香精與香料(27)—說說苯乙醇

苯乙醇，也稱為2-苯乙醇、β-苯乙醇，分子式為C8H10O，外觀為無色透明液體狀，具有花香氣味。苯乙醇不溶于水，可溶于乙醇、乙醚、甘油等有機(jī)溶劑，遇明火或高熱可燃燒，可與氧化劑發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，在密閉容器中有爆炸危險(xiǎn)。苯乙醇是一種重要的有機(jī)合成原料，主要用來生產(chǎn)香精香料。

在自然界，苯乙醇存在于多種植物中，在蘋果、杏仁、香蕉、玫瑰、風(fēng)信子、茉莉花、百合等植物體內(nèi)均有發(fā)現(xiàn)。在眾多植物中，除玫瑰外，苯乙醇在其他植物體內(nèi)含量低，無法進(jìn)行提取，玫瑰精油雖然可以提取苯乙醇，但其成本高且生產(chǎn)周期長，產(chǎn)量較小。而苯乙醇是大宗香料之一，年需求量龐大，僅次于香蘭素，天然提取產(chǎn)量難以滿足市場需求。

在工業(yè)領(lǐng)域，一般采用化學(xué)合成法制取苯乙醇，主要有氧化苯乙烯加氫法、環(huán)氧乙烷法兩種工藝。氧化苯乙烯加氫法是以氧化苯乙烯為原料，添加催化劑，在低溫加壓條件下加氫制得；環(huán)氧乙烷法是以環(huán)氧乙烷、苯為原料，在催化劑作用下反應(yīng)制得。其中，氧化苯乙烯加氫法制得的苯乙醇產(chǎn)品質(zhì)量較高，是我國苯乙醇行業(yè)的主流制備工藝。

苯乙醇可用作食用香料、日化用品香精。用作食用香料，苯乙醇可以調(diào)制水果型香味、蜂蜜香味、焦糖香味、奶油香味等香料，用于飲料、糖果、烘焙、甜點(diǎn)等產(chǎn)品生產(chǎn)中；用作日化香精，苯乙醇可以調(diào)制玫瑰香型、茉莉香型、丁香香型等多種花香型香精，用于香皂、沐浴露、化妝品等產(chǎn)品生產(chǎn)中。其中，日化香精是苯乙醇的主要應(yīng)用市場，需求占比達(dá)到97%以上。

苯乙醇是一種食用香料，又叫乙位苯乙醇、β-苯乙醇，也天然存在于橙花油，玫瑰油，香葉油等芳香油中，因它具有柔和、愉快而持久的玫瑰香氣而廣泛用于各種食用香精和煙用香精中，是配制玫瑰香型食品添加劑，玫瑰香型香精主要原料，它對(duì)堿作用穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用在皂用香精中，是調(diào)合一切玫瑰香型系列香精不可缺少的香料，由于它不溶于水，因此，在化妝水、香皂中經(jīng)常應(yīng)用，此外，在橙花，紫馨等香精的調(diào)合中也有使用。由于苯乙醇有良好的抗菌效能，可以用在眼藥水溶液中。目前主要合成方法有以下三種：

1，由苯乙烯經(jīng)鹵化、皂化、加氫、精餾而得。

2，微生物發(fā)酵法是將酵母通過生物轉(zhuǎn)化制造而成。

3，以電石、苯為原料制備苯乙醇，反應(yīng)方程式如下：

(1)CaC2+2H2O=Ca(OH)2+C2H2

(2)C6H6+C2H2=C6H6CHCH2（苯乙烯）

(3)C6H6CHCH2＋H2O=C6H6CH2CH2OH（苯乙醇）

參考質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1）色狀：無色透明液體、色澤不超過4#色標(biāo)

2）香氣：玫瑰花樣香氣

3）相對(duì)密度（25/25℃):1.017-1.020

4)  折光指數(shù)（20℃）：1.5310-1.5340

5)  溶解度（25℃）：1ML試樣全溶于2ML50%乙醇中，溶于50倍容積的蒸餾水呈澄清溶液

6）含醇量：99.0%（內(nèi)控化學(xué)法≥99.5%，色譜主峰99.7%以上）

7）氯化物含量試驗(yàn)：通過

8）含砷量：≤3PPM（0.0003%)

9）重金屬：≤10PPM（0.001%)

符合USP23版標(biāo)準(zhǔn)和QB/T3786-99國家食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)

含量分析

按總醇量測定法(OT-5)測定。所取乙?；蜆恿繛?g。計(jì)算中的當(dāng)量因子(e)取61.08?；虬礆庀嗌V法(GT-10-4)中用非極性柱方法測定。

毒性

LD50 orally in rats:  1790 mg/kg (Jenner)

使用限量

FEMA(mg/kg)：軟飲料1.5；冷飲8.3；糖果12；焙烤食品16；布丁類0.15；膠姆糖21~80。適度為限(FDA§172．515，2000)。

化學(xué)性質(zhì)

具有玫瑰香氣的無色液體。溶于乙醇、乙醚、甘油，略溶于水，微溶于礦油。

用途

廣泛用于調(diào)配皂用和化妝品用香精。

苯乙醇是我國規(guī)定允許使用的食用香料，用量按正常生產(chǎn)需要。一般在口香糖中21～80mg/kg；烘烤食品中16mg/kg；糖果中12mg/kg；冷飲中8.3mg/kg。

