1、香蘭素的合成方法及技術展望吳志尚 化工一班 3014207025(天津大學化工學院，天津 300072)摘要：香蘭素是世界上最重要的香料之一，廣泛應用在食品飲料、香精香料和醫藥工業等領域中，全球每年的需求量超過16000t o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鍵因素等方面的研究進展，分析探討了不同合成途徑的優劣之處。并展望了利用微生物高產天然香蘭素存在的瓶頸以及有潛力的發展方向。關鍵詞：香蘭素；天然香料；合成途徑The synthesis methods of vanillin and techni

2、cal outlookWu Zhishang Class 1 3014207025(School of chemical engineering institute, Tianjin University , Tianjin 300072)Abstract : Vanillin is one of the most important flavoring compounds, and it is widely used inthe food industry, spice fragrance, and medicine industry, etc. The annual worldwide c

3、onsumption is estimated over 16 000 tons. Due to 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 transformationto vanillin is the most

4、 promising method. Research developments on different biosyntheticpathways 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, theexisting bottlenecks in biosynthesis of high-yield

5、 natural vanillin with the help of genetic andmetabolic 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，易溶于熱水、乙醇、乙醛、氯仿和熱揮發油中

6、1。其化學結構為：香蘭素獨特的無法用人工方法復合而成的香氣 ，使得她在許多領域得到廣泛應用。香蘭 素大部分應用于食品工業中，是高檔食品不可缺少的調香原料 ，在香精香料、飲料和醫藥工 業中也發揮重要作用，全球每年的需求量超過 16000t2。市場上供應的香蘭素有兩種一一合成香蘭素和天然香蘭素。化學法合成的香蘭素，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重而無法被人們接受陰。天然香蘭素主要是從天然香莢蘭中提取，但是香莢蘭種I!區域有限，產量受氣候影響大，勞動強度大，得到的天然香蘭素價格極其昂貴，每公斤售價高達4000美元，約為合成香蘭素的300倍。目

7、前最具潛力的生物合成法具有原料天然且廉價易得，生產過程清潔無污染，快速高效等優點，利用生物技術手段（微生物轉化法）生產天然香蘭素已成為一種值得推廣的新渠道。但該種方法尚未達到工業生產的高產量目標及規模，且生物合成法的產品分離純化過程略顯復雜，如何達到工業化生產需要的高產量，并且使下游的產物分離純化過程簡單化、經濟化，實現更高的經濟效益，仍是天然香蘭素價格居高不下的主要限制因素4,這也是現階段科學研究領域的瓶頸，亟待突破性的創新研究。香蘭素的合成主要包括：化學合成法、天然萃取法、生物合成法。它們的具體內容如下所述。.化學合成法制備香蘭素文獻報道化學合成法制取香蘭素的方法較多，主要有松柏昔法，木質

8、素法，黃樟素法， 丁香酚法，對羥基苯甲醛法，對甲酚法，愈創木酚法，電解氧化法等。松柏甘法此法由松柏昔在無機酸和酶的作用下水解成松柏醇，再經氧化得香蘭素。 該方法在目前的工業化生產中已基本被淘汰 5。木質素法木質素（英語：Lignin ）是一種廣泛存在于植物體中的無定形的、分子結構中含有氧代 苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物。木質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素來制備香蘭素。安徽理工大學李廣學 等利用造紙廢液經磺化，氧化后生成香蘭素收率最高可達10.8%。雖然木質素法生產香蘭素的收率不高，但從原料資源和生產方法來看以木質素為原料生產香蘭素

9、為造紙廢液的綜合利用開辟了一條新路，很有發展前途，需要進一步研究開發。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味添加成分。黃樟樹 (Sas-safras albidum)樹根皮 也是流行的一種藥用滋補茶一黃樟茶的主要成分。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

10、。丁香酚法本方法根據氧化方法的不同可分為直接氧化法， 間接氧化法，電化學氧化法，但工業上 生產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，與強堿共熱， 異構化為 異丁香酚，然后將異丁香酚直接氧化。該工藝生產的香蘭素香氣較好，但原料來源困難，生產成本高，產品收率約 60%目前只有少數廠家采用該工藝，且總體產量很小 7。HC=CHCH3OH TOC o 1-5 h z 0cH3 1VONaONaCHOCHOOCH?5ONaOH對羥基苯甲酸法浙江大學韓偉等用此法以 CuCl為催化劑制得香蘭素，最終收率可達80叱右。周寧章等也對此法進行了深入研究，以氯化澳為澳化劑，以DMF和甲醇的混合物

