바닐린 What Is It?

바닐린, 3-methoxy-4-hydroxybenzaldehyde는 원래 멕시코산 바닐라 콩의 주성분이며, 넓은 스펙트럼의 높은 수준의 향이다.바닐린은 자연에서 널리 발견되는데, 예를 들어 많은 에센셜 오일과 자바 레몬그라스, 벤조인, 페루의 발삼, 정향 봉오리, 바닐라 꼬투리 등과 같은 식물에서 발견된다.다른 에센셜 오일과 식물에서 많이 발견된 바닐린의 성분으로도 사용된다.식물에서 추출한 천연바닐린의 수량이 적고 가격이 비싸기때문에 시장수요를 충족시키기 어렵다.그러므로 바닐린은 1874년에 독일의 M. 할만박사와 G. 티만박사가 성공적으로 합성한, 인류가 합성한 최초의 향수로 되였다.분자식은 C 8H 8 O3, 분자량은 152.15, 녹는점 81~83 ℃ (lit.), 백색 또는 황색의 바늘 같은 결정으로 바닐라의 향기와 풍부한 유백색 맛을 가지고 화학 구조는:

가장 중요한 식용향으로서 바닐린은 바닐라빈의 향과 풍부한 우윳빛향을 가진 식용조미료의 일종으로 식품첨가물공업에서 없어서는 안될 중요한 원료이며 세계에서 가장 큰 합성향이다.그것은 모든 종류의 식품, 담배, 치약, 향수, 화장품 및 일상 화학 물질에 널리 사용되며 고무, 플라스틱 및 의약품에도 적용될 수 있습니다.바닐린은 외국에서 의약품 중간체 생산에 널리 사용됩니다.현재 세계시장에서 바닐린의 연간 소비량은 16000~20000톤 [1]으로, FCCIV 기준에 따라 우유의 향을 증가시켜야 하는 다양한 식품, 특히 바닐라향의 주 원료인 바닐린에 널리 사용되고 있다.

중국에서 바닐린을 응용하는 것은 주로 식품첨가물이지만 최근에는 의약 분야에서도 응용이 넓어지고 있어 바닐린 응용의 가장 잠재력 있는 분야가 되었다.현재 국내 바닐린 소비량의 분포는 다음과 같다:식품공업이 55%, 의약품 중간체가 30%, 사료, 조미료 등이 10%, 화장품 등이 5%를 차지하며 중국의 연간 바닐린 소비량은 2,000~2,500톤 정도이다 [2].본 논문은 주로 세 가지 유형의 바닐린 준비 기술에 대해 살펴보고 향후 바닐린 기술 개발 방향에 대해 개관한다.

바닐린 제조 기술의 개요 1

시중에는 합성 바닐린과 천연 바닐린의 두 종류가 있다. 합성바닐린은 일반적인 화석원료를 화학합성하여 얻은 바닐린이다.안정적인 원료 소스 및 생산 기술, 충분한 공급 및 약 US의 낮은 시장 가격으로 바닐린의 화학 합성 방법은 거의 10가지가 있습니다$킬로그램 당 15, 그것은 시장에서 바닐린의 주요 생산 방법이되었으며 현재 시장 점유율의 90%는 합성 바닐린입니다.합성 바닐린의 생산 공정은 안정적이고 원료 및 반응 메커니즘이 명확하며 주요 불순물을 검출하고 제어 할 수 있습니다;물론이 제품은 단일 향만 나고 천연 바닐린의 복합 향이 부족하며, 생산 과정에서 환경 오염 등 문제가 발생하기 쉽다.

자연 vanillin, 예를 들어, 최근 천연 등급 향에 대한 국제 및 국내 규정 및 용어의 차이로 인해, 미국에서는 천연 원료를 이용한 물리적 방법, 생명공학적 방법 또는 연화학적 방법에 의해 식물이나 동물 또는 미생물로부터 원료로 얻은 향으로 정의하고 있다.예를 들어, 미국에서는 천연향료를 식물이나 동물 또는 미생물로부터 물리적, 생명공학적 또는 연화학적 수단에 의해 얻어지는 향료로 정의하고 있다.중국과 유럽연합 (eu) 에서는 천연맛을 식물이나 동물 또는 미생물로부터 물리적 또는 생명공학적 방법으로 또는 전통적인 식품공정으로 얻은 맛으로만 정의하고 있다.

