Qu’est-ce que la biosynthèse de la vanilline?

La vanilline est le composant principal de la vanille, également connue sous le nom de vanilline, vanilline, aldéhyde de vanilline, etc. Le nom chimique est 4-hydroxy-3-méthoxybenzaldehyde (4-hydroxy-3-méthoxybenzaldehyde), masse moléculaire relative 152,15, poudre cristalline blanche à jaune clair ou cristal d’aiguille. La vanilline existe dans la plante sous forme libre et sous forme de glucosides, représentant 2 à 3% du poids sec des gousses de vanille. La vanilline Pure a un arôme laiteux fort et aucune odeur. Vanilline a un large éventail d’utilisations, en plus d’être utilisé comme agent de parfum et d’aromatisation, il est également une matière première importante et intermédiaire dans l’industrie pharmaceutique, et peut également être utilisé comme un poli de galvanisation, promoteur de croissance des plantes, agent de maturation et ainsi de suite.

La vanilline est la plus grande épice synthétique au monde, avec une consommation annuelle d’environ 12 000 t, et sa demande continue d’augmenter au rythme de 10% par an. La production de vanilline naturelle extraite et préparée à partir de la vanille est faible, seulement environ 20~50 t par an, et le déficit de consommation restant est comblé par la méthode de synthèse chimique, qui a de nombreux inconvénients inévitables, tels que l’arôme unique, facile à être altérée, etc., mais les gens et#La demande de vanilline naturelle ne cesse de croître.

La demande de vanilline naturelle est toujours en hausse. La culture de la vanille étant limitée par les conditions climatiques et géographiques, et la transformation de son arôme compliquée, il est difficile pour la production de vanilline de répondre à la demande du marché. Les méthodes biologiques peuvent synthétiser la vanilline naturelle [1], et ont les avantages de moins de pollution, de production plus propre et de sécurité. À l’heure actuelle, les méthodes biologiques signalées comprennent la fermentation microbienne, la culture de cellules végétales et la méthode enzymatique.

1 Fermentation microbienne

En 1977, Tadasa K a isolé une souche de Corynebacterium sp. qui pourrait transformer l’eugénol en vanilline [2], ce qui a ouvert une nouvelle façon de préparer biologiquement la vanilline. Par la suite, de nombreuses bactéries et moisissures se sont avérées capables de convertir l’eugénol, l’isoeugénol, l’acide férolique, le glucose et d’autres composés en vanilline, et la vanilline a pu être synthétisée par fermentation microbienne en utilisant une variété de substrats.

1. Les droits de l’homme 1 eugénol ou isoeugénol comme substrat

Eugénol et son isomère isoeugénol, principalement dérivé de l’huile volatile du basilic de clou de girofle de Labiatae, le nom chimique de l’eugénol est 4-propenyl-2-méthoxyphénol [2-méthoxy-4 -(2- propenyl) -phénol], et le nom chimique de l’isoeugénol est 4-propenyl-2-méthoxyphénol [2-méthoxy-4 -(1- propenyl)- phénol]. Le nom chimique de l’isoeugénol est 4-propenyl-2-méthoxyphénol [2-méthoxy-4 -(1-propenyl) -phénol], dont chacun des deux peut être chimiquement ou biologiquement converti en vanilline. En plus de Corynebacterium sp., Serratia sp., Klebsiella sp., Enterobacter sp., et certains champignons de la classe des hemiptères sont également capables de convertir l’eugénol en vanilline [3, 4]. De plus, Serratia marcescens, Klebsiella marcescens et Enterobacter marcescens peuvent convertir l’isoeugénol en vanilline. Bacillus subtilis et Rhodococcus subtilis sont également capables de convertir l’isoeugénol en vanilline.

Rhodochrous) possède également la capacité de convertir l’isoeugénol en vanilline [5, 6].

La conversion de l’eugénol en vanilline par des souches fongiques de la classe Hemiptera n’a pas donné de rendements élevés, avec un maximum de 0,0271 g/L [4]. La souche Bacillus subtilis B2 peut utiliser l’isoeugénol comme seule source de carbone et le convertir en vanilline avec un rendement de 0,61 g/L et un rendement molaire (en termes d’isoeugénol) de 12,4 % [5]; Lorsque la souche MTCC 289 de B. purpurea utilise l’isoeugénol comme substrat, dans les conditions optimales de culture en laboratoire, le rendement molaire de vanilline (en termes d’isoeugénol) peut atteindre 58% [6].

