香兰素的合成方法及技术展望

香兰素的合成方法及技术前景吴化工一班3014207025(天津大学化学工程学院，天津300072)香草醛是世界上最重要的香料之一。香兰素广泛应用于食品饮料、香精香料和制药工业领域。全球需求每年超过16000吨。鉴于人们对纯天然绿色食品的日益追求，天然香兰素的高效生产方法也成为研究热点。综述了香兰素各种合成路线的研究进展及合成的关键因素，并分析了不同合成路线的优缺点。展望了微生物法高产天然香兰素的瓶颈和潜在的发展方向。关键词：香草醛；天然香料；合成途径香兰素的合成方法和技术展望吴1班3014207025(天津大学化学工程学院，天津300072)摘要：香兰素是最重要的香料化合物之一，广泛应用于食品工业、香料香精、医药工业等。全球年度消费量估计超过16 000吨。由于人们对天然食品的日益关注，该产品天然香兰素已成为科学研究的重点。通过比较不同的香兰素生产方法，得出微生物转化香兰素是最有前途的方法。讨论了香兰素不同生物合成途径的研究进展，以及涉及的基因和酶。此外，对每种途径的优缺点进行了比较和说明。最后，阐述了利用基因和代谢工程生物合成高产天然香兰素存在的瓶颈以及该领域潜在的发展方向。关键词：香草醛；天然香料；合成途径香草醛(4-羟基-3-甲氧基苯甲醛)是世界上最重要的香料之一，主要存在于天然香草中。香草醛晶体呈白色针状，具有香草豆荚的独特香气。它微溶于冷水，易溶于热水、乙醇、乙醚、氯仿和热挥发油1。它的化学结构是：图1香草醛的化学结构式香兰素独特的香气，是人工无法合成的，使其在许多领域得到广泛应用。香兰素主要用于食品工业，是高档食品不可缺少的调味原料。香兰素在香料、饮料和制药工业中也发挥着重要作用。全球年需求量超过16000吨2。市场上有两种香兰素，合成香兰素和天然香兰素。化学法合成的香兰素供大于求，市场价格低于每公斤15美元。这种香兰素不仅香气类型单一，而且在合成过程中污染严重，不能被人们所接受3。天然香兰素主要从天然香草中提取，但香草种植面积有限，产量受气候影响大，劳动强度大。所得天然香兰素的价格极高，高达每公斤4000美元，约为合成香兰素的300倍。目前，最有潜力的生物合成方法具有原料天然廉价、生产过程清洁无污染、速度快、效率高等优点。利用生物技术手段(微生物转化法)生产天然香兰素已成为一条值得推广的新途径。然而，该方法尚未达到工业化生产的高产率目标和规模，生物合成法的产品分离纯化过程稍复杂。如何实现工业化生产所需的高收率，简化和节约下游产品的分离纯化过程，获得更高的经济效益，仍然是天然香兰素4号价格高的主要限制因素，也是现阶段科研领域的瓶颈，需要突破和创新研究。香兰素的合成主要包括化学合成、天然提取和生物合成。具体内容如下。1.化学合成法制备香兰素文献报道有多种化学合成方法制备香兰素，包括松柏糖苷法、木质素法、黄樟素法、丁香酚法、对羟基苯甲醛法、对甲酚法、愈创木酚法、电解氧化法等。1.1松柏基糖苷法该方法是在无机酸和酶的作用下，将松柏糖苷水解成松柏醇，氧化得到香兰素。这种方法在目前的工业生产中已经基本消除了5。1.2木质素法木质素是一种广泛存在于植物中的无定形芳香聚合物，其分子结构包含氧苯基丙醇或其衍生物结构单元。木质素广泛存在于废弃木材、秸秆、泥炭、纸浆废液和酒糟中。这些废料中含有的木质素可以用来制备香兰素。安徽科技大学分校的李广学等人利用造纸废液经磺化、氧化后生产香兰素，产率高达10.8%。