農(nóng)業(yè)廢物作為微生物香精生產(chǎn)基質(zhì)的潛力研究

隨著消費(fèi)者對(duì)天然食品的需求不斷增長(zhǎng)，包括對(duì)食物的需求，香料公司采用生物技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的內(nèi)在動(dòng)力大大增加。本文綜述了利用微生物生物合成或生物轉(zhuǎn)化的方法，以及在前體底物的合成和轉(zhuǎn)化過(guò)程中所涉及的酶。更重要的是，本文綜述了利用農(nóng)用工業(yè)加工裝置產(chǎn)生的豐富、廉價(jià)和營(yíng)養(yǎng)豐富的木質(zhì)纖維素廢物作為固態(tài)發(fā)酵下微生物生產(chǎn)風(fēng)味化合物的潛在底物。這篇文章為從農(nóng)副產(chǎn)品殘留物中生產(chǎn)重要香料的高效和低成本過(guò)程的發(fā)展提供了見(jiàn)解。生物技術(shù)還將有助于安全、環(huán)保地處理農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的廢物。

錫基固體酸和轉(zhuǎn)氨酶生物催化劑串聯(lián)催化將玉米芯化學(xué)酶轉(zhuǎn)化為糠胺. ACS Sustainable Chemistry & Engineering ( IF 9.224 ) Pub Date : 2019-10-14 , DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b03510

風(fēng)味的感覺(jué)是由具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的揮發(fā)性和非揮發(fā)性化合物組成的復(fù)雜基質(zhì)所刺激的?？v觀歷史，人們從植物中提取簡(jiǎn)單或復(fù)雜的風(fēng)味化合物。隨后對(duì)這些化合物分子結(jié)構(gòu)的闡明，導(dǎo)致了它們的合成生產(chǎn)，現(xiàn)在幾乎所有的食用成分都是用這種方式生產(chǎn)的。然而，隨著消費(fèi)者對(duì)天然食品的偏好日益轉(zhuǎn)變，通過(guò)化學(xué)合成生產(chǎn)的食品不能被貼上“天然”的標(biāo)簽。此外，化學(xué)生產(chǎn)是不環(huán)保的，缺乏基質(zhì)敏感性，導(dǎo)致形成風(fēng)味不良的外消旋混合物(Longo和Sanromán, 2006)。相反，從植物中提取天然食物的過(guò)程也有局限性。這些問(wèn)題包括濃縮極低濃度的風(fēng)味化合物的高成本、對(duì)季節(jié)和氣候條件的依賴以及與提取相關(guān)的生態(tài)問(wèn)題。

此外，微生物轉(zhuǎn)化或合適基質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化是生產(chǎn)“天然風(fēng)味”的一種環(huán)境友好和成本效益高的替代方法。這包括使用(a)微生物培養(yǎng)物作為食品的組成部分和(b)微生物或其酶將適當(dāng)?shù)牡孜锷镛D(zhuǎn)化為所需的風(fēng)味化合物，然后從反應(yīng)介質(zhì)/發(fā)酵液中提取它們(圖1)。在后一種情況下，固態(tài)發(fā)酵(SSF)是一種微生物在沒(méi)有自由流動(dòng)水的情況下在固體載體上生長(zhǎng)的過(guò)程(Singhania等人，2009年)，顯示出了前景。最近，食品和農(nóng)業(yè)殘留物的SSF作為一種生產(chǎn)酶、香料、著色劑和其他與食品工業(yè)有關(guān)的化合物的手段受到了關(guān)注。與沉浸式發(fā)酵相比，SSF具有許多優(yōu)勢(shì)，如更高的產(chǎn)量、更低的能源需求、高效利用和廢物增值(Cerda等人，2019年)。

圖1 |微生物從農(nóng)業(yè)殘留物中生產(chǎn)生物香料

富含碳水化合物和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的糧食和農(nóng)業(yè)廢物大量產(chǎn)生，可作為生產(chǎn)散裝化學(xué)品和其他化合物的固體堿降解基質(zhì)。這些底物還含有各種不同濃度的生物活性代謝物，包括風(fēng)味化合物，這些化合物可以通過(guò)微生物發(fā)酵或酶催化獲得。這篇綜述討論了微生物培養(yǎng)及其酶在從農(nóng)業(yè)殘留物中產(chǎn)生香氣和風(fēng)味化合物的潛力，用于食品工業(yè)。

香氣物質(zhì)