이러한 이유로 중국과 EU의 규정에 정의된 방법에 따라 천연 바닐린 생산 기술에는 두 가지 종류가 있습니다:(1) 추출법;(2) 생물학적방법 (미생물발효법, 식물세포배양법, 효소법으로 나눌수 있다.미국 규정에 의해 정의된 위의 두 가지 유형의 천연 바닐린 생산 기술 외에도 세 번째 유형도 있습니다:(3) 천연 원료와의 연질 화학 (천연 등가 바닐린 생산).연성화학에 의해, 준비 반응에 생물 촉매 또는 경질 또는 가성 화학 물질이 사용되지 않음을 의미하고;수행 할 수있는 화학 반응에는 가수분해, 산화, 응축, 첨가, 재배열, 멜라 민 반응 등이 있습니다.pH와 같은 반응 조건도 조절할 수 있으며, 유기 용매, 산소 또는 기타 분위기에서 반응이 수행될 수 있다.일반적으로, 미국 규정에 의해 정의된 천연 바닐린은 불안정한 동위원소 14C의 분석에 의해 결정된 자연성이 95%에 도달하면 천연 바닐린으로 인정된다.

천연 바닐린에 대한 가장 전통적인 생산 기술은 추출과 단일 분리입니다.바닐라 빈은 " 퀸 오브 스파이스" 라고 불리며, 천연 바닐라 빈에는 인공적인 방법으로는 복합할 수 없는 독특한 향이 나는 바닐린이 2% 정도 함유되어 있으며, 용매 (보통 에탄올)로 추출한 후 높은 가치의 천연 바닐린을 얻을 수 있다.천연 바닐린은 용매 추출 (보통 에탄올)로 얻을 수 있다.천연 바닐린은 또한 바닐린을 함유한 천연 원료를 농축 한 후 물리적 단일 분리라는 기술적 방법으로 얻을 수 있습니다.천연 바닐린에서 분리된 바닐린을 추출하는 것은 바닐라 재배의 한정된 지역, 기후 의존적인 생산량, 노동 집약적인 천연 바닐린의 특성 때문에 굉장히 비싸며, 천연 바닐린은 1kg 당 4,000달러 정도의 가격으로 판매되며, 이는 합성 바닐린보다 약 300배 높은 가격이다 [3].

천연 바닐린의 생산에 대해 인정받는 또 다른 기술은 생물학적 방법 (미생물 발효, 식물 세포 배양 및 효소 방법으로 나눌 수 있음)입니다.생물학적 방법은 천연 바닐린을 준비할 수 있으며, 오염이 적고, 깨끗한 생산과 안전성의 장점이 있다.최근 몇 년간, people's는 자연으로 돌아가자는 건강한 소비 개념은 소비시장의 다양화를 촉진시켰고, 이로 인해 생명공학에 의한 천연 바닐린의 준비는 국내외 학술적 연구의 화두로 떠오르고 있다.생명공학에 의한 바닐린 생산은 원료가 천연적이어서 저렴하고 쉽게 얻을 수 있으며, 생산 과정이 깨끗하고 오염이 없으며, 빠르고 효율적이라는 장점이 있어, 천연 바닐린 생산을 위한 생명공학 이용은 추진될 만한 새로운 통로가 되었다 [4].생명공학을 이용해 천연 바닐린을 생산하는 것은 홍보할 가치가 있는 새로운 통로가 되었다 [4].그러나 산업 생산에 필요한 높은 수율을 달성하는 방법, 그리고 하류 제품 분리 및 정제 공정을보다 간단하고 경제적으로 만들어 더 높은 경제적 이익을 달성하는 방법 또한 천연 바닐린의 높은 가격에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

바닐린의 합성화학 제조기술 2

현재 다음과 같은 합성화학 제조 기술을 사용하여 바닐린을 생산할 수 있는데, 가이아콜법 (가이아콜-디메틸라닐린법과 가이아콜-글리옥시레이트 법으로 나눌 수 있다), 리그닌법, 사프로일법, 유제놀법, p-히드록시벤즈알데히드법, p-크레졸법, 전기화학법;초기의 합성 바닐린 생산 공정은 생산 공정의 오염과 독성으로 인해 주로 guaiacol-dimethylaniline 방법이었으며, 지금은 반응 조건이 제어하기 쉽고 수율이 높으며 폐기물 처리가 적고 후 처리가 편리한 guaiacol-glyoxylate 방법으로 주요 생산 공정으로 변경되었습니다.생산공정의 오염과 독성으로 인해 주요 생산공정이 반응조건 제어가 용이하고 수율이 높고 3가지 폐기물이 적고 후처리가 편리한 guaiacol-glyoxalic acid 방식으로 변경되어 현재 프랑스의 로디아, 노르웨이의 볼링거, 일본의 우베 등 3개 해외 바닐린 생산업체들이 사용하고 있다.

2.1 Guaiacol 법

이guaiacol 로부터 바닐린의 합성바닐린을위한 항상 주요 산업 생산 기술이었으며, nitrosyl 방법과 glyoxylate 방법이라는 두 개의 성공적인 산업화된 합성 경로가 있습니다.