Bien que la souche DSM 30126 de Serratia marcescens ait également été utilisée, les résultats varient considérablement selon le substrat [3]. Le rendement molaire de vanilline (en termes d’eugénol) n’était que de 0,1% avec un rendement de 0,018 g/L, tandis que le rendement de vanilline (en termes d’isoeugénol) était de 20,5% avec un rendement de 3,8 g/L. En revanche, le rendement de vanilline obtenu en utilisant l’isoeugénol comme substrat était de 20,5 % et celui de vanilline obtenu en utilisant l’isoeugénol comme substrat était de 20,5 %. En revanche, le rendement de vanilline obtenu avec l’isoeugénol comme substrat était plus élevé que celui obtenu avec l’eugénol comme substrat, ce qui était également le résultat des auteurs.#39; Fermentation avec Serratia marcescens souche AB 90027. L’isoeugénol est un substrat plus approprié que l’eugénol pour la production de vanilline par fermentation microbienne.

1. Les droits de l’homme 2 acide ferulique Comme substrat

L’acide férolique, chimiquement connu sous le nom d’acide 4-hydroxy-3-méthoxycinnamique, est largement présent dans les sous-produits agricoles tels que le gluten de maïs et le son de grain. Il existe deux façons de produire de la vanilline par fermentation en utilisant l’acide férulique comme substrat: l’une nécessite l’action d’une seule bactérie, tandis que l’autre nécessite l’action combinée de plusieurs souches de bactéries.

Des souches uniques de champignons utilisés pour la production de vanilline par fermentation ont été signalées [4,7,8], y compris certains champignons de l’ordre Bacillus coagulans et des champignons filamenteux du sol (Amycolatopsis sP.). Seulement 0,0552 g/L de vanilline a été obtenu en utilisant une souche fongique de l’ordre des Hemiptera [4]. En revanche, la vanilline a été produite à partir du 4-vinylguaiacol par la souche BK 07 de Bacillus coagulans, qui utilise l’acide férulique comme seule source de carbone. Cette souche peut métaboliser plus de 95% de l’acide ferulique en 7 h, et le produit principal est le 4-vinylguaiacol, qui est le processus de métabolisme le plus rapide de l’acide ferulique rapporté jusqu’à présent [7]. Dans la méthode brevetée inventée par Rabenhorst J et al. [8], une bactérie filamenteuse du sol, la souche DSM 9992, a été utilisée pour convertir l’acide ferulique en vanilline avec un rendement pouvant atteindre 11,5 g/L. Le mécanisme de ce processus n’a pas encore été signalé.

Le " méthode de bioconversion en deux étapes " Proposé par Lesage-Meessen L et al [1] est un exemple typique de la production de vanilline par l’action combinée de souches multiples, qui utilise Aspergillus Niger et pycnoporus cinnabarinus pour compléter l’ensemble du processus de conversion. Cette méthode utilise la combinaison d’aspergillus Niger et de Pycnoporus cinnabarinus. Dans un premier temps, Aspergillus Niger a transformé l’acide férolique en acide vanillique avec un rendement de 0,92 g/L et un rendement molaire de 88% en acide férolique, puis a réduit l’acide vanillique en vanilline avec un rendement de 0,237 g/L et un rendement molaire de 22% en acide vanillique par Pycnoporus cinnabarinus. Récemment, ils [9] ont changé l’acide ferulique en son de maïs comme seule source de carbone, et ont créé un " méthode de bioconversion en deux étapes " Pour obtenir des cristaux de vanilline sans aucune mesure de purification.

Selon l’étude [10, 11], lors de la réduction de l’acide vanillique en vanilline par M. Verticillioides, le rendement en vanilline sera réduit en raison de la production du sous-produit méthoxyhydroquinone; Lorsque la concentration massique de vanilline dans le milieu dépasse 1,0 g/L, elle sera très toxique pour M. Verticillioides, ce qui ralentira la croissance de M. Verticillioides, et en même temps la grande prolifération de cette souche n’est pas propice à la production de vanilline. L’ajout de cellobiose à ce système a réduit considérablement la production d’hydroxyméthoxyquinone et a augmenté le rendement en vanilline de 3,3 fois à 0,725 g/L. L’addition d’une quantité appropriée de vanilline adsorbée par résine XAD-2 pourrait réguler la concentration massique de vanilline dans le milieu et le taux de croissance de la déformation, et l’utilisation d’un bioréacteur agité mécaniquement pourrait considérablement améliorer l’effet de transfert de masse, et le rendement de vanilline pourrait atteindre 1,575 g/L. Les résultats ont montré que la production de vanilline dans ce système n’était pas favorable à la production de vanilline, et il pourrait être utilisé dans la production de vanilline.