食品的感官特征包括它的味道、風(fēng)味和香氣。在所有這些參數(shù)中，香氣是決定其接受度和市場(chǎng)成功的最強(qiáng)大的特征之一(Berger, 2009)。芳香和風(fēng)味化合物可分為酸、碳?xì)浠衔?、醛、醇、酮、酯或?nèi)酯(Bicas等人，2010年)。根據(jù)芳香化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類如圖2所示。自遠(yuǎn)古以來(lái)，微生物被用于許多食物的風(fēng)味生產(chǎn)。葡萄酒、啤酒、發(fā)酵蔬菜和牛奶、大豆、火腿、醋和醬油等產(chǎn)品都是通過(guò)微生物保存、改良和調(diào)味的。如前所述，微生物菌株可用于生產(chǎn)風(fēng)味化合物，既可在發(fā)酵食品中就地生產(chǎn)風(fēng)味，也可在適當(dāng)?shù)幕|(zhì)中提取風(fēng)味，隨后用于不同的食品中(Longo和Sanromán, 2006)。下面討論在食品工業(yè)中使用的最重要的一組香料，以及它們由微生物生產(chǎn)的過(guò)程:

圖2 |根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)味化合物進(jìn)行分類。

內(nèi)酯類化合物

內(nèi)酯是γ-和δ-羥基酸的環(huán)酯，它們具有椰子香、奶油香、甜香、果香或堅(jiān)果香。在各種微生物發(fā)酵過(guò)程中生產(chǎn)內(nèi)酯的生物技術(shù)路線已被許多研究者所研究。例如，Collin和Halim(1972)報(bào)道了具有椰子香氣的6-戊基-2-吡咯酮是綠色木霉培養(yǎng)物中的主要揮發(fā)性風(fēng)味成分。其他一些真菌，如接骨木干酪菌(Tyromyces sambuceus)和枝孢霉(Cladosporium suaveolens)也產(chǎn)生椰子風(fēng)味，釋放內(nèi)酯，即分別來(lái)自蓖麻油酸和亞油酸的γ-癸內(nèi)酯和δ-十二內(nèi)酯(Kapfer et al.， 1989;Allegrone et al.， 1991)。酵母菌如熱帶念珠菌和解脂耶氏酵母可以將蓖麻油酸降解為C16、C14和C12酸，并積累δ-癸內(nèi)酯，顯示出果香味和油香味(Gatfield, 1999)。同時(shí)，F(xiàn)adel等人(2015)確定6-戊基- α -吡酮是由接骨木干酪菌 EMCC-107在甘蔗渣固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈椰子香氣的原因。此外，當(dāng)酵母Lindnera saturnus CCMA 0243和解脂耶氏酵母 CCMA 0242在殘余蓖麻油中生長(zhǎng)時(shí)，可以獲得δ - 癸內(nèi)酯的積累(De Andrade et al.， 2017)。最近，Marella等人(2019)改造了解脂耶氏酵母，通過(guò)β-氧化使脂肪酸羥基化和鏈縮短，優(yōu)先生成12或10個(gè)碳。研究發(fā)現(xiàn)，與野生菌株相比，工程菌株從油酸和亞油酸中產(chǎn)生的γ-十二內(nèi)酯和δ-癸內(nèi)酯的濃度是野生菌株的4倍，從而為通過(guò)發(fā)酵可用的脂肪原料生產(chǎn)更高的內(nèi)酯鋪平了道路。通過(guò)微生物途徑產(chǎn)生的乳香、黃油味和椰子味內(nèi)酯的風(fēng)味在乳制品中是非?？扇〉?。

Tyromyces sambuceus

脂肪酸

三酰甘油儲(chǔ)存脂肪酸，脂肪酸通過(guò)酶氧化降解從三酰甘油中釋放出來(lái)。大部分植物揮發(fā)物，包括羧酸、甲基酮、酯、醇和醛，都是由飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸通過(guò)α和β氧化產(chǎn)生的(Schwab等人，2008年)。乳制品風(fēng)味脂肪酸如丁酸和乳酸可以由不同的乳酸菌產(chǎn)生(Marshall, 1987)。Madhavan Nampoothiri等人(2010)綜述了各種乳酸菌(LAB)菌株的乳酸生產(chǎn)。除了乳酸菌，乳酸也可以由絲狀真菌產(chǎn)生，特別是根霉(Meussen et al.，2012)。Meussen等人(2012)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，米根霉R. oryzae在不同的碳源上產(chǎn)生L-乳酸、富馬酸和乙醇，乳酸是主要產(chǎn)物(Juturu和Wu, 2016)。這些脂肪酸的乳制品風(fēng)味在許多食品和飲料中都是可取的。