GB 2760--1996規(guī)定為允許使用的食用香料。主要用以配制蜂蜜、面包、桃子和漿果類等型香精。

調(diào)配玫瑰香型花精油和各種花香型香精，如茉莉香型、丁香香型、橙花香型等，幾乎可以調(diào)配所有的花精油，廣泛用于調(diào)配皂用和化妝品香精。此外，亦可以調(diào)配各種食用香精，如草莓、桃、李、甜瓜、焦糖、蜜香、奶油等食用型香精。

用于日化和食用香精,廣泛用于調(diào)配皂用和化妝品香精

人造玫瑰油。香料調(diào)合劑。有機(jī)合成。

生產(chǎn)方法

天然品存在于玫瑰油、天竺葵油和苦橙花油等中。市售品為合成品，用苯乙烯單體經(jīng)氧化苯乙烯制取?；?qū)⒈脚c環(huán)氧乙烷作用而得。

(1).氧化苯乙烯法以氧化苯乙烯在少量氫氧化鈉及骨架鎳催化劑存在下，在低溫、加壓下進(jìn)行加氫即得。

(2).環(huán)氧乙烷法在無水三氯化鋁存在下，由本與環(huán)氧乙烷發(fā)生Friedel-Crafts反應(yīng)制取之。

苯乙烯在溴化鈉、氯酸鈉和硫酸催化下進(jìn)行鹵醇化反應(yīng)，得溴代苯乙醇，加NaOH進(jìn)行環(huán)化得環(huán)氧苯乙烷，再在鎳催化下加氫而得。用氯化芐與氰化鈉作用而得氰化芐，再用硫酸與乙醇處理而得苯乙酸乙酯，再用金屬鈉和無水乙醇還原而得。α-氯乙醇與格氏試劑(C6H5MgBr)作用，將生成物用硫酸分解而得。苯與環(huán)氧乙烷在氯化鋁存在下，縮合而成。

苯乙醇天然存在于依蘭油、橙花油、玫瑰油、風(fēng)信子油等，市售商品大多由合成法制備。先將苯和三氯化鋁加入反應(yīng)釜并冷卻至6℃，再通入氮?dú)?壓力40kPa)，并開動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)使其循環(huán)。循環(huán)氣中生成的氯化氫先用水洗，后用20%的NaOH溶液洗去。在0~5℃和攪拌下通人理論上所需的環(huán)氧乙烷，之后再攪拌反應(yīng)1h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)混合物放人尖底槽，分出苯層。加熱蒸出苯后，殘液進(jìn)行真空蒸餾，收集110～120℃(2.67kPa)餾分，即為粗苯乙醇。將粗品與硼酸作用生成高沸點(diǎn)的三硼酸酯，在0.3kPa下蒸出5%～10%的非醇雜質(zhì)。剩下的三硼酸酯用水分解，經(jīng)分離、干燥后，真空蒸餾得苯乙醇成品。以苯乙烯為原料合成先將37kg苯乙烯和135kg水投入反應(yīng)釜，攪拌加熱至85~90℃，然后分別均勻滴加溴化鈉溶液(40.5kg溴化鈉溶于80kg水中)和氯酸鈉/硫酸溶液(15kg氯酸鈉溶于30kg水，再加40%硫酸95kg)，2h內(nèi)滴加完畢，Chemicalbook繼續(xù)反應(yīng)至下層有機(jī)層相對(duì)密度d4(20)＞1.430為止(約4h)。冷卻、靜置，放出下層油狀物即為粗溴代苯乙醇，約68.5kg。將70kg粗溴代苯乙醇和77kg20%的NaOH溶液(由溴代苯乙醇的皂化值計(jì)算而得)投入反應(yīng)釜。加熱升溫至35～45℃，攪拌反應(yīng)至4(20)＜1.0781(約1h)。靜置分層，上層有機(jī)層用水洗一次，得粗環(huán)苯氧乙烷約42kg。減壓分餾，收集60～65℃(400～533Pa)餾分30kg，折射率nD(20)1.535，相對(duì)密度d16(16)1.055。在60L的反應(yīng)釜中加入上述環(huán)氧苯乙烷20kg、乙醇15kg、雷尼鎳250g和450g20%的NaOH溶液，在室溫和0.98～1.96MPa壓力下加氫，直到吸入理論量的氫為止。濾去催化劑，濾液用酸中和后先蒸餾回收乙醇，再分餾取99～99.5℃(1.33kPa)餾分，得成品苯乙醇約27kg，折射率nD(20)1.530～1.533，相對(duì)密度25(25)1.018。

2020年全球2-苯基乙醇的市場規(guī)模超過2.4億美元

2-苯基乙醇中文名是β-苯乙醇（Phenethyl alcohol），別名苯乙醇、2-苯乙醇、2-苯基乙醇，是一種無色透明液體，具有玫瑰香氣。2-苯基乙醇具有易溶于乙醇、丙二醇、乙醚等有機(jī)溶劑，微溶于水和礦物油的特性。2-苯基乙醇是我國食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許使用的食用香料。

