
提取的香精油(几乎只含有l一薄荷酮)，得到光
学纯度极高的l一薄荷醇。

1．2．2天然香料
一个被深入研究的并被工业化的例子是蓖麻
酸(蓖麻油的主要成分)的微生物转化由酵母如Sporidiobolus salmoncolor和Yarrowia lipolytica催化，经B一氧化为有桃香味的r一癸内酯(手性
香料)。

有报道收率大于109／L。

其R一对映体存
在于桃子和其它许多水果中，S一对映体存在于
多种芒果中。

化学合成会得到外消旋混合物，天
然r一癸内酯的潜在市场估计为lOt／年。

1．2．3生物酶的局限
用酶工程制备天然香料，主要有香兰素、内
酯、酯类香料、叶醇等，其实以上大多数天然香
料的酶法制备都处于实验室研发阶段。

原因有多
种，但最主要的是生物酶的局限。

生物酶的局限有以下几个原因：
(1)酶的活性的保持。

酶分子在生物体内的
环境中表现出高度的活性是因为酶所处的环境以
及其他分子对它的调控，一旦离开那种环境，酶
的活性将大大降低，甚至失活。

(2)酶制备的困难。

酶制剂包括提取、精
制、固定化等一系列复杂的工艺。

目前发现的生
物酶有几千种，生物体内几乎每一个生化反应都
有酶的催化，但实验室制备出的酶不过几百种，
而用于工业生产的商品酶仅有几十种(大部分为
含有蛋白和少量其他酶的粗酶液制品，而不是纯
酶)用于手性化合物拆分和不对称合成的酶又是
其中极小一部分(只有脂肪酶和酯酶等几种)这
使酶的应用产生很大的局限性。

(3)酶的稳定性问题。

酶本质上是一个手性
的、有催化功能的蛋白质。

它的稳定性受到物理环境、化学环境和生物环境的考验，热、紫外线等物理条件的变化，有机溶剂、pH等化学条件的变化，微生物的腐败作用等可以使酶变性，从而引起活性降低，甚至失活。

(4)酶的成本问题。

酶的生产原料一般来自
动、植物和微生物，所以生产成本高，价格比化学催化剂贵，竞争力较差。

2微生物生态学技术制备天然香精香料
应用生物技术除可用于生产单一的香料外
(如丙位癸内酯、香兰素)，还可用于生产复合香料。

如国内某香精香料公司研究部，以奶油为原料，运用生物酶水解和氧化热裂解组合制备天然奶香料。

还有上海某香料有限公司生物部．通过脂肪酶或接人某种微生物得到酶解奶油(即天然
奶香基)。

再以酶解奶油为基料加以适当的修饰，根据不同需要可以调配成各种奶香精如：白脱香精、鲜奶香精、纯奶香精、奶油香精、奶酪香精等。

因此酶解奶油比天然奶油的香气高出很多倍。

以上工程中较少的了解多种酶的协同作用，对关键的生化反应的调控也不甚了解。

虽然所制备出的香料香气浓郁、纯正、逼真，但是不够自然、平衡、和谐。

用其调配出的奶香精加香于食品后，只有在头香中起作用，不能使天然奶香气自始至终“一脉相承”、“贯穿到底”。

这样的酶工程从本质上说与发酵工程一样仍然属于试验科学范畴，距离理性科学还有相当长的路要走。

因此，我们可以尝试应用微生物生态学技术，即以天然乳汁为原料，用某一单子叶植物内生微生物群落为菌种，将发酵工程和酶工程结合起来，制备天然香精香料，其中还能制备出这样的天然奶香精，在这样天然奶香精的香气中，香气浓郁、纯正、逼真；且奶香气仍然“贯穿到底”、“回味无穷”。

2．1微生物生态学技术制备天然奶香精
天然乳汁是贮藏着丰富的香物质和香气前提
物质，是许多天然食品所不具有的。

当运用这一微生物生态学技术于乳汁时，其过程是：在缺氧环境条件下，当那一微生物群落来到新环境(乳汁)中，微生物群落的种群会尽快地侵入到酪蛋
白胶粒和乳脂肪球内，群落中的真菌开始在乳汁中，识别、收集、整理有关基因信息、信息分子
等，然后在群落种群的分工协作下，构建和形成各种相应的酶系，且微生物群落尽可能与乳汁形成和谐的共栖关系，并可调控的，在适宜的程度上对乳汁中的各种各样脂肪、蛋白质、乳糖等进行初步地生物转化和降解，形成鲜奶、奶酪的特征风味物质，这就是发酵工程阶段。