니트로 소 루트 2.1.1

Guaiacol 및 포름 알데히드 (또는 urotropin) 가 p-니트로 소디 메틸 라닐린 염산염 응축, 바닐린, 벤젠 추출 응축 제품을 생산하기 위해 가수분해, 제1 증류, 톨루엔 결정화, 2차 증류, 바닐린 완제품을 얻기 위해 물 결정화, 반응 방정식은 다음 그림 1과 같다.

이 방법에 사용되는 원료는 복잡하고 제품 품질이 불안정하고 수율이 낮으며 (일반적으로 55%~60%), 생산 공정에는 디메틸 아닐린, 포름알데히드, 아질산 나트륨, 벤젠 등과 같은 독성이 강한 보조 원료가 많이 필요합니다.배출된 폐액에는 니트로소화합물, 아미노화합물, 알데히드화합물, 고분자 등이 들어 있다.배출된 폐수에는 니트로소화합물, 아미노화합물, 알데히드화합물 및 고분자 등이 포함되어 있다.폐수는 생화학적으로 처리할 수 없고 경제적이고 효과적인 처리 방안이 없어 환경오염이 극히 심각하다.외국에서는 이미 없어진지 오래고, 국내 생산능력 중 일부만 사용되고 있어 탈락 위기에 처해 있다.

글락살레이트 경로 2.1.2

Guaiacol과 glyoxylate는 알칼리 가열 조건에서 3-메 톡시-4-히드 록시만 델산을 생성 할 수 있으며 산은 산화되어 촉매와 산소의 존재하에 3-메 톡시-4-히드 록시 아세토 페논을 생성 한 다음 산성화 및 탈 카 르 복실 화를 통해 원유 바닐린을 얻을 수 있습니다.반응식을도 2에 나타내었다.

glyoxalic acid 방법으로 바닐린을 준비하는 공정은 1970년대에 프랑스 Rhodia 회사에서 처음으로 성공적으로 산업화되었으며,이 방법에 사용되는 원료는 적고, 조건은 제어하기 쉽고, 제품의 품질이 안정적이고 수율이 높습니다 (일반적으로 70% 정도), 생산 공정에 사용되는 원료 및 보조 재료는 주로 저독성 및 비휘발성 glyoxalic 산, 생산 조건이 좋습니다,그리고 그 폐액은 생화학적 처리에 의해 처리될 수 있다.중국에서 catechol 방법에 의한 guaiacol 합성의 성공적인 산업화와 guaiacol 가격의 감소로,이 방법의 촉매 준비 및 선택, 산화 방법 및 추출 방법의 연구 및 개발은 중국에서 또한 증가하고있다.최근 글리옥살산 공정이 국내 3대 국내 바닐린 생산 기업-절강 자싱 중화화학 공장과 지린 석유화학 바닐린 공장에서 니트로소법을 대체하여 중국 [2]의 바닐린 합성을 위한 주요 생산 공정으로 사용되고 있다.최근 국내 3대 바닐린 생산 기업-절강 자싱 중화화학 공장과 지린 석유화학 바닐린 공장-에서 glyoxylate 공정이 니트로소법을 대체하여 중국 [2]의 바닐린 합성을 위한 주요 생산 공정이 되었다.

리그닌법 2.2

리그닌은 광범위한 원천에서 오며 폐목재, 진흙재, 펄프폐액, 와인리스에 함량이 거대하며 주로 리그노술폰산의 형태로 존재한다.Lignosulfonate는 알칼리 조건에서 가수분해 된 다음 고온 및 고압에 의해 산화되고 리그닌의 일부는 바닐린으로 변형 된 다음 산성화와 추출에 의해 바닐린 나트륨 염으로 추출 된 다음 SO2의 산성화와 물의 재결정 등 일련의 반응으로 통과되어 순수한 바닐린을 얻는다.구체적인 반응식은 아래 그림 3에 표시되어 있다.

미국과 캐나다의 두 개의 대형 제지기업에서 오랫동안 바닐린을 생산하는 데 리그닌 방법이 사용되었지만,이 방법의 단점은 명백합니다:낮은 수율 (10%~15%), 세 종류의 폐기물의 대량 배출, 심각한 오염;바닐린 제품의 품질은 낮은 편이며, 생산된 바닐린에는 중금속이 다량 함유되어 있어 식품과 제약산업에서는 사용할 수 없으며, 리그닌 방식의 바닐린은 1990& 년에 급격히 줄어들었다#39; s.바닐린의 리그닌 방법은 미국과 캐나다의 제지업계에서 널리 사용되고 있다.