近年來，全球2-苯基乙醇市場持續(xù)發(fā)展，據(jù)新思界發(fā)布的《2021年全球及中國2-苯基乙醇產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告》顯示，2020年全球2-苯基乙醇的市場規(guī)模超過2.4億美元，預(yù)計(jì)未來五年2-苯基乙醇市場規(guī)模將以超過5.5%的復(fù)合年增長率增長。推動(dòng)全球2-苯基乙醇市場發(fā)展的因素主要有三個(gè)方面：

其一，人們對(duì)健康綠色食品的需求增多。2-苯基乙醇廣泛用于黑胡桃、白葡萄酒、紅葡萄酒、馬斯喀特葡萄酒、甜羅勒、薄荷、胡桃南瓜和蠶豆等各種食品和飲料中，以增強(qiáng)產(chǎn)品的風(fēng)味和口感。在人們生活中，衣食住行的生活保障不可或缺，而2-苯基乙醇作為食品和飲料的天然香料，市場對(duì)于其的需求在過去幾年中不斷增長。越來越多的食品加工行業(yè)采用2-苯乙醇這種天然香料來提升產(chǎn)品風(fēng)味和口感，這是2-苯乙醇在全球市場增長的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

其二，化妝品領(lǐng)域消費(fèi)持續(xù)增長。2-苯基乙醇作為天然香料可添加在化妝品中，天然香料被認(rèn)為更健康、安全，所以當(dāng)化妝品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品使用天然香料時(shí)，人們對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的需求快速增長。

其三，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動(dòng)消費(fèi)增長。隨著全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，消費(fèi)者可支配收入增長，消費(fèi)者購買能力提升，推動(dòng)了市場對(duì)于2-苯乙醇的需求規(guī)模。

不過，近年來2-苯基乙醇市場發(fā)展也面臨一些風(fēng)險(xiǎn)。歐美國家有關(guān)2-苯基乙醇在食品中應(yīng)用的嚴(yán)格規(guī)定限制了其市場應(yīng)用。例如，歐洲化學(xué)品管理局認(rèn)為2-苯基乙醇是有害的，因?yàn)槿绻簧魍淌郴蚺c皮膚接觸2-苯基乙醇將導(dǎo)致嚴(yán)重的眼睛刺激。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2025年苯乙醇行業(yè)市場深度調(diào)研及投資前景預(yù)測分析報(bào)告》顯示，我國苯乙醇生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量較多，2011年以來，行業(yè)產(chǎn)量整體呈現(xiàn)上升態(tài)勢。2011-2020年，我國苯乙醇產(chǎn)量年均復(fù)合增長率為12.3%。我國是全球苯乙醇生產(chǎn)大國，但國內(nèi)苯乙醇企業(yè)中，較多企業(yè)規(guī)模較小，行業(yè)規(guī)?；l(fā)展不足，未來還有較大提升空間?；瘜W(xué)法合成的 2-苯乙醇產(chǎn)品純度較低，純化難度較大，產(chǎn)物中往往混合一些難以除去的副產(chǎn)物以及有 毒有害的重金屬催化劑等雜質(zhì)，達(dá)不到食品級(jí)的要求。如果進(jìn)行進(jìn)一步的分離純化又會(huì)大大增加生產(chǎn)成 本，而且往往效果很不理想。而且化學(xué)催化底物轉(zhuǎn)化 率低，常需要高溫高壓等苛刻的工業(yè)條件，對(duì)設(shè)備的 要求較高?；瘜W(xué)法合成的 2-苯乙醇達(dá)不到歐洲和美國 食品藥品管理局的“天然”標(biāo)準(zhǔn)，因此產(chǎn)品售價(jià)低廉， 市場競爭力弱。2008 年 1 月份化學(xué)合成的 2-苯乙醇國際市場價(jià)格為 5.5 美元，價(jià)格不到“天然”2-苯乙 醇的百分之一。

行業(yè)分析人士表示，苯乙醇是重要的大宗香料，全球每年需求量大，我國是主要生產(chǎn)國之一。苯乙醇可以應(yīng)用在食品、日化生產(chǎn)領(lǐng)域，其中日化領(lǐng)域是其主要市場?，F(xiàn)階段，全球苯乙醇以化學(xué)合成法生產(chǎn)為主，但合成的苯乙醇中含有難以去除的副產(chǎn)物，用于食用領(lǐng)域會(huì)對(duì)人體健康造成一定影響，因此微生物發(fā)酵法受到關(guān)注，有望拓展苯乙醇在食品領(lǐng)域的市場空間。