豆豉是一種美味的食物，由米根霉發(fā)酵熟大豆制成

萜烯

萜烯是一種揮發(fā)性不飽和碳?xì)浠衔?，可向植物精油傳遞賦予特有的氣味(Janssens et al.， 1992)。在所有微生物中，真菌主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生萜烯，一個(gè)典型的例子是角孢菌屬(Collin and Halim, 1972)。研究發(fā)現(xiàn)，念珠狀角囊藻菌(Ceratocystis  moniliformis)形成的萜烯數(shù)量與植物中形成的萜烯數(shù)量相似(Lanza and Palmer, 1977)。Zhao等人(2010)觀察到，接種了Ceratocystis polonica后，挪威云杉(Picea abies)的萜烯產(chǎn)量顯著增加。而大型真菌(Trametes odorata)和各種種類的黃曲霉也產(chǎn)生單萜(Welsh et al.， 1989)。在King和Dickinson(2000)的一項(xiàng)研究中，發(fā)現(xiàn)了三種酵母——釀酒酵母、德?tīng)柌剪斊娼湍?Torulaspora delbrueckii)和乳克魯維酵母(Kluveromyces   lactis)——能將萜烯生物轉(zhuǎn)化為單萜醇，即香茅醇、芳樟醇和橙花醇。同樣，釀酒酵母菌(Carrau et al.， 2005)產(chǎn)生的芳樟醇和柑橘醇(citranool)被發(fā)現(xiàn)在葡萄酒中積累。Chen等人(2014)從乳克魯維酵母菌株KL71發(fā)酵的荔枝酒中提取了萜和萜類化合物，其中香葉醇和香茅醇具有較高的氣味活性值(oav)。在最近的一項(xiàng)研究中，兩種角囊藻(Ceratocystis)的基因組功能注釋確定了與各種萜類和揮發(fā)性化合物的生物合成相關(guān)的途徑(Molano等人，2018年)。這些萜類化合物在食品香料工業(yè)中具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值，特別是芳樟醇、橙醇、香葉醇和香茅醇，因?yàn)樗鼈兊母泄匍撝递^低。

Torulaspora delbrueckii

薄荷醇是一種萜醇，有強(qiáng)烈的清涼，薄荷氣味和味道。它是從薄荷油中天然提取的，由百里香酚氫化合成。這種化合物被用于各種糖果和止咳糖漿中?？莶菅挎邨U菌、犁頭霉屬(Absidia hyalospora)、念珠地霉(Geotrichum candidum)和兩種木霉都能催化乙酸薄荷酯、丙酸酯、甲酸酯和肉豆蔻酸酯轉(zhuǎn)化為薄荷醇和異薄荷醇(Moroe et al.， 1970)。紅酵母屬、木霉屬、諾卡菌屬、分枝桿菌屬、芽孢桿菌屬、紅球菌屬、根霉屬、念珠菌屬、漢森菌屬、鏈霉菌屬、好氧菌屬、節(jié)桿菌屬、假單胞菌屬、赤霉素屬和環(huán)菌屬也可將適當(dāng)?shù)牡孜锷镛D(zhuǎn)化為薄荷醇(Armstrong et al.， 1989;Chatterjee, 2004;Chandran等人，2011)。Toogood等人(2015)利用一株表達(dá)從胡椒薄荷中提取的“烯”還原酶和薄荷酮脫氫酶基因的工程大腸桿菌，用一鍋法從薄荷酮中酶法生產(chǎn)薄荷醇和新薄荷醇。

念珠地霉(Geotrichum candidum)宏觀和微觀外觀的變化。左邊的照片顯示了實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)皿中菌落的生長(zhǎng)。右邊的照片顯示細(xì)胞是用顯微鏡在400倍放大下拍攝的。上面兩張照片顯示了一個(gè)霉菌樣菌株的例子。下面兩張照片顯示了一個(gè)類似酵母的菌株。

酯類

酯是最重要的化學(xué)基團(tuán)之一，賦予水果，糖果的味道，并用于水果口味的乳制品(Longo和Sanromán,2006)。揮發(fā)性酯是啤酒、葡萄酒和清酒的果味、糖果味和香水味的主要成分。在這些揮發(fā)性酯中，乙酸異戊酯是酒精飲料中最顯著的醋酸酯，具有獨(dú)特的香蕉風(fēng)味。第二個(gè)重要的基團(tuán)是中鏈脂肪酸乙酯，包括己酸乙酯(大茴香)和辛酸乙酯(酸蘋(píng)果香)。乳酸菌和幾種酵母菌已知會(huì)產(chǎn)生這些水果酯(Longo和Sanromán, 2006)。Liu等人(2004)綜述了乳酸菌、酵母、霉菌、丙酸菌和假單胞菌在乳制品中合成水果風(fēng)味酯的生物過(guò)程。Saerens等人(2010)綜述了釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)生產(chǎn)揮發(fā)性酯的過(guò)程。Layton和Trinh(2016)報(bào)道稱，釀酒酵母屬(Saccharomyces sp.)、產(chǎn)朊假絲酵母(Candida  utilis)和漢遜酵母屬(Hansenula sp.)在以葡萄糖為基礎(chǔ)的發(fā)酵培養(yǎng)基中產(chǎn)生這些酯。然而，Walsh等人(2017)對(duì)發(fā)酵24小時(shí)的開(kāi)菲爾乳進(jìn)行了宏基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵早期的優(yōu)勢(shì)菌種是開(kāi)菲爾乳桿菌(Lactobacillus  keranofaciens)，而發(fā)酵后期的優(yōu)勢(shì)菌種是腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesentroides)。結(jié)果表明，微生物演替模式可用于優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程，增強(qiáng)發(fā)酵食品的特殊風(fēng)味。另一方面，van Mastrigt等人(2018)證明，通過(guò)模擬奶酪成熟過(guò)程中細(xì)菌的緩慢生長(zhǎng)，保留菌培養(yǎng)是從奶酪基質(zhì)外的乳酸乳球菌中產(chǎn)生奶酪風(fēng)味的首選方法。Ruiz Rodriguez等(2019)研究了從野生水果和花卉中分離出的乳酸菌的多樣性和功能特性。該菌株被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生水果風(fēng)味酯，因此可以用于制造發(fā)酵水果為基礎(chǔ)的產(chǎn)品。