1. Les droits de l’homme 3 Glucose comme substrat

Le Glucose peut être obtenu à partir de l’hydrolyse de l’amidon, qui est une matière première suffisante à faible coût, mais il n’y a qu’un seul cas de biotransformation du Glucose comme substrat pour produire de la vanilline [12]. Tout d’abord, le glucose a été converti en acide vanillique par des recombinants d’escherichia coli (Escherichia coli KL7/PKL5. 26A ou KL7/PKL5. L’acide vanillique a ensuite été réduit par l’aldéhyde déshydrogénase aromatique isolée de Neurospora crassa pour produire de la vanilline. Afin de faire de la méthode de bioconversion glucose-substrat une technologie applicable industriellement pour la production de vanilline naturelle, l’expression stable des recombinants dans E. coli doit être résolu.

En résumé, bien que le glucose soit peu coûteux, comment réaliser l’expression stable des recombinants d’e. coli est la clé d’une application pratique; Du point de vue des ressources en matières premières et de l’état actuel de la biotechnologie en Chine, la bioconversion de l’isoeugénol et de l’acide férolique comme substrat pour la production de vanilline a des perspectives de développement plus prometteuses.

2 méthode de Culture de cellules végétales

Le développement de la biotechnologie moderne a conduit à l’idée et à la pratique d’utiliser la culture cellulaire pour produire de la vanilline. Le premier était la culture artificielle de cellules de planolia vanille, qui utilisait la propriété de l’exocytose de vanilline par les cellules, mais le rendement par unité de volume n’était pas élevé, seulement environ 0,01 g/L [13]. Récemment, de nouvelles méthodes ont été trouvées pour convertir des additifs spécifiques en vanilline, tels que capsicum 'rutescens cells' [14-16].

Ces cultures cellulaires et leur production de vanilline sont affectées par des facteurs tels que les additifs et l’environnement de croissance cellulaire [17]. Cao Mengde et al. [13] ont constaté que l’ajout de différents types et concentrations de phytohormones n’a pas eu d’effet significatif sur la croissance cellulaire, mais a eu un effet significatif sur la production de vanilline, et la combinaison d’acide naphtalène acétique et de 6-benzyladénine a entraîné la production de plus de vanilline. La formation de vanilline est négativement corrélée avec la croissance cellulaire, c’est-à-dire que la croissance cellulaire lente favorise la formation du produit cible, par conséquent, une méthode de culture en deux étapes peut être envisagée pour la culture de cellules de vanilline et la production de vanilline [18].

En plus des cellules végétales produisant de la vanilline en culture en suspension, il existe également des cellules de poivre arboré et des cellules d’haematococcus pluoialis qui peuvent convertir des additifs en vanilline [14-16]. En raison des inconvénients de la culture de suspension cellulaire, tels que la position cellulaire non fixe, l’organisation cellulaire défavorable, et difficile de contrôler les conditions de culture, le rendement du produit cible vanilline n’est pas élevé, qui peut être amélioré par la culture d’immobilisation cellulaire, de sorte que le rendement de vanilline peut être augmenté.

Comme mentionné précédemment, les cellules du Chili arbustif peuvent convertir certains additifs spécifiques, tels que l’isoeugénol, l’aldéhyde protocatechuique et l’acide caféique, en vanilline. Le tableau 1 montre la production maximale de vanilline et sa présence par rapport aux additifs lors de l’immobilisation des cellules de piment arbustive [14, 15].

On peut voir que l’isoeugénol est le meilleur des trois additifs, et il est plus efficace si la β-cyclodextrine est ajoutée pour améliorer la solubilité de l’isoeugénol et réduire sa toxicité pour les cellules, ou si Aspergillus Niger mycélium est ajouté comme inducteur. Tout comme les cellules au poivre arboré, les cellules de R. rainbowii peuvent également convertir l’acide ferulique ou la térébenthine en vanilline [16]. Le rendement maximal de vanilline était de 0,0106 g/L avec l’addition d’acide férolique (à une concentration de 1,0 mmol/L) et de 0,0205 g/L avec l’addition de térébenthine aldéhyde (à une concentration de 1,0 mmol/L) au cours du processus de solidification. En conclusion, les rendements des cultures de cellules végétales existantes pour la production de vanilline ne sont pas élevés, et ils sont encore loin de l’industrialisation.

3 enzymatique

Toutes les réactions biométaboliques sont enzymatiques, et bien que le mécanisme d’action des différentes méthodes décrites ci-dessus ne soit pas encore clair, on peut déterminer qu’elles sont produites par l’action d’une ou de plusieurs enzymes. Si ces enzymes peuvent être isolées et utilisées dans des réactions enzymatiques, la vanilline peut être produite plus directement.