許多具有 2-PE生產(chǎn)能力的野生型菌株已經(jīng)被分離并鑒定，其中大多數(shù)是真核生物，包括釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、馬克斯克魯維酵母 （Kluyveromyces marxianus）、解 脂 耶 氏 酵 母 （Yarrowia lipolytica）、 米 曲 霉（Aspergillus oryzae）、黑曲霉（Aspergillus niger）、季 也 蒙 畢 赤 酵 母 （Meyerozyma guilliermondii） 等。然 而 ， 除 了 葉 微 桿 菌 （Microbacterium foliorum）、變形桿菌（Proteus vulgaris）和嗜冷桿菌（Psychrobacter sp.）外，很少有原核生物可以合成 2-PE。生物轉(zhuǎn)化過程通常在溫和的條件下進(jìn)行，產(chǎn)物選擇性高。此外，根據(jù)美國食品和藥物管理局以及相關(guān)的歐洲法規(guī)規(guī)定，如果用于生產(chǎn)過程的底物是天然的，則生物生產(chǎn)的 2-PE 會(huì)被認(rèn)為是“天然的”。目前，利用生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)2-PE 已取得重大突破。其中，合成生物學(xué)著力于構(gòu)建“非自然存在下的生化系統(tǒng)”，通過利用不同的生物元件，構(gòu)建全新的菌株代謝網(wǎng)絡(luò)，從而高效合成人類需求的代謝產(chǎn)物。通過使用有效的代謝工程策略可以調(diào)節(jié)不同酶的基因表達(dá)水平，以找到最佳平衡，進(jìn)而改善代謝通量并減少代謝負(fù)擔(dān)或其他副作用，從而將廉價(jià)的葡萄糖或苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為高附加值的2-PE。

苯乙醇生物合成的研究現(xiàn)狀

從玫瑰精油中直接提取

2-苯乙醇最早是從玫瑰花的精油中發(fā)現(xiàn)的，因此 最簡單的方法就是直接從玫瑰花的精油中直接提取。然而玫瑰花的產(chǎn)量有限，例如 1993 年全國年產(chǎn)玫瑰 花 100 多萬 Kg，可提供玫瑰油 40 Kg，但是上海日化公司一家年需要玫瑰油就達(dá) 50 Kg 以上。從玫瑰花 等植物中直接提取 2-苯乙醇的原料價(jià)格非常高昂。提取天然 2-苯乙醇的原料玫瑰精油國際市場的價(jià)格就已高達(dá) 3500~6000 美元/Kg。從玫瑰精油中直接提 取受原材料供應(yīng)的限制。利用玫瑰為原材料直接提取 先天不足，產(chǎn)量低，原料來源困難以及生產(chǎn)無法實(shí)現(xiàn)可持續(xù)。從玫瑰精油中直接提取 2-苯乙醇無法進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，無法滿足日益增長的市場需求， 因此必須尋找其它替代途徑。利用微生物催化法生產(chǎn)成本較低，可以實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的可持續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)，而且發(fā)酵周期短，產(chǎn)品產(chǎn)量高。

由植物細(xì)胞合成 2-苯乙醇

2-苯乙醇在玫瑰花中含量較高，因此可以利用玫 瑰的植物細(xì)胞培養(yǎng)來合成 2-苯乙醇，但是產(chǎn)量一般非 常低，而且培養(yǎng)周期較長，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。Banthorpe 等人用大馬士革玫瑰培養(yǎng)來合成 2-苯乙醇 的產(chǎn)量只有 0.013 mg/kg。利用植物細(xì)胞作為生物催化劑來合成 2-苯乙醇的方法在日本研究較多，主要利用玫瑰花的細(xì)胞為催化劑來合成 2-苯乙醇。植物細(xì)胞的培養(yǎng)條件更加苛刻，應(yīng)用時(shí)使用其原生質(zhì)體， 植物細(xì)胞的培養(yǎng)難以做到無菌培養(yǎng)，生產(chǎn)周期較長。而且由于 2-苯乙醇是植物細(xì)胞的副產(chǎn)物，因此產(chǎn)量低、代謝活力不高，以植物細(xì)胞的原生質(zhì)體來合成 2-苯乙醇目前還處于實(shí)驗(yàn)探索階段，距離工業(yè)化應(yīng)用尚需時(shí)日。必須尋找更為有效的轉(zhuǎn)化方法。使用微生物催化合成法可以同時(shí)克服從玫瑰精油中直接提取時(shí)成本高昂、受原材料產(chǎn)量影響等原因不能滿足廣大的市場需求和化學(xué)法合成時(shí)產(chǎn)品含有毒雜質(zhì)、價(jià)格低廉的缺點(diǎn)。微生物法合成的 2-苯乙醇香味純正，不含各種受到限制的雜質(zhì)，產(chǎn)量高，有利 于進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，成本低廉，利潤空間巨大。