虽然木质素法生产香兰素的产率不高，但从原料资源和生产方法的角度来看，以木质素为原料生产香兰素为造纸废液的综合利用开辟了一条新途径。它具有广阔的发展前景，需要进一步研究和开发。1.3黄樟素方法黄樟素是香樟精油、八角精油、樟脑油等多种食用天然香精的主要成分，约占香樟精油的80%。黄樟素也少量存在于香料制成的香精中，如肉豆蔻、日本野生生姜和加州月桂。香樟精油经常被用作啤酒和其他葡萄酒的风味添加剂。Sas-safras albidum的根皮也是檫树茶的主要成分，檫树茶是一种流行的药用滋补茶。在该方法中，黄樟素(源自樟脑油)在碱性条件下异构化，氧化成胡椒醛，然后在五氯苯酚的作用下制备原儿茶醛，最后通过硫酸二甲酯7的甲基化得到香兰素。该方法工艺路线长，原料来源困难，成本高，目前使用较少。1.4丁香酚法根据氧化方法的不同，这种方法可分为直接氧化法、间接氧化法和电化学氧化法。然而，直接氧化法通常用于香兰素的工业生产。工艺流程如下：以丁香酚为原料，与强碱一起加热，异构化成异丁香酚，然后直接氧化异丁香酚。该工艺生产的香兰素香气良好，但原料难以获得，生产成本高，产品收率约为60%。目前，只有少数厂家采用这种工艺，而且整体产量很小7。1.5对羟基苯甲酸法该方法以对羟基苯甲醛为原料，经溴化后再甲氧基化得到香兰素。浙江大学的韩伟等人用氯化铜作催化剂制备香兰素，最终收率约为80%。周、等人也对这一方法进行了深入的研究。以氯化溴为溴化剂，以二甲基甲酰胺和甲醇混合物为溶剂，两步反应的每一步收率均在93%以上，总收率在85%以上。虽然该工艺路线操作简单，步骤少，收率高，但原料价格相对较高，6，国内尚无直接用该工艺生产香兰素的报道。1.6对甲酚法对甲酚法可分为两种，即卤化前对甲酚氧化法和氧化前对甲酚卤化法。卤化前对甲酚的氧化实际上是对羟基苯甲醛法的延伸。该方法操作简单，第一步反应收率达到91%，可直接用于下一步合成，总收率达到85%，高于对甲酚卤化氧化法。目前，国内对该方法的研究很多。中国甲酚资源丰富，具有一定的发展前景。然而，国内外没有关于这种方法大规模生产的报道8。1.7愈创木酚法愈创木酚法合成香兰素10相对成熟，是目前香兰素合成工业中使用的主流方法。愈创木酚法可分为以下几种方法：亚硝基法、甲醛法、reimer-ttieman法、三氯乙醛法、乙醛酸法、电解氧化法等。11。1.7.1亚硝基该方法分离过程复杂，反应效率低，生产收率约57%，三废严重，生产1t香兰素产生约20t废水(含酚类、醇类、芳香胺类和亚硝酸盐类)，难以处理，还有1 2t固体废渣。这种方法在国外已被淘汰，但在我国仍是主要的生产方法。目前，我国大型制造商已经开始改进这种方法。例如，吉化公司和中国化工集团已将工艺改为乙醛酸法11。1.7.2乙醛酸法愈创木酚在碱性条件下与乙醛酸缩合，合成3-甲氧基-4-羟基扁桃酸(也称扁桃酸)，然后在催化剂作用下氧化脱羧，得到粗产物，粗产物经纯化得到香兰素。反应式为：国外对乙醛酸法的研究较早，目前该方法也广泛用于生产香兰素。Hodny Ivo等人(12)的研究发现，在碱性条件下，愈创木酚与乙醛酸在60反应24小时，得到扁桃酸，然后在乙二胺四乙酸铜络合物的催化下氧化，最后在甲苯中酸化和脱羧，得到转化率为80%(基于扁桃酸)的香草醛。诺贝尔多米尼克使用自制催化剂，在碱性条件下被空气氧化。扁桃酸的转化率可达86%，脱羧可得到香兰素。Rajendra G. Kalikar等人给出乙醛酸与愈创木酚缩合的最佳条件为：反应时间7h，n(愈创木酚)n(醛酸)n(氢氧化钠)112。