Lactobacillus kefiranofaciens

醇類

不飽和醇給食品帶來(lái)特有的香氣。許多酵母產(chǎn)生具有獨(dú)特感官特性的長(zhǎng)鏈復(fù)合醇(Longo和Sanromán, 2006)。Mallouchos et al.(2003)使用固定在去木質(zhì)素纖維素材料上的釀酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)對(duì)葡萄酒進(jìn)行分批發(fā)酵，產(chǎn)生2-苯乙醇，在發(fā)酵的葡萄酒中產(chǎn)生玫瑰般的香氣。因此，為這種酒精的生產(chǎn)提供了另一種微生物途徑，通常是從玫瑰花瓣中提取或化學(xué)合成。Stark等人(2002)報(bào)道了由2-苯丙氨酸生產(chǎn)2-苯乙醇的酵母，如馬克思克魯維酵母(Kluyveromyces  marxianus)，釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，異常漢遜酵母(Hansenula anomala)。有趣的是，Kim等人(2014)改造了馬克思克魯維酵母，使其從釀酒酵母中過(guò)表達(dá)編碼苯丙酮酸脫羧酶(ARO10)和醇脫氫酶(ADH2)的基因，導(dǎo)致從葡萄糖中過(guò)度生產(chǎn)2-苯乙醇。

利用固定化馬克思克魯維酵母生產(chǎn)生物乙醇。Recuperado de: https://cervecing.es/guia-de-levaduras/

酮類

甲基酮如2-庚烷酮，2-壬酮和2-十一酮被用于添加水果口味的產(chǎn)品。然而，它們也在藍(lán)奶酪成熟過(guò)程中通過(guò)微生物脂肪酶的作用產(chǎn)生(恩格斯等，1997年)。這些脂肪酶主要由雙孢蘑菇、黑曲霉、青霉和綠色木霉產(chǎn)生(Janssens等，1992)。

雙乙酰是一種鄰近的二酮，它賦予黃油風(fēng)味，因此被用于模擬黃油類和其他乳制品風(fēng)味。它是由乳酸菌和乳制品中的其他幾種微生物產(chǎn)生的(Longo和Sanromán, 2006)。有趣的是，代謝工程大腸桿菌產(chǎn)生了高濃度的雙乙酰(1.45 g/L)，而乙醛和雙乙酰是由酵母熱帶念珠菌D15在乳清為基礎(chǔ)的培養(yǎng)基上合成的(Rosca等人，2016)。

顯色培養(yǎng)基中的念珠菌。雙皮氏培養(yǎng)皿CHROMagar?念珠菌(左)和Mycosel?(右)。(A)白色念珠菌(翠綠色菌落)和熱帶念珠菌(深藍(lán)綠色菌落);(B)白色念珠菌(翠綠色菌落)；克魯西念珠菌(粉紅色菌落)和米色菌落(其他酵母)。