微生物法合成 2-苯乙醇

生物法合成的 2-苯乙醇被歐洲和美國的食品管 理局標(biāo)記為“天然”產(chǎn)品，使其具有了很強(qiáng)的市場競 爭力。利用微生物合成的產(chǎn)品生產(chǎn)成本低，產(chǎn)量高， 所獲得的產(chǎn)品純度較高以及不含有有毒有害雜質(zhì)，而 且生產(chǎn)不受天氣和原料供應(yīng)的影響和符合“天然”的 規(guī)定，因此利用微生物法來合成 2-苯乙醇是當(dāng)今國際 國內(nèi)發(fā)展趨勢。微生物在合成主產(chǎn)物 2-苯乙醇時(shí)，一 些副產(chǎn)物如苯乙醛等也是重要的香料。能夠合成 2- 苯乙醇的微生物主要是酵母屬，但是也有細(xì)菌如腸桿 菌屬等能利用葡萄糖從頭合成 2-苯乙醇。通過生物技術(shù)來生產(chǎn) 2-苯乙醇比較常用的技術(shù) 是通過與菌體生長相關(guān)聯(lián)的生物催化法，即使用酵母 菌經(jīng)由 Ehrlich 途徑利用 L-苯丙氨酸(L-Phe)來合成 2- 苯乙醇。然而，酵母利用 L-苯丙氨酸來生產(chǎn) 2- 苯乙醇時(shí)，2-苯乙醇在濃度較高時(shí)可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生抑 制作用而降低其產(chǎn)量。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道在以酵母催化 合成 2-苯乙醇時(shí)，2.5 g/L 的 2-苯乙醇就能抑制 75% 的酵母生長，3 g/L 的 2-苯乙醇幾乎可以抑制全部酵母的生長，產(chǎn)物對(duì)菌株的抑制作用限制了產(chǎn)物產(chǎn)量 的進(jìn)一步提高。Fabre 等人用 Kluyveromyces marxianus 通過分批培養(yǎng)生產(chǎn) 2-苯乙醇時(shí)最高濃度達(dá)到 1.4 g/L。Albertazzi 等人利用 Hansenula anomala 菌株生 產(chǎn) 2-苯乙醇最高產(chǎn)量達(dá)到了 1.73 g/L。Seward 和 Stark等人用不同的Saccharomyces cerevisiae菌株分批 發(fā)酵產(chǎn) 2-苯乙醇最高達(dá) 2.6 g/L。Stark 用 S. cerevisiae 通過流加葡萄糖分批–補(bǔ)料培養(yǎng)來抑制產(chǎn)生乙 醇并獲得了 3.8 g/L 的 2-苯乙醇濃度。通過普通的發(fā)酵手段已經(jīng)很難再提高 2-苯乙醇的產(chǎn)量，因?yàn)橐掖己?苯乙醇具有協(xié)同抑制效應(yīng)而降低 2-苯乙醇的產(chǎn)量。文獻(xiàn)中報(bào)道的 2-苯乙醇的產(chǎn)量基本在 3 g/L 左右，原 因是此濃度以上的產(chǎn)物對(duì)菌體的抑制作用非常強(qiáng)烈；要想使菌體繼續(xù)合成產(chǎn)物，首先應(yīng)該解除產(chǎn)物對(duì)菌體 的這種抑制作用。要解除 2-苯乙醇對(duì)細(xì)胞的抑制作用 主要有兩種方法：第一是用原位產(chǎn)物分離技術(shù)(In situ product removal，即 ISPR)將產(chǎn)物實(shí)時(shí)分離出來，這種方法可以使 2-苯乙醇的最終濃度和轉(zhuǎn)化效率都有所提高；第二是篩選耐 2-苯乙醇的菌株來提高其產(chǎn)量。崔志峰等人通過紫外誘變獲得了對(duì) 2-苯乙醇耐受性提高 50%，產(chǎn)量提高 9.1%的突變株。原位分離技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在工業(yè)化應(yīng)用中較為常見，其特點(diǎn)是工藝簡單，成本可控適宜于規(guī)?；?生產(chǎn)。目前獲得高產(chǎn)菌株的方法主要是從自然界篩選以及對(duì)已有生產(chǎn)菌株進(jìn)行誘變等，然而由于自然菌株的枯竭，很難篩選到更高產(chǎn)量的菌株，而且菌株誘變負(fù)突變多，突變株性能易退化，效果并不理想。因此必須考慮更為可靠的高產(chǎn)菌株獲取方法，可以利用目前較為成熟的分子生物學(xué)手段，對(duì)已有菌株進(jìn)行定向改造，例如通過過表達(dá)合成途徑的關(guān)鍵酶，抑制分支途徑以減少代謝流損失等都可以有效的提高菌株的生產(chǎn)性能。分子克隆技術(shù)是微生物合成中廣泛應(yīng)用的 技術(shù)，其中部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。改造后的工程菌生產(chǎn)性能穩(wěn)定，比野生菌具有更高的效率，可以有效的降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，是今后發(fā)展趨勢。

2-苯乙醇發(fā)酵生產(chǎn)技術(shù)

由于細(xì)胞產(chǎn)生的 2-苯乙醇對(duì)其自身有抑制作用， 為了獲得更高的產(chǎn)物濃度，必須解除這種抑制，將產(chǎn)物從發(fā)酵液中提取出來降低其濃度以解除抑制。為了適合工業(yè)化生產(chǎn)，必須采用經(jīng)濟(jì)有效的萃取技術(shù)。