사프로일 방식 2.3

각종 장롱유 및 장롱유로부터 얻은 천연 사프로를 알칼리 조건에서 이성질화하여 자스모닉 알데히드로 산화시킨 다음 PCl5와 상호작용하여 프로토 카테쿠닉 알데히드를 얻고 [5], 마지막으로 디메틸 황산염 ((CH3)2 SO4) 또는 할로메탄으로 메틸화하여 바닐린과 이소카르복실린의 혼합물을 얻은 다음 알칼리에서 양자의 용해도가 다른 것을 이용하여 분리하였다.구체적인 반응식은 아래 그림 4에 표시되어 있다.

이 방법의 수율은 사프롤의 원료가 매우 제한적이며 합성 경로가 비교적 길고 공정이 복잡하며 이소바닐린 및 이소에틸 바닐린과 같은 부산물이 생성되고 생성물의 수율이 낮기 때문에 제한적이다.

2.4 Eugenol 법

유제놀은 정향유의 주성분이다 (85%~90%).바닐린은 강한 염기를 가진 에우제놀 (eugenol)을 이소제놀 (isoeugenol)로 이성질화한 후, 산화 및 산분해하여 생성할 수 있으며 [6], 구체적인 반응식을도 5에 나타내었다.

또한 정향유는 제한된 가용성과 가격 때문에 비싸고 생산에 한계가 있지만, 연화학 개념 하에서 동등한 천연 향으로서 천연 바닐린의 좋은 보완이 된다.

2.5 p-크레졸, p-히드록시벤즈알데히드법

이 방법은 처음에 대련공대에서 개발 한 p-히드 록시 벤질 알데히드 경로, 중국에서 더 심층적인 연구의 주제, 연구의 초점은 p-크레졸의 원료에서 p-히드 록시 벤질 알데히드는 쉽게 구할 수 있는 p-히드 록시 벤질 알데히드를 산화 한 후 p-히드 록시 벤질 알데히드로부터 얻어지고, p-히드 록시 벤질 알데히드는 브로민화되어 클로로포름에서 3-브로 모-4-히드 록시 벤질 알데히드가 되고,그리고 나서 고온 (100~110 ℃)에서 1.5~2시간 동안 큐오 촉매 조건에서 메탄올과 반응시켜 바닐린을 얻으면 일반적으로 수율을 얻을 수 있다.그리고,N,N-디메틸포름아미드 (DMF)를 용매와 CuO 촉매 조건으로 사용하여 고온 (100~110 ℃)에서 메탄올과 나트륨 반응을 1.5~2 h 동안 수행하여 바닐린을 얻었고, 수율은 90%에 도달 할 수 있었으며, 반응의 방정식을 아래도 6에 나타내었다.

이 경로는 짧은 공정, 적은 폐기물, 적은 투자, 간단하고 원료를 얻기 쉬운, 브롬을 재활용 할 수 있고 소비되지 않는 등의 장점이 있습니다.한편, p-크레솔의 국내 생산량은 세계 &의 약 80%를 차지하고 있다#39;s 제작, 그리고 중국의 20여개 유명 대학 및 연구기관에서이 과정에 대한 연구에 매우 적극적이었고, 국내 실정에 더 부합한다고 생각한다.일부 전문가들은 glyoxalic acid 공정과 비교해 p-크레졸 공정은 톨루엔, 황산, 가성소다, 메탄올 (0.2톤 미만), 산소만 소모하고 브롬은 재활용되므로 소량만 보충하면 되며, 이들 원료는 구하기 쉽고 가격도 저렴하다고 보고 있다.반면 글리옥살레이트 공정에서 사용되는 원료는 10여 가지가 넘는데, 이들 중 상당수는 원가의 출처가 어렵고, 글리옥살산만이 원가의 상당 부분을 차지하고 있다.한편,이 공정에서 발생되는 총 3 종류의 폐기물의 양은 글락살레이트 공정의 약 1/20에 불과해 실제로 친환경 생산을 실현하고 있다.그러나,이 방법에는 여전히 많은 어려움이 있습니다:복잡한 조작, 압력 원자로 및 가혹한 반응 조건;그리고 산화 작업에서의 안전 문제,이 모든 병목 현상은 p-크레졸 공정의 촉진에 영향을 미치고, 현재,이 방법에 의한 바닐린의 생산은 산업화되지 않았습니다.

유기전기화학적 합성방법 2.6

바닐린의 유기 화학 합성은 또한 guaiacol과 glyoxylate를 원료로 하여 3-메 톡시-4-히드 록시 페닐 글리콜산을 처음 두 번 응결 합성하며, 중간체가 위험한 산화제에 의해 산화되지 않고 전해산화하여 3-메 톡시-4-히드 록시 페닐 글리콜산을 얻은 후 산성화와 탈카르 복실화를 거쳐 바닐린 [8]을 얻는 차이점이 있는데, 반응식은 다음 그림 7과 같다.