以半间歇加料方式滴加碱溶液和乙醛酸，愈创木酚的转化率为74% 77%。最佳氧化反应条件为：搅拌速度：反应温度95，空气流速1毫升/秒，n(氢氧化铜)n(扁桃酸)为0.51，扁桃酸转化率为88%。尤永嘉等人研究了温度、原料配比、催化剂和压力对扁桃酸产率的影响。通过选择合适的反应条件，提高了香兰素的收率，缩短了反应时间。魏国锋等人14研究了三种自制催化剂对愈创木酚-乙醛酸合成香兰素缩合反应的影响，发现当某催化剂的催化质量分数为4%时，乙醛酸的转化率可达95.8%，扁桃酸的选择性可达85.3%。周亚婷等14对氧化反应中的反应温度、反应溶液的酸碱度、加料方式、原料配比、催化剂、介质的酸碱度、反应时间和温度等反应条件进行了优化，使香兰素的总收率达到75%，产品纯度 99%。1.7.3甲醛法蓝翔醇通过愈创木酚与甲醛反应获得，香兰素通过用对亚硝基-N，N-二甲基苯胺氧化蓝翔醇获得。为了提高香兰素的收率，反应中使用了铜和氯化亚铜作为催化剂，反应配方为：1.8电解氧化法首先将愈创木酚和乙醛酸进行缩合反应，然后将反应液加入到电解反应罐中，加入固体碱使溶液呈强碱性，不需要其他催化剂和氧化剂，按照一定的电流密度进行电解氧化反应，生成的愈创木酚羰基羧酸无需分离，然后当溶液呈弱酸性时，脱落生成香兰素，产率可达90%以上5。李云等人15通过缩合反应合成了扁桃酸，然后通过电解氧化制备了香兰素。研究了电流强度、电解时间和碱浓度对产率的影响。电解氧化反应的产率可达92%。魏兴川等(16)还研究了电解氧化法制备香兰素的工艺，并对碱用量、电流密度、电解温度、电解时间等参数进行了优化。因此电解氧化的产率达到95%。本发明工艺简单，不需要额外的氧化剂和催化剂，节省了反应液的后处理过程，减少了废液污染，操作稳定，反应选择性高，反应产物纯度高，具有很大的发展前景。1.9化学系统概述化学合成法一直是香兰素的主要生产工艺。从以上香兰素的化学合成方法可以看出，乙醛酸法由于原料来源广泛、工艺条件容易控制、产率高、污染少，是目前工业化生产香兰素的主流方法。如何提高愈创木酚和乙醛酸的缩合收率，选择更好的氧化催化剂还有待进一步研究。同时，化学合成也具有产品复杂、工艺污染大、产品纯度低的特点。因此，对于化学合成法来说，能否开发出一条适合工业化的低污染、高纯度的路线，将决定其在中国是否有重大的应用前景。2.植物提取方法香草醛广泛存在于天然植物中，以游离形式和葡萄糖苷的形式存在，尤其是在香草豆中，含量约为20克/千克(干重)。世界上香草的产地目前主要集中在岛国或地区，如马达加斯加、印度尼西亚、科摩罗、留尼汪、墨西哥和塔希提岛等。香草的深加工产品主要是香草浸液。方法是将香草切成块，放入提取器中，用95%乙醇在50-60提取，过滤。这种方法成本高，耗时长，并且会残留溶剂。采用超临界溶剂萃取技术18，无毒，无溶剂残留，加工过程中不与空气接触，因此香兰素不会发生水解、氧化、酯化等反应，收率高。植物提取法有其自身的优点，从植物香草中提取的香兰素是天然的，但由于香草种植面积有限，产量受气候影响很大，而且作物种植和加工的劳动强度太高18，生产的天然香兰素远不能满足市场需求。3.生物转化3.1植物细胞培养方法Knuth等人在1991年提出香草愈伤组织细胞悬浮培养物可以分泌出复杂的香草风味物质，并且在无前体的情况下用活性炭连续提取14天后可以获得0.099克/升的香草醛。其他研究人员试图通过香草和辣椒的组织培