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。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。所取乙酰化油樣量為1g。計算中的當(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。推動全球2-苯基乙醇市場發(fā)展的因素主要有三個方面：

其一，人們對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)化妝品和個人護(hù)理產(chǎn)品使用天然香料時，人們對于相關(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，推動了市場對于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。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。化學(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)不到食品級的要求。如果進(jìn)行進(jìn)一步的分離純化又會大大增加生產(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，對設(shè)備的 要求較高。化學(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-苯乙醇國際市場價格為 5.5 美元，價格不到“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)域會對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克服從玫瑰精油中直接提取時成本高昂、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)法合成時產(chǎn)品含有毒雜質(zhì)、價格低廉的缺點(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，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，2-苯乙醇在濃度較高時可能對細(xì)胞產(chǎn)生抑 制作用而降低其產(chǎn)量。據(jù)文獻(xiàn)報道在以酵母催化 合成 2-苯乙醇時，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)物對菌體 的這種抑制作用。要解除 2-苯乙醇對細(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 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)溶劑可能對細(xì)胞有毒性、溶劑的選擇有限制、有時兩相的分離可能會有困難。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??；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 對細(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 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，通過對九種離子液體的 研究發(fā)現(xiàn)[Tf2N]型陰離子相對于[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，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 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)該對菌體產(chǎn)生抑制作用；第四，選擇對人體無毒或毒性較低的萃取劑；第五，萃取劑應(yīng)價格低廉，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)時間較長，可以延長發(fā)酵時間， 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 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-苯乙醇對革蘭氏陰性菌，球菌和桿菌的抑制。

2-苯乙醇對植物果實(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)對玫瑰花中以 L-苯丙氨酸為原料合成 2-苯乙醇的兩個關(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，全球每年生產(chǎn) 2-苯乙醇的產(chǎn)量估計在 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)期苯乙醇價格高于苯乙烯的價格，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