同时，食品安全问题在近期受到了前所未有的关注，而食品添加剂在食品加工过程中的不可或缺的地位也使其成为了众矢之的。消费者群体中的恐慌情绪促使他们渴望回归食品制作的原始状态，即完全不使用或仅接受全天然食品添加剂。针对这种并非理性的心理需求，国际食品行业巨头雀巢公司做出了重要决定：自2015年底起，其巧克力类产品将不再使用任何人工色素和香料。这一举措无疑对整个食品添加剂行业的发展产生了深远的影响，推动了天然香料香精需求的持续上升。因此，近年来食品香料香精研究领域的核心问题已转向安全和天然，相关研究活动愈发活跃。接下来，本文将对与天然香料香精发展相关的研究工作及其未来趋势进行简要概述。
1，生物转化在天然香料制备中的应用
天然香料，根据其来源，可分为两大类：一类是直接从自然中提取的天然提取物，如植物精油；另一类则是通过生物技术制备的香料。当前，天然提取物依旧是香料香精市场的主导，涵盖了众多植物精油以及食物加工废料的回收利用。然而，随着全球人口的增长和耕地面积的缩减，人类对农作物的需求——尤其是解决温饱问题的农作物——显然超过了香料作物。从长远角度看，探寻可替代传统香料作物的天然香料来源显得愈发重要，而生物技术制备的香料正逐渐成为这一领域的佼佼者。相较于传统的有机合成工艺，生物技术以其温和的反应条件、出色的立体选择性以及极小的环境污染，赢得了科研人员的广泛关注，进而成为近二十年来香料领域的研究热点。
1．1香兰素
香兰素，作为食品香料中的明星成分，其应用广泛，尤其在巧克力、烘焙食品和冰淇淋中不可或缺。尽管香兰素在香荚兰豆提取物中的含量仅占约2%，却因其独特香气而备受青睐。全球范围内，香兰素的销售额接近6亿美元，总量高达16000t。然而，天然提取物的生产成本高昂且来源受限，导致其市场份额微乎其微。市场上销售的香兰素大多为化学合成产品，以丁香酚、木质素或愈创木酚为起始原料。
我国是香兰素的生产大国，采用愈创木酚/乙醛酸法进行生产。合成香兰素价格稳定，每千克约16美元，而天然香荚兰豆提取物的价格则波动剧烈。例如，2003年其价格曾飙升至每千克400美元，而2005年又跌至32美元。即便在香荚兰豆丰收的年份，天然香兰素的价格也远高于合成产品。因此，面对天然香兰素的市场短缺，生物技术制备天然香兰素的研究显得尤为重要且活跃。
文献中报道了多种生物转化方法，用于制备天然香兰素的前体物，如木质素、丁子香酚、阿魏酸、姜黄色素和安息香树脂等。然而，这些方法的转化率通常较低，一般不超过30%，且产量水平也较低，通常低于1g/L。主要障碍包括底物及产物对微生物细胞的毒性，以及产物在反应体系中的降解问题。其中，阿魏酸被视为制备天然香兰素最具前景的底物。在10L的反应器中，通过Amycolatopsis sp.或Streptomyces setonii菌株的作用，香兰素的最终产率可分别达到11.5g/L或13.9g/L。
商业化的成功案例包括Rhodia公司采用Givaudan公司的技术，于2000年以阿魏酸为原料成功合成商品名为Rhovanil Natural的天然香兰素。尽管其售价为每千克700美元，相较于香荚兰豆在2003年极高的价格已相当可观。2015年，Givaudan进一步开发出一种全新的生物合成阿魏酸的工艺，该工艺以p-香豆酸为原料，经过羟基化和O-甲基化两步反应，以咖啡酸为中间代谢产物，从而为天然香兰素的生产提供了新的原料来源。同年，BASF公司也推出了改进的由阿魏酸制备香兰素的工艺，采用基因工程改造的Pseudomonas菌株作为催化剂。此外，法国ManeS. A.公司在2014年还推出了一条以丁香酚为原料的微生物转化生产香兰素的工艺，商标名称为SenseCaptureTM。