이 방법에서 촉매와 산화제를 첨가할 필요가 없고, 반응에서 생성 된 가이아 콜 카르 보닐 카르 복실 산 (소금)을 분리 할 필요가 없으며, 강산을 첨가하여 반응 용액을 약산도로 조정 한 후, 탈카르복실 화가 바닐린 원유를 얻은 다음, 고순도 생성물이 정제됩니다.전해 산화 방법은 높은 반응 선택성, 높은 순도 및 제품의 품질, 높은 수율, 원료를 얻기 쉽고, 간단한 장비, 강한 산화제 중금속 오염이 환경에 미치는 영향을 크게 감소, 우리가 전력 소비를 계속 줄일 수 있다면,이 방법의 산업 가치는 크게 강조 될 것입니다.

바닐린의 천연 식물 추출 및 준비 기술 3

바닐린은 천연 식물에서 자유 형태 및 글루코사이드로서 널리 발견되며, 특히 1차 가공 바닐라 콩에서 약 20 g/kg (건조 중량)의 함량을 가지고 있다.바닐라 콩의 세계 생산은 주로 마다가스카르, 인도네시아, 코모로 제도 등에 집중되어 있다.연간 바닐린 생산량은 2000~2400톤에 이를 수 있으며, 이는 세계 바닐린 총 생산량의 약 2%를 차지한다 [9].

천연 바닐린은 보통 바닐라 빈 팅크 형태로 사용되는데, 1차 가공 및 숙성된 바닐라 빈을 추출기로 썰어서 50~60 ℃에서 95% 에탄올로 추출한 후 여과하여 빈 팅크를 얻는다.이 과정에서 바닐린의 가수분해, 산소화, 에스테르화를 피하기 위해 [10] 일부 학자는 초임계 CO2 추출 기술을 이용해 바닐라 콩에서 바닐린을 추출했는데,이 과정이 공기와 접촉하지 않고 용매 잔류가 없으며 수율이 더 높다.

천연 식물에서 추출한 바닐린-바닐라 빈은 인공적인 방법으로 복합할 수 없는 독특한 향을 가지고 있으며, 그 상태를 대체할 수 없지만, 바닐라 재배의 제한된 지역 때문에 생산은 기후의 영향을 크게 받으며, 작물 재배는 인공 수분을 필요로하고 가공이 너무 노동 집약적이어서 순수한 천연 바닐린의 공급은 시장 수요를 충족시키는 데 거리가 있습니다.순수 천연 바닐린의 공급은 시장 수요를 충족시키기에는 거리가 멀다.

생물전환법에 의한 바닐린 제조에 관한 기술적 연구 4

최근 국제 및 국내 천연 및 건강 시장 소비 개념의 큰 영향으로 천연 바닐린에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있으며 생명공학에서 생산된 바닐린은 " 자연성"로 정의된다.따라서 유럽, 미국, 일본 등 세계 여러 나라 [11]의 식품 규제에 의해 생명공학을 통해 생산되는 천연 바닐린에 대한 연구는 전 세계 연구자들의 뜨거운 관심이 되고 있다.따라서 생명공학에 의한 천연 바닐린 제조에 대한 연구는 각국의 연구자들에게 뜨거운 관심을 받고 있다.천연 바닐린의 제조를 위한 생명공학적 방법의 주요 유형은 미생물 발효, 식물 세포 배양 및 효소적 방법이다. 4.1 천연 원료의 기질로서의 미생물 transformation에 의한 천연 바닐린의 제조 미생물 transformation은 미생물 발효를 이용하여 식물의 2차 대사과정을 시뮬레이션하여 바닐린을 생산하는 것이다.

미생물 발효는 천연 유제놀 (eugenol), 이소유제놀 (isoeugenol), 페룰산 (ferulic acid), 포도당 (glucose) 등의 화합물을 원료로 하여 박테리아, 곰팡이 등의 발효를 거쳐 바닐린을 합성한다 [12];장점으로는 효소를 정제할 필요가 없어 비용이 저렴하고, 세포 고정화 등의 방법을 통해 생산비용을 절감하고 부산물을 줄이는 방법을 통해 더 줄일 수 있기 때문에 [13] 최근에는 미생물 발효가 바이오 바닐린 생산의 트렌드가 되고 있다.따라서 최근 바이오 바닐린 생산을 위해 미생물 발효가 트렌드로 대두되고 있다.Ferulic acid, eugenol 또는 isoeugenol은 미생물의 형질에 의한 바닐린 생산을 위해 가장 많이 연구된 기질이다.