醛類

香蘭素(4-羥基-3-甲氧基苯甲醛)是食品工業(yè)中的一種重要香料。從香草莢中提取香蘭素是勞動(dòng)密集型和昂貴的。由于消費(fèi)者對(duì)天然香蘭素的需求不斷增加，化學(xué)途徑并不可取(Kumar和Pruthi, 2014)。因此，許多研究小組通過(guò)微生物生物轉(zhuǎn)化從精油中獲得的丁香酚和異丁香酚來(lái)生產(chǎn)香蘭素(Ashengroph等人，2012;Tan et al.， 2015)。有趣的是，木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)殘?jiān)前⑽核岬呢S富來(lái)源，阿魏酸通過(guò)微生物或酶轉(zhuǎn)化作為香蘭素生產(chǎn)的前體(Kumar和Pruthi,2014)。然而，用這種方法生產(chǎn)香蘭素需要通過(guò)酶或化學(xué)處理從木質(zhì)纖維素廢料中釋放阿魏酸(Zamzuri和Abd-Aziz,2013)。釋放出來(lái)的阿魏酸可被一些細(xì)菌和真菌轉(zhuǎn)化為香蘭素、香蘭酸和原兒茶酸。因此，阿魏酸作為香蘭素生產(chǎn)前體的重要性已經(jīng)在生物香料生產(chǎn)領(lǐng)域得到了認(rèn)識(shí)(Kumar和Pruthi, 2014)。利用包括紅球菌在內(nèi)的多種微生物對(duì)阿魏酸轉(zhuǎn)化為香蘭素進(jìn)行了評(píng)價(jià)，這些微生物包括放線菌屬、谷氨棒狀菌屬、釀酒酵母菌屬、深紅酵母屬(Rhodotorula rubra)、漢斯德巴氏酵母菌屬(Debaryomyces hanseni)、高嗜鹽菌屬Halomonaselongata、裂褶菌屬Schizophyllum  commune、地衣芽孢桿菌屬、凝結(jié)芽孢桿菌屬、枯草芽孢桿菌屬、朱紅密孔菌屬Pycnoporus  cinnabarinus CGMCC1115、假單胞菌屬EF3、熒光假單胞菌屬、腐臭假單胞菌屬Pseudomonasputida、大腸桿菌JM109/pBB1、黑曲霉CGMCC0774、乳酸菌屬、擬無(wú)枝菌酸屬Amycolatopsis   sp. HR167、鏈霉菌屬Streptomyces sp. V-1、西唐氏鏈霉菌Streptomyces setonii ATCC39116、Streptomyces sanannensis、赫氏鏈霉菌屬Streptomyces halstedii GE107678以及基因工程微生物(Chen et al.， 2016)。阿魏酸酯酶是參與從天然基質(zhì)中釋放阿魏酸的主要微生物酶之一，阿魏酸隨后可被生物轉(zhuǎn)化為香蘭素。采用了兩步生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，即甜菜漿中的阿魏酸被黑曲霉轉(zhuǎn)化為香草酸，然后香草酸被朱紅密孔菌(Pycnoporous cinnabarinus)轉(zhuǎn)化為香蘭素(Lesage- Meessen et al.， 1996)。有趣的是，利用乳酸菌(Kaur等人，2013年)和西唐氏鏈霉菌(Streptomyces setonii)(Gunnarsson和Almqvist,2006年)從阿魏酸中提取了高濃度的香蘭素。然而，由于工藝優(yōu)化非常困難，能夠生產(chǎn)香蘭素的重組菌株的開(kāi)發(fā)是相當(dāng)有吸引力的。Narbad和Gasson(1997)證明了用熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)通過(guò)輔酶a連接酶和側(cè)鏈裂解將阿魏酸轉(zhuǎn)化為香蘭素。在Vaithanomsat和Apiwatanapiwat(2009)的另一項(xiàng)研究中，存在于桐油樹(shù)樹(shù)莖的蒸汽爆破水解液中的阿魏酸被成功地用作底物，由黑曲霉和朱紅密孔菌一步生成香蘭素。Torre等人(2008)利用堿性水解優(yōu)化了玉米芯中阿魏酸(1.17 g/L)的釋放。在Tilay等人(2008)的一項(xiàng)有趣的研究中，對(duì)各種農(nóng)業(yè)廢棄物，即玉米糠、米糠、麥麩、麥秸、甘蔗渣、菠蘿皮、橘子皮和石榴皮進(jìn)行了酯化阿魏酸 (EFA)的篩選。在篩選的來(lái)源中，玉米麩皮中EFA含量最高。菠蘿皮、橘子皮和石榴皮也被發(fā)現(xiàn)含有EFA的痕跡。一些屬于不同屬的細(xì)菌也能夠使用阿魏酸作為它們的唯一碳源，從而產(chǎn)生香蘭素、香草酸和原兒茶酸(Converti et al.， 2010)。Chen等人(2016)還展示了枯草芽孢桿菌B7-S從阿魏酸中生產(chǎn)香蘭素的潛力。

Pycnoporus cinnabarinus

苯甲醛是僅次于香蘭素的第二重要的醛，用于制造櫻桃和水果的味道。它可以從杏子中提取，但這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致羥基肉桂酸的形成。或者，微生物從苯丙氨酸中生產(chǎn)苯甲醛可以被標(biāo)記為“天然的”，不產(chǎn)生不必要的副產(chǎn)品。在這方面，已經(jīng)報(bào)道了在添加苯丙氨酸的培養(yǎng)基中產(chǎn)生苯甲醛，用于培養(yǎng)腐臭假單胞菌(Tsou et al.， 1990)、白腐真菌chrysosporium Phanerochaete (Jensen et al.， 1994)、塊莖形多孔菌Polyporus tuberaster (Kawabe et al.， 1994)、植物乳桿菌Lactobacillus plantarum (Groot, 1998)、朱紅密孔菌屬 Pycnoporus cinnabarinus (Lomascolo et al.， 1999)、香栓菌屬 Trametes  suaveolens  (Lomascolo et al.，2001)和少孢根霉Rhizopus oligosporus(Norliza and Ibrahim,2005)。