以葡萄糖为原料，通过多步生物转化来制备香兰素，同样被证明是一条切实可行的途径。这一方法最初由美国密歇根大学的Frost教授在1998年进行报道。随后，瑞士的Evolva公司与International Flavors & Fragrances (IFF)公司，基于这一报道，共同研发出了利用葡萄糖生物合成香兰素的工艺流程（见图2）。
值得注意的是，由于香兰素对发酵过程中的微生物有毒性，因此在反应体系中需将其转化为香兰素糖苷，待发酵结束后，再经水解步骤得到纯净的香兰素。值得一提的是，IFF公司在2014年已将此技术生产的天然香兰素成功应用于其产品中。此外，以辣椒素为原料，通过两步生物转化来制备香兰素，同样展现出广阔的应用前景。辣椒素是一种天然化合物，来源广泛，其可在羧酸酯酶的催化下转化为香草基胺，再经风味蛋白香草基醇氧化酶的作用生成香兰素。这种酶的获取简便且价格亲民，其催化脱氨的效率极高，无需其他辅助试剂，仅在氧气环境下即可高效完成转化。因此，这两步酶催化反应可在一锅煮式的反应器中连续进行。
尽管生物合成技术已成功应用于香兰素的少量工业化生产，但天然香荚兰豆提取物在市场上仍然占据着不可或缺的地位。众多国际知名香料公司，如Symrise、Firmenich、Taksago以及Givaudan，均在香荚兰的关键生长区域设立了专项项目，旨在确保香荚兰种植产业的长期稳健发展。
1．2 萜烯酮
香芹酮，作为一种关键的酮类香料，在市场上具有显著地位。它存在两种构型：R构型，即留兰香油的主要成分，以其特有的香气著称；而S构型，则广泛存在于葛缕子油中，展现出截然不同的芳香特质。目前，香芹酮的工业化生产主要依赖于化学合成途径，通过柠檬烯与亚硝酰氯的加成反应，再经过消除和水解两步工艺，最终得到与原料构型相反的香芹酮。值得注意的是，柠檬烯同样可以通过生物转化技术来制备香芹酮，这一方法在学术和工业领域均备受关注。
柠檬烯在Rhodococcus opacus PWD4菌株的催化下，能够高效合成对映体纯的反式构型香芹醇。该反应在短短2.5小时内即可达到产物浓度峰值，产率惊人地高达94%~97%。进一步地，右旋香芹醇在R. globerusPWD8菌株的作用下能转化为右旋香芹酮，而左旋香芹醇则可在R. erythropolis菌株的催化下生成左旋产物。值得注意的是，这种生物转化方法制备香芹酮的产物构型与原料保持一致，与传统化学合成方法得到的相反构型产物形成鲜明对比。此方法不仅产率优异，更展现出广阔的工业化应用前景。
此外，诺卡酮作为葡萄柚的标志性香气成分，不仅在食品领域作为香料使用，还广泛应用于日用香料、医药等多个领域。其最主要的制备方法是以瓦伦亚烯为原料，通过氧化反应来合成。这种氧化反应既可以利用传统的有机化学方法，也可以采用生物转化技术（图5）。
据文献报道，担子菌Pleurotus sapidus是生物氧化剂中最为高效的，其诺卡酮的产量可高达每天320mg/L。目前，通过生物转化技术制备诺卡酮的方法已成功实现工业化生产，由美国Allylix公司率先完成，并在2014年被瑞士Evolva公司收购，进一步推动了该技术的商业化发展。
1.3 醚类香料
降龙涎醚，化学名为(-)-Ambrox，是龙涎香中的核心香气成分。它呈现出柔和、持久且稳定的动物型龙涎香香气，并伴有温和的木香香韵，因此常被用作定香剂。在化妆品行业中，降龙涎醚有着广泛的应用，同时，它也是一种适用于多种食用香精配方的食品香料。
目前，工业上主要采用以香紫苏醇为原料的合成路线来制备降龙涎醚。香紫苏醇与降龙涎醚具有相似的碳原子骨架，通过一系列化学反应，如氧化、还原和环化，最终得到降龙涎醚。值得一提的是，美国Avoca公司是全球最大的香紫苏醇和香紫苏内酯生产商，其生产技术不断更新，早期曾采用高锰酸钾进行氧化反应，而现在则更多地采用生物发酵法。