從發(fā)酵液中實(shí)時(shí)萃取出 2-苯乙醇的方法主要有：

第一，液–液萃取，其成本比較低、操作簡便、而且提取量 比較大，缺點(diǎn)是有機(jī)溶劑可能對(duì)細(xì)胞有毒性、溶劑的選擇有限制、有時(shí)兩相的分離可能會(huì)有困難。劉國等人用油酸作為萃取劑 2-苯乙醇的最終濃度達(dá)到 4.55 g/L；梅建鳳等人以油酸為萃取劑，最終獲得有機(jī)相和水相中 2-苯乙醇的濃度分別為 14.9 g/L 和 1.74 g/L；Stark 等人用油酸作為萃取劑時(shí)發(fā)酵罐中 2-苯乙醇的最終濃度為 12.6 g/L，有機(jī)相中 2-苯乙醇 的濃度達(dá)到了 24 g/L，平均轉(zhuǎn)化速率達(dá)到了 0.26 g/L·h 和最大轉(zhuǎn)化速率為 0.47 g/L·h。Etschmann 等人用 Kluyveromyces marxianus CBS 600 以油醇為萃取劑進(jìn)行兩相發(fā)酵獲得了 3 g/L 的 2-苯乙醇，使用遺傳算法將培養(yǎng)基優(yōu)化后獲得了 5.6 g/L 的 2-苯乙醇。而 利用分批補(bǔ)料技術(shù)可以獲得更高的 2-苯乙醇產(chǎn)量， 2006 年 Etschmann 等人用 Kluyveromyces marxianus CBS 600 菌株以聚丙二醇 1200 為萃取劑，最終在有機(jī)相中獲得了 26.5 g/L 的2-苯乙醇和 6.1 g/L的2-苯乙 醛。

第二，利用水–固相分隔生物反應(yīng)器(TPPB) 作為產(chǎn)物原位分離技術(shù)。這種系統(tǒng)使用高聚小球作為隔離不相混和相來隔離 2-苯乙醇，并將水相中的 2- 苯乙醇濃度降低到非抑制水平；利用這種系統(tǒng) Fang Gao 等人的最終 2-苯乙醇產(chǎn)量為 20.4 g/L，水相中濃 度為 1.4 g/L，聚合物相中的濃度為 97 g/L。

第三，超臨界流體二氧化碳(SCCO2)萃取；超臨界流體二氧 化碳(SCCO2)萃取，其萃取能力比較強(qiáng)，但是可能會(huì) 對(duì)細(xì)胞造成損害以及需要將細(xì)胞進(jìn)行分離開。需要首先將菌體除去然后再用超臨界流體二氧化碳萃取。Cathy E. Fabre(1999)等人利用此技術(shù)對(duì) 2-苯乙醇的回 收率在 90%以上，萃取的 2-苯乙醇的回收率在 97%以上，純度也達(dá)到了 91%。

第四，離子液體。2010 年 Sendovski 等人研究了不相容離子液體(ILs)在兩相體系中提取 2-苯乙醇的效果，通過對(duì)九種離子液體的 研究發(fā)現(xiàn)[Tf2N]型陰離子相對(duì)于[PF6]和[BF4]陰離子 來說是生物相容性最好的，吡啶和銨陽離子比咪唑陽 離子要好；在大于六個(gè)碳原子后，烴鏈越長生物相容性越差；2-苯乙醇在 BMIM[Tf2N]中的分配系數(shù)(KD) 達(dá)到了 17.6，用 MPPyr[Tf2N]，OMA[Tf2N]，和 BMIM [Tf2N]三種離子液體處理后，2-苯乙醇濃度可以增加3~5 倍。離子液體可重復(fù)回收利用，其缺點(diǎn)是成本 較高而且部分離子液體毒性較大，對(duì)生產(chǎn)“天然”產(chǎn) 物產(chǎn)生限制。

第五，吸附劑進(jìn)行吸附，其選擇的特異性比較強(qiáng)，但是分離能力較低，如果不是將吸附劑直接加入發(fā)酵液中而是實(shí)行在線萃取的話還需要將細(xì) 胞分離出來以防止柱子堵塞。2009 年關(guān)昂等人利用大孔吸附樹脂 FD0816 作為原位轉(zhuǎn)移產(chǎn)物的介 質(zhì)，使 2-苯乙醇的最終濃度達(dá)到了 12.80 g/L，隨后用 乙醇進(jìn)行洗脫時(shí)，2-苯乙醇的洗脫率在 95%以上，洗 脫液中 2-苯乙醇的濃度達(dá)到了 60 g/L。

第六，溶劑固定化，其操作簡單、萃取量較大，但是需要額外的 溶劑固定化步驟。

第七，滲透蒸發(fā)，其選擇性較強(qiáng)、 能將 2-苯乙醇直接濃縮至很高的濃度而且滅菌比較容易，但是其分離量可能較低。

第八，滲透萃取， 不需要將細(xì)胞分離出來，萃取量大，但是 2-苯乙醇的最終濃度在有機(jī)溶劑中被高度稀釋，而且溶劑的選擇受到限制和對(duì)細(xì)胞可能產(chǎn)生毒性。

原位萃取技術(shù)多種多樣，然而其原理都是根據(jù)萃取劑對(duì) 2-苯乙醇的選擇性吸附作用，或者是選擇性分離作用將產(chǎn)物從發(fā)酵液中分離出來。在選擇萃取劑時(shí)需要考慮產(chǎn)物在發(fā)酵液和萃取劑中的分配系數(shù)，選擇在萃取劑中分配系數(shù)高的；其次要萃取劑和發(fā)酵液應(yīng)易于分離，便于回收萃取劑；第三，萃取劑不應(yīng)該對(duì)菌體產(chǎn)生抑制作用；第四，選擇對(duì)人體無毒或毒性較低的萃取劑；第五，萃取劑應(yīng)價(jià)格低廉，便于大規(guī)模應(yīng)用。