在发酵过程
中群落与环境(乳汁)相互作用，也是群落对自身改良的过程、进化过程，使群落获得了在新环境下生存的本领，更适应在新环境(乳汁)中生存。

接着，为了目标产物，适当的改变环境条件，使群落进入酶工程阶段，即除去大部分水分，只保留一定量的水分，有机溶剂是由发酵过程中代谢出的有机化合物。

在这样环境条件下，群落的酶进入非水相催化，群落种群细胞在非水相中使某些酶可以催化在原来发酵液中不能进行的反应，如脂肪酶在非水相中可以催化酯化、转酯化以及氨解等多种反应。

同时抑制依赖于水的某些不利反应和副产物，另外可以控制底物的特异性、区域选择性和立体选择性，形成手性香物质。

还有，特别是对乳脂肪中一些特殊脂肪(其他天然食品中没有的)进行酶促反应，产生一些特殊风味的酶解物。

总之，酶工程是对发酵工程的补充，也就是补充和丰富了对整体香气起作用的许多香物质，且使整体香气更丰富、更和谐、更圆和、更自然。

通过上述群落对乳汁的生物工程，所得到的天然奶香精的香气浓郁、纯正、逼真，奶香气自始至终”一脉相承“、“贯穿到底”。

这样的香精可以作为一种高档天然食品添加剂，用于生产高档食品，如高级果糖、高档乳制品等。

该工程的工艺简单，能耗低，易控制。

如发酵是缺氧发酵，在发酵过程中不需要无菌空气，不需要搅拌，调控参数为温度和pH值；酶工程中调控温度在室温就行了。

发酵可采用分批发酵方式，前一次的乳清材料可作为下一次发酵的部分菌种，且还含有一些有用的酶系，工艺设备相对简单，有利于工业化。

其实，工业应用中最要的问题就是，在微生物技术从实验室研究到工业应用的过程是比较漫长的，这其中主要有两个科学挑战，一是通常是由一个菌株获得的研究结果，尤其是实验室的典型菌株，然而工业上需求大量的菌株、多种培养条件和培养基；二是对于遗传改良的菌株可能适用于实验室的证明，但是很少用于有目的的释放到环境中微生物或用于
消费的含有活的微生物的乳制品。

而我们使用的是一微生物群落，能在工业规模上、标准条件下，进行自身改良，适应工业环境条件，用于有目的的释放到环境中的微生物群落。

其本质上是运用了微生物生态学的机理(或原理)，因此工
业应用相对更方便得多。

2．2微生物生态学技术制备其他天然香精香料
其实在此之前我已做过，由上述微生物生态
学技术制备天然水质桂花香精，所用原料为天然新鲜桂花和水，所得发酵液呈现桂花香韵，还有以黄皮果(不含种子)和水为原料．所得发酵液呈现黄皮果独特香韵。

以相同的技术可制备天然水质柑橘、菠萝、洋葱、腊梅等香精。

大多数研究开发天然香料的科技人员都不敢相信这样事情。

这里含有许多奥秘，有待我们去揭开。

另外我们还可运用这种微生物生态学技术。

以大豆、花生(经过适当预处理)为原料，生产出另一些天然香料来。

我们还可以探索运用微生物生态学技术，以芝麻、葵花籽，蓖麻籽、葫芦巴籽(经适当预处理)为原料，制备几种独特的天然香精香料。

3 结论
上述我们简述了一种崭新的生物技术制备天
然香精香料的生物法，它将赋予生物技术的新内涵。

生物法制备天然香精香料的历史不长，而运用微生物生态学技术制备天然香精香料才刚刚起步，随着对这一微生物群落的微生物学、生理学、生态学、技术工艺和遗传学的深入研究，逐步完善微生物生态学技术，使该技术能制备许多新的天然香精香料产品，逐步丰富天然香精香料的品种，将它们用于食品的加香。

生产出许多中、高档食品新品种，逐步满足人们对食品的各种美味的需求。

因此，生物法制备天然香精香料必将有一个光明的前途。