Biotransformation of α- and β-pinene into flavor compounds
- 作者
- Kele A. C. Vespermann, Bruno N. Paulino, Mayara C. S. Barcelos, Marina G. Pessôa, Glaucia M. Pastore, Gustavo Molina
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-016-8066-7
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
综述利用α-和β-蒎烯作为底物，通过生物转化生产天然风味化合物，解决天然香料供应不足与化学合成产物外消旋等问题。
研究策略
系统综述真菌、细菌和植物细胞培养等不同生物催化剂对α-/β-蒎烯的生物转化研究，包括菌株筛选、诱变育种、过程优化（双相体系、固定化细胞、底物添加策略）等。
核心内容
该综述系统梳理了利用α-和β-蒎烯为底物，通过微生物及植物细胞培养等生物催化剂转化生产天然风味化合物的研究进展。作者归纳了真菌、细菌和植物细胞系对不同底物的转化途径与产物谱系，并重点讨论了菌株筛选、诱变育种及双相体系、固定化细胞等过程优化策略。关键结果表明，诱变可显著提升转化效率，如紫外线照射使黑曲霉和青霉转化α-蒎烯生成verbenol的产量分别提高15倍和8倍，达4566 μg/100mL和3698 μg/100mL；黑曲霉ATCC 16404优化后生产α-松油醇约15.5 g/L；热带假丝酵母转化α-蒎烯为(+)-α-松油醇的转化率达77%；玫瑰假单胞菌在双相系统中利用冻融细胞从α-蒎烯氧化物生产isonovalal达60 g/L；Gluconobacter japonicus转化(+)-α-蒎烯生成verbenone的转化率达95.6%。此外，顺序添加底物可提升低温霉菌Chrysosporium pannorum的总产物产量至1.3 g/L。综述指出，尽管以蒎烯为原料的生物转化已取得显著进展，但底物溶解度低、挥发性和毒性以及产物浓度偏低仍是商业化瓶颈，未来需结合新菌株挖掘与放大技术以实现产业化。
创新点
全面总结了α-和β-蒎烯生物转化生产风味化合物的研究进展，归纳了不同生物催化剂的代谢途径、产物及优化策略，并指出了该领域面临的挑战。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Aspergillus niger | α-蒎烯氧化途径 / β-蒎烯水合途径 | — | Hydroxylases, dehydrogenases | 催化 | 多种菌株（ATCC 16404, ATCC 9642, IOC-3913等）用于转化α-蒎烯生产verbenol/verbenone，或β-蒎烯生产α-松油醇 |
| Penicillium sp. | α-蒎烯氧化途径 | — | Hydroxylases, dehydrogenases | 催化 | 诱变处理提高verbenol产量 |
| Candida tropicalis | α-蒎烯氧化途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 转化α-蒎烯为(+)-α-松油醇，转化率77%，产量0.43 g/L |
| Pleurotus sapidus | α-蒎烯自氧化类似途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 产生verbenol和verbenone，浓缩或冻干菌丝更有效 |
| Absidia corulae | α-蒎烯水合途径 | — | 水合酶 | 催化 | 生产α-松油醇和isoterpineol，对(+)-α-蒎烯转化效果更好 |
| Chrysosporium pannorum | α-蒎烯氧化途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 低温（<15°C）下生产verbenol和verbenone，顺序添加底物产量达1.3 g/L |
| Hormonema sp. | α-蒎烯/β-蒎烯羟基化途径 | — | 羟化酶 | 催化 | 从α-蒎烯生产transverbenol和verbenone，从β-蒎烯生产pinocamphone和3-羟基pinocamphone |
| Botrytis cinerea | β-蒎烯氧化途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 转化(-)-β-蒎烯产生多种羟基化产物，如6α-羟基-β-蒎烯(22%) |
| Pseudomonas rhodesiae | α-蒎烯氧化物降解途径 | — | α-蒎烯单加氧酶、醛脱氢酶 | 催化 | 生产isonovalal和novalic acid，冻融细胞可达60 g/L isonovalal |
| Pseudomonas fluorescens | α-蒎烯氧化物降解途径 | — | α-蒎烯单加氧酶、醛脱氢酶 | 催化 | 生产isonovalal和novalic acid，膜生物反应器中400h产108 g/L isonovalal |
| Pseudomonas putida | α-蒎烯降解途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 代谢α-蒎烯产生3,4-二甲基戊酸等 |
| Pseudomonas sp. PIN | α-蒎烯异构化/氧化途径 | — | 异构酶、氧化酶 | 催化 | 转化α-和β-蒎烯为limonene、p-cymene、α-terpineol等，转化率33.5%和58.8% |
| Serratia marcescens | α-蒎烯氧化途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 以α-蒎烯为唯一碳源时产trans-verbenol、verbenone、trans-sobrerol；添加葡萄糖和硝酸钾则产α-terpineol |
| Bacillus pallidus | α-蒎烯降解途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 转化α-蒎烯为carveol(42 μM/L)、carvone(18 μM/L)等 |
| Gluconobacter japonicus | α-蒎烯氧化途径 | — | 氧化酶 | 催化 | 生产verbenone转化率95.6%，产量0.21 mg/mL |
| Picea abies (植物悬浮细胞) | α-蒎烯/β-蒎烯氧化途径 | — | 过氧化物酶 | 催化 | 转化α-蒎烯为trans-verbenol和verbenone；β-蒎烯为trans-pinocarveol等 |
关键发现
- 诱变处理可显著提高A. niger和Penicillium spp.转化α-蒎烯为verbenol的效率，紫外线照射后分别提高15倍和8倍，浓度达4566 μg/100mL和3698 μg/100mL
- A. niger ATCC 16404优化后生产α-松油醇约15.5 g/L
- Candida tropicalis转化α-蒎烯为(+)-α-松油醇的转化率达77%，产量0.43 g/L
- Pseudomonas rhodesiae在双相系统中利用冻融细胞从α-蒎烯氧化物生产isonovalal达60 g/L
- Pseudomonas fluorescens NCIMB 11671生产isonovalal 16 g/L，与Lewatit OC 1064共培养时异构化率从56%升至67%
- Linares等通过P. rhodesiae CIP 107491在反应器中生产novalic acid约16 g/L，产率约40%
- Gluconobacter japonicus MTCC 12284转化(+)-α-蒎烯生产verbenone的转化率达95.6%，产量0.21 mg/mL
- Chrysosporium pannorum在低温下生产verbenol最高325.8 mg/L、verbenone 203.4 mg/L，顺序添加底物使总产量达1.3 g/L
- Picea abies悬浮细胞转化α-蒎烯主要生成trans-verbenol(35-45%)和verbenone(20-25%)，8天后verbenone增至68%
- Bacillus pallidus BR425转化α-蒎烯生产carveol 42 μM/L、carvone 18 μM/L等。
研究结论
α-和β-蒎烯是廉价丰富的底物，多种微生物和植物细胞可将其生物转化为高价值风味化合物。虽然已有显著进展，但仍需克服底物溶解度低、挥发性和毒性以及产物浓度低等挑战。未来应结合新菌株筛选、过程优化和放大技术，实现天然风味化合物的商业化生产。