利用細(xì)胞固定化技術(shù)可以有效的提高菌體的利用效率，固定化菌體可以多次重復(fù)利用，有利于降低生產(chǎn)成本，固定化可以明顯減少乙醇和 2-苯乙醇對(duì)細(xì)胞的抑制作用。目前常用的固定化技術(shù)主要有吸附、 包埋、交聯(lián)、共價(jià)結(jié)合等。利用固定化技術(shù)將 Acetobacter sp.菌固定在海藻酸微膠囊中，可以利用 4 g/L 的 2-苯乙醇產(chǎn) 1.92 g/L 的苯乙醛，而且轉(zhuǎn)化速率比非固定化細(xì)胞要快，原因是固定化技術(shù)使細(xì)胞免除 了底物和產(chǎn)物對(duì)細(xì)胞的毒害作用。細(xì)胞固定化技術(shù)可以通過分批補(bǔ)料發(fā)酵，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)酵，固定化細(xì)胞的活力較高，生產(chǎn)時(shí)間較長，可以延長發(fā)酵時(shí)間， 提高設(shè)備的利用率。通過固定化增加了細(xì)胞的抗逆性 能力，可以忍受更高的產(chǎn)物濃度。菌體分離簡單，便 于利用原位萃取技術(shù)將產(chǎn)物快速分離出來，簡化和純 化工藝。

2-苯乙醇的生理學(xué)作用

抗菌活性

在 1962 年 Berrah 等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 0.25%濃度的 2-苯乙醇就能明顯抑制革蘭氏陰性菌的生長，抑制機(jī)制是 2-苯乙醇能夠抑制菌體中 DNA 的合成。1967 年 Silver 等人對(duì) E. coli 進(jìn)行的研究表明，2-苯乙醇抑制機(jī)制是能夠使細(xì)胞的滲透性屏障崩潰，首先是使細(xì)胞膜崩解，改變細(xì)胞膜功能，隨后才是抑制核酸合成 和其它的細(xì)胞功能。1982年Sasser 等人的實(shí)驗(yàn)表明，1.024 g/L 以上濃度的 2-苯乙醇可以明顯抑制煙草中Pseudomonas pisi 的菌體活性。2003 年 Fraud 更進(jìn)一 步研究了 2-苯乙醇對(duì)革蘭氏陰性菌，球菌和桿菌的抑制。

2-苯乙醇對(duì)植物果實(shí)、鮮花等有保護(hù)作用，機(jī)制是2-苯乙醇能抑制植物中病害菌的生長，隨后 Mo 等人的研究證實(shí)了 2-苯乙醇在草莓保藏中的抗菌保鮮機(jī)制?？偨Y(jié)出 2-苯乙醇的抗菌機(jī)制是首先使細(xì)胞的滲透性屏障細(xì)胞膜崩解，使細(xì)胞質(zhì)外流，喪失細(xì)胞活力， 然后進(jìn)一步影響胞內(nèi)功能，抑制核酸合成等，最終導(dǎo)致細(xì)胞裂解死亡。2-苯乙醇對(duì)許多病害菌都能進(jìn)行有效的抑制，這些特性可以使其應(yīng)用在醫(yī)藥等行業(yè)中作為抗菌物質(zhì)來取代人工合成的殺菌劑和消毒劑等。

植物生長發(fā)育中作用

近年來發(fā)現(xiàn)，2-苯乙醇在植物的生長發(fā)育過程中還具有促進(jìn)繁殖、抗菌、保護(hù)植物等生物學(xué)功能。目前已經(jīng)對(duì)玫瑰花中以 L-苯丙氨酸為原料合成 2-苯乙醇的兩個(gè)關(guān)鍵酶，PLP 依賴的脫羧酶和苯乙醛脫氫酶進(jìn)行了研究。對(duì)玫瑰中通過莽草酸途徑合成2- 苯乙醇的機(jī)制也進(jìn)行了闡明。在玫瑰花和許多其它花類以及成熟的果實(shí)中的 2-苯乙醇散發(fā)的香味能夠吸引昆蟲，其作用于其傳粉和傳播種子有關(guān)。

玫瑰等花類合成的2-苯乙醇一方面能作為抗菌等物質(zhì)來提高自身的免疫力，抵抗病蟲害等，提高其生存能力。另一方面，2-苯乙醇所具有的香味能夠引誘昆蟲來幫助植物完成授粉和傳播種子，促進(jìn)其繁殖后代。兩方面的作用都能增加植物的生存能力，表明2-苯乙醇不僅是人們所需要的香料物質(zhì)，在自然界中也是扮演著和重要的角色。