吡嗪類

吡嗪是一種含氮雜環(huán)化合物，可賦予烘烤和堅(jiān)果的味道?？莶菅挎邨U菌是第一個(gè)被報(bào)道能產(chǎn)生吡嗪的微生物(Kosuge and Kamiya, 1962)?？莶菅挎邨U菌IFO 3010生長(zhǎng)在添加了蘇氨酸和乙偶姻的大豆上，產(chǎn)生2,5-二甲基吡嗪(2,5-DMP)和四甲基吡嗪(TMP) (Besson等，1997年)。谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacterium glutamicum)也可以從氨基酸中產(chǎn)生吡嗪(Dickschat et al.，2010)。吡嗪也可以在傳統(tǒng)的烹飪和烘烤過(guò)程中通過(guò)美拉德反應(yīng)生成。然而，由于烹飪技術(shù)的改變，例如微波爐的使用，吡嗪不再產(chǎn)生，因此需要提供天然的吡嗪作為食品添加劑。

谷氨酸棒狀桿菌是一種革蘭氏陽(yáng)性棒狀細(xì)菌，在工業(yè)上用于大規(guī)模生產(chǎn)氨基酸。雖然最初是在生物分泌l -谷氨酸的篩選中發(fā)現(xiàn)的，但谷氨酸梭菌的突變體也被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生各種其他氨基酸。

農(nóng)業(yè)殘留物的微生物發(fā)酵生產(chǎn)生物香料

農(nóng)業(yè)殘留物是指木質(zhì)纖維素廢物(LCW)，包括木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。LCW是最豐富的，可再生的，廉價(jià)的有機(jī)化合物來(lái)源。此外，將LCW生物轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品將有助于安全處理這些固體廢物。正如Bicas等人(2010)和Zamzuri和Abd-Aziz(2013)所評(píng)論的，微生物生產(chǎn)風(fēng)味化合物所涉及的高成本可以通過(guò)使用農(nóng)業(yè)廢棄物作為基質(zhì)來(lái)克服。利用農(nóng)業(yè)廢棄物生成風(fēng)味化合物的研究得到了很好的支持。在這方面，Christen et al.(1997)觀察到，當(dāng)一種稱為甘薯長(zhǎng)喙殼菌Ceratocystis frimbriata的真菌在添加了含有葡萄糖的合成培養(yǎng)基的甘蔗渣上生長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水果香味，當(dāng)培養(yǎng)基中添加亮氨酸或纈氨酸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生香蕉風(fēng)味。因此，改變培養(yǎng)條件也有助于操縱從合適的基質(zhì)微生物發(fā)酵獲得的香氣。Bramorski等人(1998b)通過(guò)在木薯甘蔗渣、蘋(píng)果渣、莧菜和大豆這四種農(nóng)用工業(yè)廢物上接種C. fimbriata菌株，產(chǎn)生了水果香氣。作者確定酯類和醇類是主要的風(fēng)味成分，同時(shí)也檢測(cè)到少量的酸、醛和酮。作者還發(fā)現(xiàn)了揮發(fā)性化合物的增長(zhǎng)和產(chǎn)生之間的明顯相關(guān)性，根據(jù)觀察，揮發(fā)性化合物的最大產(chǎn)生總是發(fā)生在農(nóng)業(yè)殘留物最大呼吸活性的前幾個(gè)小時(shí)或后幾個(gè)小時(shí)(Bramorski等人，1998b)。

甘薯長(zhǎng)喙

殼菌

食品和農(nóng)業(yè)廢物大量產(chǎn)生，富含碳水化合物和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此可以在固態(tài)發(fā)酵條件下有效地作為生產(chǎn)大宗化學(xué)品和香料本身的基質(zhì)。除了為微生物細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)外，固體底物還為細(xì)胞提供了一個(gè)錨固點(diǎn)(Yan等人，2016)。表1總結(jié)了各種研究人員利用食品和農(nóng)業(yè)殘留物進(jìn)行微生物生產(chǎn)風(fēng)味化合物的工作。

表1 微生物利用不同農(nóng)用殘留物生產(chǎn)風(fēng)味化合物

由微生物產(chǎn)生風(fēng)味化合物的酶

微生物可以直接用于生產(chǎn)風(fēng)味化合物，通過(guò)適當(dāng)?shù)牡孜锕虘B(tài)發(fā)酵，然后提取所需的風(fēng)味物質(zhì)，如上所述。另一方面，微生物酶也可用于從農(nóng)業(yè)殘留物中釋放風(fēng)味或適當(dāng)?shù)那绑w，這些前體最終被生物轉(zhuǎn)化為所需的風(fēng)味化合物。許多研究人員使用各種微生物酶通過(guò)發(fā)酵適當(dāng)?shù)牡孜飦?lái)生產(chǎn)風(fēng)味化合物或其前體，如表2所示。以下是與生產(chǎn)芳香化合物或其前體有關(guān)的最常用的酶:

表2 微生物酶在風(fēng)味生產(chǎn)中的作用

脂解酶

脂肪酶是催化醇和羧酸酯化的重要生物催化劑。它們是產(chǎn)生風(fēng)味酯的最重要的酶之一(Rajendran et al.，2009)。已經(jīng)測(cè)試了從微生物中產(chǎn)生的一些脂肪酶在水介質(zhì)中促進(jìn)酯合成的能力，例如從圓柱形假絲酵母、熒光假單胞菌、米黑根毛霉rhizomucor miehei

、米黑毛霉Mucor  miehei、曲霉、褶假絲酵母Candida rugosa中產(chǎn)生的脂肪酶(Longo和Sanromán, 2006)。脂肪酶可以通過(guò)產(chǎn)生揮發(fā)性風(fēng)味成分，成功地將脫脂牛奶(0.5%脂肪)改性為全脂牛奶風(fēng)味(Zhang et al.， 2016)。在奧馬爾等人(2016)的一項(xiàng)研究中，脂肪酶被用于水解無(wú)水乳脂，以開(kāi)發(fā)乳脂香料，因?yàn)樗鼤?huì)合成揮發(fā)性風(fēng)味酯、酸和酮。

根狀菌通常是同色的

有趣的是，脂肪酶也可以將D, L-甲基薄荷醇酯分解為純的L-薄荷醇(Schreier, 2006)。在這種情況下，來(lái)自真菌念珠菌的脂肪酶在有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出很高的分解D, L -薄荷醇的潛力(Wang et al.， 2002)。梳棉嗜熱霉菌Thermomyces lanuginosus脂肪酶在有機(jī)溶劑中對(duì)(±)-薄荷醇的動(dòng)力學(xué)拆分具有較高的對(duì)映選擇性(De Yan et al.，2017)。

Thermomyces lanuginosus

蛋白酶

蛋白酶將蛋白質(zhì)水解為多肽，多肽具有顯著的感官和生物活性(Longo和Sanromán, 2006)。酶促處理有利于通過(guò)美拉德反應(yīng)產(chǎn)生吡嗪類化合物，同時(shí)會(huì)共同產(chǎn)生醇類化合物。在乳制品行業(yè)中，許多乳桿菌種類被用作發(fā)酵劑，通過(guò)各種蛋白水解酶的作用將牛奶酪蛋白降解為小肽和游離氨基酸(Razzaq等人，2019年)。蛋白酶還通過(guò)加速奶酪成熟、改變特性和降低乳制品的致敏性(Damhus等人，2013年)，對(duì)奶酪的風(fēng)味特性做出了顯著貢獻(xiàn)。

脂肪酶

酯酶是一種水解酶，能在與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)將酯分解為醇和酸。在奶酪成熟過(guò)程中，微生物酯酶和脂肪酶的作用釋放出的游離脂肪酸是其特有風(fēng)味的形成原因(Esteban-Torres et al.， 2014)。酯酶在食品生產(chǎn)中應(yīng)用的一個(gè)最重要的例子是羧酸酯酶從植物細(xì)胞壁釋放阿魏酸。阿魏酸是生產(chǎn)香蘭素的前體，這是一種重要的化合物(Faulds等人，1997年)。阿魏?；ッ敢褟膹V泛的微生物中分離出來(lái)，包括曲霉菌、鏈霉菌、乳酸菌和假單胞菌(Topakas等，2007)。Mathew和Abraham(2004)綜述了阿魏酸酯酶從不同植物材料中釋放阿魏酸的研究。最近，Uraji等人(2018)闡明了鏈霉菌中阿魏酸酯酶的結(jié)構(gòu)和活性之間的關(guān)系，并觀察到一個(gè)典型的絲氨酸酯酶家族的催化三元組(由Ser-191、Asp-214和His-268組成)形成了一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)(R18環(huán))，負(fù)責(zé)從生物質(zhì)中釋放阿魏酸。

肉桂鏈霉菌阿魏酸酯酶在1.5 A分辨率

糖苷酶

葡萄糖苷酶是參與將復(fù)雜碳水化合物分解成單體的酶。它們催化從各種糖綴合物(包括葡萄糖的α-或β-連接聚合物)中分離單個(gè)葡萄糖殘基。這些酶通過(guò)釋放糖苷相連的萜烯和其他風(fēng)味前體來(lái)增強(qiáng)葡萄酒的香氣(Longo和Sanromán,2006)。β-葡萄糖苷酶由許多微生物產(chǎn)生，包括木霉、曲霉、芽孢桿菌和念珠菌(Kuhad et al.， 1997)。從念珠菌中提取的一種非常有效的β-葡萄糖苷酶釋放出許多風(fēng)味化合物，即麝香葡萄酒中的橙醇、香葉醇、芳樟醇、2-苯乙醇和苯甲醇，以及杏果汁中的芳樟醇、α-和γ-松蒎烯、α-松蒎醇、2-苯乙醇和α-蒎烯(Gueguen et al.，1996年)。正如Villena等人(2007)所證實(shí)的那樣，酵母β-葡萄糖苷酶在改善葡萄酒香氣方面的作用是由于葡萄糖苷萜的釋放。