Van den Heuvel Robert H H et al. [19] de l’université de Wageningen, Pays-Bas, ont constaté que la vanilline peut être produite par l’alcool vanillylique oxydase (VAO) de deux façons. La première est la production de vanilline à partir d’alcool de goudron de bois via l’alcool vanillylique en présence de VAO. Dans l’autre cas, la vanillylamine est transformée par VAO dans des conditions alcalines en un produit intermédiaire qui peut être directement hydrolysé en vanilline. Comme le poivre rouge et la capsaïcine peuvent être dégradés enzymatiquement pour produire de la vanilline, cette dernière voie fournit une source plus riche de matière première et la rend plus compétitive. Un brevet [20] A révélé que l’enzyme chirazyme L 20] ont indiqué qu’une lipase appelée chirazyme L-2, c-f, c2 lyo était capable de convertir l’isoeugénol et l’aldéhyde de pin en vanilline avec des fractions massiques de 30,4% et 83,1%, respectivement, et que cette lipase pouvait également être isolée de Candida antarctic.

En raison des avantages du rendement élevé, de la spécialisation, des conditions de réaction légères, de la purification facile des produits, de la consommation basse d’énergie, de la faible pollution, de l’opération simple et du contrôle facile, la réaction numérique devrait avoir une supériorité incomparable. Cependant, l’utilisation de la théorie enzymatique, du génie chimique et de la biotechnologie moderne pour modifier les enzymes existantes, étudier leur technologie d’immobilisation et mettre au point un réacteur multi-enzymatique approprié sera la tâche principale de la production de vanilline par méthode enzymatique.

4 Conclusion

La production de vanilline par méthode biologique attire de plus en plus l’attention, et de nombreuses sociétés de production de vanilline célèbres dans le monde, telles que Schniken (Italie), Boreai (Norvège) et Monsanto (USA), ont renforcé la recherche sur la production de vanilline par méthode biologique, afin d’occuper une position dominante sur le marché des épices à l’avenir. La Chine est encore dans la phase initiale dans cet aspect, à l’heure actuelle, il n’y a que la recherche de Cao Mengde de l’université des sciences et de la technologie de Huazhong sur la culture en suspension des cellules de vanilline, et la recherche de Yao Risheng de l’université de technologie de Hefei sur la production de vanilline par la méthode de bio-oxydation en collaboration avec Xiamen Yongquan Group Company Limited.

Par conséquent, il est nécessaire de profiter de la combinaison des méthodes de production, d’apprentissage, de recherche et de financement gouvernemental, et d’intensifier la recherche de coopération, afin de faire de notre pays occuper une place sur le marché de la vanilline biosynthétisée. Par conséquent, il est nécessaire d’accroître la recherche coopérative avec l’aide de la combinaison de l’industrie, des universités, de la recherche et du financement public, afin que la Chine puisse occuper une place sur le marché de la vanilline biosynthétique.

Bien que la recherche sur la synthèse non chimique de la vanilline ait fait beaucoup de progrès substantiels, les problèmes suivants doivent encore être résolus pour réaliser la production industrielle: Améliorer la technologie de culture de cellules végétales; Recherche sur la technologie d’isolement, de purification et d’immobilisation d’enzymes, ainsi que sur le développement de réacteurs multi-enzymatiques. Selon l’état actuel de la technique, le coût de la production de vanilline par culture de cellules végétales atteindra 15 000 dollars e.-u. /kg, tandis que le coût de l’extraction de vanilline des gousses de vanille par des méthodes traditionnelles est de 4 000 dollars e.-u. /kg, et le coût de l’utilisation de la fermentation microbienne est d’environ 1 000 dollars e.-u. /kg [17]. Par conséquent, la recherche et le développement de la fermentation microbienne de la vanilline utilisant l’isoeugénol et l’acide ferulique comme substrats seront plus prometteurs pour la production de vanilline en Chine.

Références:

[Lesage-Meessen L, Delattre M, Haon M, et al. Procédé de bioconversion en deux étapes pour la production de vanilline à partir d’acide ferulique combinant Aspergillus Niger et pycnoporus cinnabarinus [J]. Et pycnoporus cinnabarinus [J]. J Biotechnol, 1996, 50:107-113.

[2] Tadasa K. dégradation de l’eugénol par un micro-organisme [J]. Agric Biol chem, 1977, 41(6):925-929.