香紫苏醇是从香紫苏植物中提取得到的。通过水蒸气蒸馏植物的花和叶，可以获得香紫苏油，再经过烷烃和甲醇的萃取分离，即可得到纯净的香紫苏醇。然而，这种昂贵的化合物市场供应量并不稳定，价格波动较大，给相关产业带来了不小的挑战。
在降龙涎醚出现严重短缺后，各大香料公司纷纷开始探索其替代生产路线。Firmenich公司和美国Allylix公司成功开发出以香叶基焦磷酸酯为原料，通过生物合成方法制备香紫苏醇的工艺。在此过程中，香叶基焦磷酸酯首先在焦磷酸赖百当烯二醇酯合酶的作用下转化为赖百当烯二醇焦磷酸单酯，随后在香紫苏醇合酶的催化下生成香紫苏醇。最终，通过已知路线，香紫苏醇被进一步转化为降龙涎醚。此外，日本KAO公司和德国BASF公司也各自研发出一条降龙涎香醚的半生物合成途径。这些新工艺均以化学合成的高金合欢醇为原料，在环化酶的催化下进行关环反应，从而得到降龙涎醚产物。这些创新的生物转化技术未来有望实现工业化生产。
芳樟醇氧化物，作为一种关键的醚类香料，在自然界中广泛存在于水果、咖啡、啤酒花以及薰衣草等植物精油中。它融合了甜香、木香、花香与香柠檬的馥郁气息，呈现出呋喃型和吡喃型两种结构之美。在工业生产中，芳樟醇氧化物通常以芳樟醇为原料，经过过氧酸的氧化作用生成，其中以呋喃型结构为主，且为顺反构型的混合体。此外，借助各类微生物的转化作用，芳樟醇也可被高效地生物转化为氧化物，为香料工业提供了更多可能性。
Demyttenaere等人发现，在Aspergillus niger菌株（A. nigerDSM821）的作用下，(S)-芳樟醇能高效转化为氧化物，其中顺反式呋喃型产物的比例分别达到30%和5%，而吡喃型产物的比例则为14%和1.5%。值得注意的是，该菌株仅对S构型的芳樟醇底物表现出转化活性。另外，据文献报道，Corynespora cassiicola（DSM62485）菌株在生物转化方面表现出色，以消旋的芳樟醇为底物，转化率可接近100%，且产量水平高达每天120mg/L，成为目前芳樟醇氧化物生物制备中最有效的催化剂。
另一方面，玫瑰醚也是一种重要的醚类香料，具有迷人的玫瑰香气。它存在于玫瑰精油和香叶油中，但天然含量较低。商业上，玫瑰醚通常以香茅醇为原料，经过氧化、还原、异构化及关环四步反应来制备。以单一构型的香茅醇为原料，可以得到顺反两个非对映体产物的混合物，比例约为1:1。
在研究担子菌Cystoderma carcharias对香茅醇的催化反应时，Onken等人意外发现了少量玫瑰醚的产生，但转化率仅为1.7%，这是生物转化领域首次观察到玫瑰醚的生成。随后，Demyttenaere等人也报道了Asper-gillussp.或Penicillium sp.菌株能将香茅醇转化为玫瑰醚，但转化率同样较低。目前，关于玫瑰醚的生物转化方法尚缺乏具有工业应用价值的研究。
然而，尽管食品香料工业目前仍主要依赖化学合成香料，但天然香料市场的崛起已势不可挡。生物技术制备天然香料的方法，相较于传统的植物提取法，具有更高的灵活性和可控性，不受地理、气候等自然条件的影响。鉴于天然香料所展现出的巨大市场潜力，多家国际香料公司已投入生物技术领域的研究。2014年可视为香料香精行业向可持续发展转型的一个重要节点，如Amyris和Evolva等致力于生物技术研究的公司开始收获投资回报。此外，许多香料公司还与生物燃料制备领域的专业公司展开合作，共同探讨薄荷脑、沉香、藏红花油等传统香料的生物制备方法。尽管当前生物技术制备香料的投资收益仍有限，但其无疑将在满足市场对天然产物的需求方面发挥越来越重要的作用。