4.1.1 eugenol 또는 isoeugenol을 기질로 하는 생물 변환

Eugenol은 주로 정향잎 기름 같은 에센셜 오일에서 추출하지만, Eugenol은 효과적인 살균 효과를 가지고 있고 미생물에 독성이 있어 정상적인 성장과 대사를 억제하므로 [13] Eugenol이나 isoeugenol에 내성이 있는 미생물을 선별하는 것이이 방법의 핵심 중 하나이다.

Ashengroph 등은 Pseudomonas resinovorans SPR1 균주를 분리하여 별도의 최적화 없이 eugenol을 유일한 탄소원 및 에너지로 사용하여 30 h 동안 발효시켜 0.24 g/L vanillin을 얻을 수 있었다 [14].Zhao Li-Qing 등은 고농도의 isoeugenol을 감내하고 효율적으로 바닐린을 전환할 수 있는 방추형 bacillus bacillus fusifornis CGMCC134를 토양으로부터 screening 하여 얻었으며,이 세균은 isoeugenol v/v의 2 상계에서 60% isoeugenol v/v, 초기 pH=4.0, 온도 37 ℃, 회전속도 180 r/min, 72 h의 조건에서 바닐린의 결과를 얻었다,그리고 그 결과를 72시간 조건에서 다음과 같이 요약하였는데, 바닐린의 질량농도는 46.1 g/L [15]까지 높았다.

다양한 연구 보고들을 볼 때, 바닐린 제조를 위한 기질로서 eugenol의 생물 전환에 획기적인 진전을 이루기는 어려웠다.

4.1.2발효 조제를 위한 기질로서 Ferulic Acid에 의한 생물변환

Ferulic acid는 세포벽의 성분 중 하나인 cinnamic acid의 유도체이며, 곡류, 밀 및 옥수수 기울, 사탕무 작물 또는 곡물 잔류물에서 널리 발견되며, 자연에 풍부하여 세균에 독성의 영향을 미치지 않으며, 바닐린과 유사한 화학 구조를 가지며, 생물 전환시 반응을 적게 수반하여 전환율 향상에 도움이 되므로 [16],ferulic acid는 이상적인 미생물 발효 사료 원료입니다.따라서 ferulic acid는 미생물 발효에 이상적인 원료입니다.따라서 ferulic acid는 미생물 발효에 이상적인 원료입니다.변환 경로는 그림 8에 나와 있습니다.

2000년 Rabenhorst 등은 발효조건을 최적화하고 수지의 흡착으로 세균에 대한 바닐린의 독성을 감소시킴으로써 ferulic acid를 기질로 이용한 Streptomyces sp. HR167로부터 11.5 g/L의 바닐린을 얻었다 [21].2000년 Rabenhorst 등은 Amycolatopsis sp. HR167을 기질로 사용하였으며, 발효조건을 최적화하고 흡착제 수지의 도움으로 세균에 대한 바닐린의 독성을 감소시켜 11.5 g/L 바닐린을 얻었다 [21].2007년 Hua 등은 Streptomyces sp. V-1을 이용하여 발효 55시간 후 ferulic acid를 기질로하고 흡착제 수지로 19.2 g/L vanillin을 얻었으며, 총 몰수율이 54.5%였다 [22].이는 ferulic acid를 기질로 사용하여 미생물 형질전환에 의한 천연 바닐린 생산에 대해 달성한 최고 수율입니다.

상술한 높은 바닐린 생성 균주들인 아미 콜라피시스 및 스트렙토마이세스 (바닐린 수율이 10 g/L보다 높은 경우) [23]는 그람양성균으로, 이를 최적화하여 상당한 바닐린의 수율을 얻을 수 있지만, 산업적으로 가장 어려운 과제는 하류 생성물의 분리 및 정제이다.산업 분야에서 이러한 균주를 이용한 발효에 있어 가장 큰 과제는 다운스트림 제품 분리 및 정제 기술입니다.방선균의 밀집된 균사체로 인해 발효 국물은 점성이 매우 높아 제품 정화가 매우 어려워 하류 공정의 원가가 높고 전반적인 경제 효익이 낮다.

4.1.3포도당을 기질로 발효하여 바닐린 제조

전분 가수분해에서 포도당을 얻을 수 있어 충분한 원료이며 생산 원가가 낮다.Li 등 [24]은 유전공학적 방법을 이용하여 대장균 (Escherichia coli KL7/pKL5.26A 또는 KL7/3KL5.97A)을 유전적으로 재조합하여 박테리아가 펜토오스 인산 경로와 만지페릭산 경로를 통해 포도당으로부터 바닐릭산을 합성하고, 바닐린은 뉴로스포라 크assa (Neurospora crassa)에서 분리한 아릴알데히드 탈수소효소에서 환원되어 생성되었다.그리고, 뉴로스포라크라사에서 분리한 방향족 알데히드 탈수소효소에 의해 바닐릴산을 환원시켜 바닐린을 생성하였다.