11、為溶劑，兩步反應每步的收率均在 93%以上，總收率在85艱上。雖然該工藝路線，操作簡單，步驟少，產 率高，但原料價格偏高，國內沒有直接采用該工藝生產香蘭素的相關報道。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，第一步反應收率達 91%且可直接用于下一步合成， 總收率可達到85% 較對甲酚先鹵化后氧化法產率高。 該法目前國內研究比較多， 我國有豐富的甲酚資源， 因此 有一定的發展前景，但目前國內外尚未有采用此法大規模生產的報道網。愈創木酚法愈創木酚法10合成香蘭素的工藝比較成熟，為目前合成香蘭素

12、工業采用的主流方法。愈創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。亞硝基法以愈創木酚和烏洛托品、對亞硝基二甲苯胺為原料，經縮合-氧化-水解而得，反應式:該法分離過程復雜，反應效率低，生產收率約57%，三廢嚴重，生產1t香蘭素約產生 20t的廢水（含有酚類、醇及芳香胺、亞硝酸鹽 ），很難進行處理，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方法，目前國內生產規模較大的廠家已經著手改進此法，如吉化公司、中華化工集團等已將工藝改為乙醛酸法1。乙醛酸法愈創木酚在堿性條件下與乙醛酸經縮合成3-甲氧基-4-羥基

13、苯乙醇酸（又稱扁桃酸），然后在催化劑作用下氧化脫竣得粗品，經提純得到香蘭素。反應式為：HO-CH-COOHCHO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香蘭素。Hodny Ivo等研究發現，堿性條件下，愈創木酚與乙醛酸 60c反應24 h,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竣得香蘭素，轉化率為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，扁桃酸的轉化率可高達86%最后脫竣可得香蘭素。Rajendra G . Kalikar等給出的乙醛酸、愈創木酚縮合的最佳條件為 ：反應時間7h,n（創木酚）：n（醛

14、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，愈創木酚的轉化率為74%77%;氧化反應最佳條件：攪拌速度為2000r/min,反應溫度為95 C,空氣流量為1 mL/s, n（氫氧化銅）：n（扁桃酸）0.5 ： 1,扁桃酸的轉化率為 88%游佳勇等研究了扁桃酸制備中溫度、物料比、催化劑、壓力對產率的影響，通過 選擇合適的反應條件提高了香蘭素的產率，縮短了反應時間。魏國峰等皿研究了 3種自制催化劑對愈創木酚-乙醛酸法合成香蘭素縮合反應的影響，研究發現在某一催化劑催化質量分數為4%寸，乙醛酸的轉化率可達 95.8%,扁桃酸的選擇性可達85.3%。周亞婷等口

15、口對縮合反應中的反應溫度、反應?的pH值、加料方式、原料配比以及氧化反應中白催化劑、介質的 pH值、反應時間、溫度等反應條件進行了優化， 使香蘭素總收率達到 75%產品名度 99%甲醛法由愈創木酚和甲醛進行反應得香蘭醇反應得香蘭素。為了增加香蘭素的收率，再由香蘭醇與對亞硝基-N, N-二甲基苯胺氧化,在反應過程中用銅和氯化亞銅作催化劑，反應式為：CHiOf 16比 OUOH電解氧化法先將愈創木酚和乙醛酸進行縮合反應，再將反應液加入電解反應槽中，加人固堿使溶液成強堿性，不需加其他催化劑和氧化劑，按照一定電流密度進行電解氧化反應，生成的愈創木酚默基竣酸不必分離，再調節溶液呈弱酸性時，即會脫梭生成香

16、蘭素且收率可達90刈上5 OOH李云等口5通過縮合反應合成扁桃酸，再經電解氧化制備香蘭素。研究了電流強度、電解時間、堿濃度對收率的影響，電解氧化反應收率可達92%韋星船等也研究了電解氧化法制香蘭素的工藝，對堿的用量、電流密度、電解溫度、電解時間等參數進行了優化，使得電解氧化收率達到95%電解氧化法工藝簡單，不需外加氧化劑和催化劑，省去反應液的后處理工序，減少了廢液污染，而且操作平穩，反應選擇性高，反應的產物純度較高，有很大的發展前途。1.9香蘭素化學合成法總結化學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