結(jié)論

各種農(nóng)產(chǎn)品的加工過(guò)程中產(chǎn)生了大量需要回收利用的廢棄生物質(zhì)。這種木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的微生物發(fā)酵不僅有助于其生態(tài)友好的處理，而且還能以風(fēng)味產(chǎn)品的形式穩(wěn)定下來(lái)，這可以在食品工業(yè)中找到巨大的應(yīng)用。這篇綜述闡述了芳香化合物微生物合成的各個(gè)方面，重點(diǎn)介紹了木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢物作為SSF基質(zhì)的使用。農(nóng)產(chǎn)工業(yè)的基質(zhì)通常成本較低，而且一般來(lái)說(shuō)，與石化來(lái)源的合成香料相比，與食品工業(yè)的密切關(guān)系使消費(fèi)者更容易接受生物質(zhì)食品。文獻(xiàn)調(diào)查強(qiáng)調(diào)，與從植物源中化學(xué)合成或提取相比，通過(guò)微生物途徑生產(chǎn)風(fēng)味化合物具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。此外，通過(guò)SSF利用木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢料通過(guò)微生物生產(chǎn)芳香化合物使該過(guò)程具有成本效益和環(huán)境友好性。

局限性和未來(lái)應(yīng)用

在任何發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)物回收通常是一個(gè)關(guān)鍵步驟。這對(duì)于芳香化合物來(lái)說(shuō)尤其如此，因?yàn)樗鼈兊膿]發(fā)性和低溶解度往往使其在下游加工過(guò)程中回收具有挑戰(zhàn)性。目前，從發(fā)酵液中提取香味的方法有幾種:樹(shù)脂吸附法、兩相萃取法、膜滲透法和滲透汽化法(膜滲透和蒸發(fā)的結(jié)合)。然而，所有這些方法使過(guò)程成本密集，也導(dǎo)致低生產(chǎn)率。因此，具有成本效益的提取風(fēng)味化合物的技術(shù)是越來(lái)越多的研究興趣的主題，以使微生物生產(chǎn)風(fēng)味化合物的過(guò)程在更大的規(guī)模上可行。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，許多風(fēng)味化合物或其添加的前體對(duì)生產(chǎn)菌株具有抑制作用或毒性。在這方面，低前體水平的緩慢連續(xù)加料(分批加料發(fā)酵)，通過(guò)固定化或原位風(fēng)味提取膜和溶劑保護(hù)細(xì)胞是主要的發(fā)酵技術(shù)，這有助于克服這些限制。另外，仔細(xì)選擇生產(chǎn)菌株也是必不可少的，因?yàn)閷?duì)產(chǎn)品的耐受性可能在同一物種之間有很大差異。同樣，必須選擇工藝條件以保持微生物的高生理活性和催化活性。此外，品系適應(yīng)——或基因工程——可用于增加對(duì)產(chǎn)品的耐受性?；蚬こ毯拖到y(tǒng)生物學(xué)工具的不斷發(fā)展，結(jié)合改進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)，將使未來(lái)以這種方式生產(chǎn)更多的生物質(zhì)風(fēng)味。

此外，工業(yè)生產(chǎn)的味道化合物的最終目的是誘導(dǎo)感官效果，通常是在人身上。然而，當(dāng)揮發(fā)性化合物使用GC結(jié)合任何頂空取樣或其他樣品制備技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，并不確定檢測(cè)到的化合物是否有助于氣味或風(fēng)味。此外，原始樣品中揮發(fā)物的數(shù)量與氣味的強(qiáng)度沒(méi)有直接關(guān)系。一種解決方案是將儀器檢測(cè)器前的氣相色譜洗脫液進(jìn)行分離，并將其部分引導(dǎo)到人的鼻子(氣相色譜嗅覺(jué)測(cè)定法)或使用特定的方法來(lái)識(shí)別關(guān)鍵氣味，即香氣提取稀釋分析(AEDA)。

因此，微生物學(xué)家、真菌學(xué)家、生物化學(xué)家、有機(jī)化學(xué)家和生物工藝工程師之間的跨學(xué)科合作顯然是在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)有趣的風(fēng)味，從而實(shí)現(xiàn)生物風(fēng)味生產(chǎn)的工業(yè)流程的先決條件。