2009년 Hansen 등은 포도당을 초기 기질로 이용하여 2 종의 일반 효모 균주인 Schizosaccharomyces pombe와 Saccharomyces cerevisiae를 유전적으로 조작하였고, 두 균주에 각각 기원이 다른 3 종과 4 종의 외인성 유전자 (곰팡이, 박테리아, 사람)를 도입하였다.동시에 원래 균주의 바닐린 분해 유전자가 떨어져 나가 다른 최적화 없이 65 mg/L, 45 mg/L 바닐린을 얻었다 [25].

비싼 페룰산에 비해 발효기질로서의 포도당은 대단히 풍부하고 경제적이며, 대사경로는 간단하고 제어 가능하여 공업적 생산을 실현할 수 있고, 또한 이것은 미국의 천연바닐린 생산을 위한 가장 중요한 주제이기도하다 확실히, 기질생물전환법으로서의 포도당을 천연바닐린 생산의 산업화를 위한 실용적 기술로 만들기 위해서는,량곡수확고를 부단히 제고하여야 한다.

4.2 식물 세포 배양법에 의한 바닐린 제조

식물조직배양은 생명공학의 발전과 더불어 식물세포가 배양액에서 대사산물을 합성할수 있게 하는 기술이다.1989년 Knuth 등 [26]은 바닐라를 고밀도 세포배양의 재료로 사용하였고, 발효국물 중 바닐린의 질량농도는 최대 1.9 g/L 이었으며, 식물호르몬에 의해 수율을 조절할 수 있었다.1991년 Knuth 등은 전구물질을 첨가하지 않고 14일 동안 활성탄으로 추출한 바닐린 유도 조직세포 정지 배양에서 복잡한 바닐린 향이 나는 물질이 분비됨을 보였으며, 0.099 g/L의 바닐린을 얻을 수 있었다.1991년 Knuth 등은 바닐라 치유 조직세포 정지 배양에서 복잡한 바닐린 향물질을 분비한다는 것을 밝혀냈고 [27] 전구물질의 첨가 없이 14 d에 대해 활성탄을 이용해 연속 추출한 후 0.099 g/L의 바닐린을 얻었다.

Westcott 등 [28]은 바닐라 플래니폴리아의 뿌리를 조직배양에 이용하였고 바닐린이 0.4 g/(kg-d)의 비율로 조직 내에 축적되었으며, 조직 내 가장 높은 바닐린의 농도는 7.0 g/kg에 달하였다.이후 일부 연구자들은 Cap-sicum frutescens 세포와 Haematococcus pluvialiscell 세포에서 isoeugenol, protocatechuic aldehyde 및 caffeic acid를 바닐린으로 전환하는 새로운 방법을 찾아냈지만 [29],이 세포에서 바닐린을 제조하는 과정은 바닐린 자체의 억제 효과에 영향을 받았다.그러나 이러한 세포배양으로부터 바닐린을 제조하는 과정에서 바닐린 자체의 세균성 효과, 기질 및 세포성장 환경의 영향으로 수율이 매우 낮아 세포배양 방법에서 실험실 연구의 상태를 돌파하기 어렵다.

4.3 효소전환에 의한 바닐린의 제조

현재 미생물 형질전환법은 산업화를 위해 정식으로 보고되지 않았으며, 주요 원인은 바닐린 자체가 일종의 미생물 억제제로, 바닐린의 함량이 증가되면 미생물을 억제하고 죽일 수 있으며, 이것이 미생물 형질전환법이 직면한 가장 큰 도전이다.이 문제를 해결하기 위해, 효과적인 기술적 해결책은 바닐린에 더 내성적이고 바닐린을 바닐릭산으로 전환 할 수있는 능력이 적은 일부 적합한 미생물을 선택하고 품종하는 것입니다;현재는 비싼 원료인 페룰산을 이용한 바닐린의 전환에만 상당한 진전이 있을 뿐이다.

국내 학자들 [30]은이 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 방법은 관련 효소의 특성을 충분히 이해하는 것이어야 하는데, 적절한 효소를 분리하고 이러한 효소의 대규모 생산을 형성하고, 효소 반응의 특이성과 높은 효율을 이용할 수 있다면, 바닐린의 생산은보다 직접적이고 효율적일 수 있을 것이다.