[3] Rabenhorst J, Hopp R. processus de préparation de la vanilline [p]. États-Unis: 5 017 388, 1991-05-21.

[4] Bavutti Hamilton R F, Anazawa Tania A, Durrant Lucia R. étude de la synthèse de vanilline par des souches fongiques de deuteromycètes [J]. Braz symp chem Lingins autres bois compon, 1997, 6: 605-611.

[5] shimoni E, Ravid U, shoham Y. isolement d’un Bacillus sp. capable de transformer l’isoeugénol en vanilline [J]. J Biotechnol, 2000, 78 (1): 1-9.

[6] chatterjee T, De B K, Bhattacharyya D K. conversion microbienne De l’isoeugénol en vanilline par Rhodococcus rhodochrous[J]. Indian J chem, 1999, 38B(5):538-541.

[7] Karmakar B, Vohra R M, Nandanwar H, et al. Dégradation rapide de l’acide férolique par le 4-vinylguaiacol et la vanilline par une souche nouvellement isolée de Bacillus coagulans[J]. J Biotechnol, 2000, 80: 195-202.

[8] Rabenhorst J, Hopp R. procédé de préparation de vanilline et de micro-organismes appropriés [p]. Us: 6 133 003, 2000 I 10 I 17. [9] Lesage-Meessen L, Lomascolo A, Bonnin E, et al. L’invention concerne un procédé biotechnologique faisant appel à des champignons filamenteux pour produire de la vanilline cristalline naturelle à partir de son de maïs [J]. L’invention concerne un procédé biotechnologique faisant appel à des champignons filamenteux pour produire de la vanilline cristalline naturelle à partir de son de maïs [J].  Appl Biochem Biotech, 2002, 102/103:141 i 153.

[10] Bonnin E, Grang6 H, Lesage-Meessen L, et al. Libération enzymique de cellobiose à partir de la pulpe de betterave à sucre, et son utilisation pour favoriser la production de vanilline chez pycnoporus cinnabarinus à partir de l’acide vanillique [J]. Carbohydr polym, 2000, 41:143 i 151.

[11] stentelaire C, Lesage-Meessen L, Oddou J, et al. Conception d’un bioprocédé fongique pour la production de vanilline à partir d’acide vanillique à un niveau extensible par pycnoporus cinnabarinus[J]. J Biosci Bioeng, 2000, 89(3):223 i 230.

[12] Li K, Frost J W. synthèse de vanilline à partir du glucose[J]. J Am Chem soc, 1998, 120:10545 I 10546.

[13] Cao Mengde, Qin Dongchun, Chen Qicai, et al. Etude sur la production de vanilline par culture en suspension de cellules de vanille planifolia [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology, 1998, 26(5):8-10.

[14] Ramachandra Rao S, Ravishankar G A. Biotransformation de l’isoeugénol en métabolites de saveur de vanille et en capsaïcin dans des cultures cellulaires en suspension et immobilisées de capsicum 'rutescens: étude de l’influence de la β-cyclodextrine et de l’eliciteur fongique [J]. Proc Biochem, 1999, 35:341 i 348.

[15] Ramachandra Rao S, Ravishankar G A. Biotransformation de aldéhyde protocatechuique et de l’acide caféique en vanilline et capsaïcine dans des cultures cellulaires librement suspendues et immobilisées de capsicum "rutescens" [J]. J Biotechnol, 2000, 76: 137 i 146.

[16] Tripathi U, Ramachandra Rao S, Ravishankar G A. Biotransformation de composés phénylpropanoïdes en mmetabolites de saveur vanille dans des cultures d’haematococcus pluvialis [J]. Ravishankar G A. Biotransformation de composés phénylpropanoïdes en metabolites de saveur vanille dans des cultures d’haematococcus pluvialis [J].

[17] Gang SONG, CAO Jinsong, PENG Zhiying. Biosynthèse de vanilline [J]. Food and Fermentation Industry, 2001, 27(7):72-74.

[18] Cao Mengde, Li Jiaru, Qin Dongchun et al. Effets des adsorbants et de la composition du milieu sur la production de vanilline dans la culture en suspension de cellules de vanille planifolia [J]. Botanical Research, 2002, 22(1):65-67.

[19] van den Heuvel Robert H H, Fraaije Marco W, Laane C, et al. Synthèse enzymatique de vanilline [J]. J Agric Food Chem, 2001, 49(6):2954 i 2958.

[20] Gatfield I-L, Hilmer J-M. Procédé de préparation de composés carbonyliques aromatiques à partir de styrènes [p]. États-Unis: 6 331 655, 2001 I 12 I 18