17、特點，為目前工業生產香蘭素的主流方法。如何提高愈創木酚與乙醛酸的縮合產率及選擇更好的氧化催化劑需進一步 研究。同時化學合成法也普遍存在產物復雜，過程污染大，產品純度不高等特點。因此對于化學合成法而言，能否開發出能夠適合工業化低污染高純度的路線，就決定其在國內是否將有重大的應用前景。.植物提取法香蘭素以游離態和葡萄糖昔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)。世界香莢蘭產地目前主要集中在馬達加斯加、印度尼西亞、科摩 羅、留旺尼、烏干達、墨西哥和塔希提等島嶼國或地區17。香莢蘭的深加工產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%勺乙酉I在

18、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，因此香蘭素不會發生水解、氧化和酯化等反應，收 率也較高。植物提取法有其自身的優點， 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域有限，產量受氣候影響大，作物種植及加工處理勞動強度太大 18,生產的天 然香蘭素遠不能滿足市場的需求。.生物轉化法植物細胞培養法1991年Knuth等提出，香草愈傷組織細胞懸浮培養物會分泌出一種復雜的帶香莢蘭 香味的物質，在不加前體物的條件下用活性炭連續提取14 d后，可以得到0.099 g/L香蘭素

19、。另有研究者嘗試利用組織培養香莢蘭(Vanilla)和辣椒(Capsicum)來生產香蘭素，產量都非常低，離工業化應用還有很大的距離。酶轉化法酶促反應具有高效、專一，反應條件溫和，能耗低，污染小等優點。在香蘭素白生產中， 也有酶法合成的報道。van den Heuvel等發現利用香草醇氧化酶 (Vanillyl-alcoholoxidase,VAO）可以生產香蘭素19底物木焦油醇在VAO的催化下經香草醇氧化合成香蘭素。微生物轉化法鑒于香蘭素廣泛應用于食品工業中，其是否天然、健康備受消費者的關注。以天然原料 為底物，利用生物技術，經微生物轉化生產的香蘭素經歐洲和美國的食品法規認可為天然 的香蘭素

20、。經過數十年的研究，迄今已報道的利用微生物轉化法生產天然香蘭素的最高產量 達到 19.2 g/L利用微生物轉化法生產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，是細胞壁的組成分之一，在很多谷物作物中白含量非常豐富20。麥妹和玉米妹皮中含量分別為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/kg）也是阿魏酸的一個很好的來源，釀酒工業的副產物之一21大麥

21、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，且以其為底物進行轉化合成香蘭素的產量相對較高。不失為一種理想的原料物質。因 此，利用微生物的轉化能力來進行天然香蘭素的生產，并借助基因工程改造等生物技術手段提高香蘭素的產量，是一個非常具有潛力的研究方向22。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化法，第一步，先用黑曲霉（Aspergillus niger）將阿魏酸轉化為香草酸，轉化率為88%;第二步，再用朱紅密孔菌（Pycnoporus cinnabarinus）將香草酸還原為香蘭素，產率為22%,

22、在這一步中，香草酸主要發生脫竣反應生成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，所以香蘭素的產率很低23。后來陸續有優化兩步法生產香蘭素的報道。在培養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，也有利于香蘭素產量的提高23。在眾多的香蘭素生產菌株中，僅有極少數可以達到工業化應用的水平。由于香蘭素對菌體來說是一種抑制劑大多數菌株無法耐受高濃度的香蘭素，或者部分菌株體內存在香蘭素的下游代謝基因會將生成的香蘭素繼續降解，最終導致香蘭素的產量均比較低，通常不超過1 g/L。據研究發現，目前僅Amycolatopsis 和Streptomyces 兩個屬的多個菌株能將底 物阿魏酸轉化生成較高產量（超過10 g/L）的天然香蘭素24,基本可應用于工業化生產。H人J n _二7HO y4呼*小相那 ni學f H0-yPyr/tapoms annabcmnuxOCH,OCHjUC11,Fenjlic acidVanillic acidVamllm圖2三步法合成香蘭素代謝途徑H,OOCH. Eu網】m%兄虛OH ,而/小潼Eugenol叩r CH ch-ch.1*r IT NADU,HOcmu】l Nj|D