藥理學(xué)作用

2-苯乙醇不僅具有抗菌活性，而且其衍生物苯乙 醇苷具有藥用價(jià)值，近年來許多研究表明，該類化合物具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗腫瘤、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、增強(qiáng)記憶、保肝、強(qiáng)心等作用，尤其以抗菌活性最為顯著。李剛等人的研究表明苯乙醇苷有助于小鼠精子的體外抗氧化作用。人體內(nèi)的致病菌主要為原核生物，2-苯乙醇的抑菌活力也主要限制于革蘭氏陰性菌，因此可以有選擇的作用于致病菌，應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)來替代部分抗生素，解決細(xì)菌的耐藥性問 題。在許多藥物中都含有 2-苯乙醇衍生物的有效成分，其它種類的衍生物的藥用價(jià)值也在不斷的發(fā)現(xiàn)。隨著 2-苯乙醇在醫(yī)學(xué)中生理功能研究的深入，以及藥理學(xué)機(jī)制的闡明，其在醫(yī)藥行業(yè)也將發(fā)揮更大的作 用，更好的造福人類。

2-苯乙醇的應(yīng)用

最早的 2-苯乙醇的市場數(shù)據(jù)可以追蹤到 1990 年。當(dāng)時(shí)，全球每年生產(chǎn) 2-苯乙醇的產(chǎn)量估計(jì)在 7000 t ，其用途如下：6000 t 用于香水行業(yè)，10 t 用于香味調(diào)味應(yīng)用和剩下的 990 t 用于合成反應(yīng)產(chǎn)物如酯類等。隨著 2-苯乙醇生產(chǎn)工藝的成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，未來全球的市場需求也會(huì)不斷增加。2-苯乙醇除了主要用做香料，2-苯乙醇的最大用途就是以香料成分添加進(jìn)香水化妝品以及洗滌行業(yè)中，源于其淡雅、細(xì)膩而持久的香型。2-苯乙醇在許多食品中也作為特征香味化合物來滿足其香味要求， 尤其在發(fā)酵食品中廣泛存在，如白酒、啤酒、巧克力飲料、咖啡、面包、果汁和醬類。2-苯乙醇是酒精飲料中重要的高沸點(diǎn)香氣成分，廣泛存在于各種酒精飲料中；比如黃酒、啤酒、白酒。2-苯乙醇是稻米黃酒的特有成分，是黃酒中香氣物質(zhì)的重要成分， Tao Luo 等人利用氣相色譜–質(zhì)譜法(GC-MS)對(duì)大約十種中國米酒進(jìn)行檢測分析其中的揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在所有檢測到的芳香族化合物中，2-苯乙醇的濃度最高，其含量從最低的 1.333 mg 到最高的 16.711 mg 不等。2-苯乙醇不僅存在于黃酒中，在白酒中也廣泛存在，也是白酒風(fēng)味的重要組成部分。苯乙醇還是一種重要的醫(yī)藥中間體，由 2-苯乙醇合成其它重要的醫(yī)藥產(chǎn)品，例如苯乙醇苷、羥基苯乙醇等是許多藥物的有效成分。此外，2-苯乙醇還廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工行業(yè)來生產(chǎn)其衍生物。雖然當(dāng)期苯乙醇價(jià)格高于苯乙烯的價(jià)格，隨著石油化石資源的短缺，利用可再生資源合成的苯乙醇合成苯乙烯在材料行業(yè)中具有重要的應(yīng)用前景。

未來和展望

苯乙醇由于其良好的特性而受到廣泛的歡迎，但 是“天然”2-苯乙醇價(jià)格依然昂貴。在未來如果能找到合適降低其生產(chǎn)成本的方法，則其全球市場需求及應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。目前利用酵母以 L-苯丙氨酸 來生產(chǎn) 2-苯乙醇仍然是主流，未來可以通過工程菌株以葡萄糖為原料從頭合成 2-苯乙醇以降低其生產(chǎn)成 本，因此構(gòu)建合適的工程菌是關(guān)鍵。利用植物細(xì)胞來合成 2-苯乙醇在國外如日本、德國、以色列等研究的較多，利用植物細(xì)胞來合成天然2-苯乙醇也可能是一 條較好的途徑。2-苯乙醇對(duì)菌體具有強(qiáng)烈的產(chǎn)物抑制效應(yīng)，解除這種抑制有兩種方法：其一是篩選耐高濃度 2-苯乙醇 的菌株；其二是利用原位萃取(ISPR)技術(shù)實(shí)時(shí)將其分離出來及將兩者的有機(jī)結(jié)合。合成 2-苯乙醇的關(guān)鍵酶及基因在不斷發(fā)現(xiàn)和研究，未來相關(guān)方面的研究可能更加偏向于利用分子生物學(xué)手段對(duì)合成 2-苯乙醇代謝途徑進(jìn)行定向改造。

參考文獻(xiàn)：

曹明樂 , 姜興林 , 張海波 , 咸 漠 , 黃 峰 (2012) 生物催化法生產(chǎn)2-苯乙醇的研究現(xiàn)狀. 生物過程， 2， 89-97. doi: 10.12677/bp.2012.22015

嚴(yán)偉，高豪，蔣羽佳，錢秀娟，周杰，董維亮，章文明，信豐學(xué)，姜岷(2021).2-苯乙醇生物合成的研究進(jìn)展. 合成生物學(xué)，2(6):1030-1045.DOI: 10.12211/2096-8280.2020-096