바닐린의 모든 생체 변환 기술은 효소 반응이며, 다양한 생체 변환 준비물의 작용 기작은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 이들 모두가 하나 이상의 효소의 작용에 의해 생성되는 것은 확실하다 [31].네덜란드 와그네잉네 대학교 [34]의 van den Heuvel Robert HH 등은 바닐린의 효소합성에 대한 기술적 연구에서 바닐린이 두 가지 경로를 통해 바닐린 산화효소 (VAOs)에 의해 생산될 수 있음을 발견하였다.하나는 VAO의 존재하에 바닐릴알코올을 경유하여 목타르알코올로부터 바닐린을 생산하는 것이다.바닐릴 아민은 알칼리 조건에서 VAO에 의해 바닐린으로 직접 가수 분해 될 수있는 중간체로 전환됩니다.

2001년 Gatfield I-L 등 [32]은 이소유제놀과 파인알데히드를 기질로 하는 촉매로 lipases Chirazyme L-2, c-f 및 C2 lyo를 이용한 바닐린의 효소적 전환을 제안하였고, 그 결과 각각 30.4, 83.1%의 바닐린 품질 분획이 나타났다.2004년 손쯔하오 등 [33]은 isoeugenol을 대두 lipoxygenase로 전환하여 바닐린을 제조하는 것을 조사하였다.2004년 Sun ZH 등 [33]은 대두 lipoxygenase에 의한 isoeugenol이 바닐린으로 전환되는 것을 조사하였다.몰전환은 13.27% 였으며, 바닐린의 흡착을 위해 대성 현탁수지 HD-8의 첨가에 의해 24.53% 가 이루어졌다.

효소법에 의한 바닐린의 전환은 생성물의 축적이 용이하고, 부산물이 거의 없으며, 정제가 용이하고, 반응조건이 온화하며, 에너지 소모가 적고, 오염이 적기 때문에 유망한 연구방향으로 각광받고 있다.물론 효소학, 화학공학 및 현대 생명공학의 이론을 활용하여 기존 효소의 방향성 전환 및 변형을 수행하는 방법, 이들의 고정화 기술에 대한 연구 및 적합한 다중 효소 반응기를 개발하는 것이 효소법에 의한 바닐린 생산에 있어 제조업체들이 직면하고 있는 주요 과제가 될 것이다.

5 전망

이vanillin 파우더화학 합성으로 생산되면 풍부하고 안정적인 원료 원천, 높은 수율과 낮은 원가 등으로 인해 여전히 시장에서 오랫동안 지배적인 위치를 차지할 것이다.물론 화학 합성에는 guaiacol, p-크레졸, 강산과 강알칼리, 중금속 등과 같은 독성과 유해한 원료가 사용되며, 그 과정에서 발생하는 많은 부산물이 환경을 오염시키고 세 가지 폐기물이 심각하다.

중국이 환경보호를 매우 중요시하고 있는 시점에서 실무자들이 전환율이 높고 3가지 폐기물의 배출이 제로인 합성공정을 연구 개발해 친환경 생산을 실현하는 것은 의심할 바 없는 중대한 문제이다.합성 공정 경로를 통틀어 국내 guaiacol 및 glyoxylate 생산 기술의 지속적인 돌파와 고품질의 저렴한 가격의 원료 공급이 기본적으로 실현되면서 유기 전기 화학적 방법에 의한 바닐 린의 합성은 가장 유망한 개발 전망을 가진 친환경 공정이 될 것입니다.유기 전기 화학적 방법에 의한 바닐린의 합성은 가장 유망한 녹색 공정이 될 것입니다;산화제가 필요 없고, 간단한 장비, 안전한 작동, 부산물이 거의 없고, 제품의 순도가 높고, 하수가 거의 없으며 처리되기 쉽습니다.단위 전력 소비 문제가 해결되면 바닐린 생산을 위해 현재의 guaiacol-glyoxylate 방식이 빠르게 대체될 것입니다.

식물추출법에 의한 천연 바닐린의 생산은 바닐라 재배가 어렵기 때문에 한계가 있으며, 그 추출 기술에 대한 더 많은 연구는 항상 두 배의 노력을 들이는 어중간한 수준에 불과할 것이다.그러나 천연 바닐린은 광범위한 식물에 존재하므로 다양한 바닐린이 풍부한 천연 식물 추출물로부터 성분을 농축하는 과정을 탐색한 후 천연 바닐린을 분리, 정제하는 것은 생명공학 기술의 진보와 함께 자연스럽게 유망한 기술 옵션이 될 것이다.

" 자연스러움"이 부상하면서열, 생물 전환 방법에 의한 천연 바닐린의 준비는 의심할 여지없이 바닐린 연구의 가장 인기있는 주제가되었다.지난 10년간 미생물 전환법에 의한 천연 바닐린 생산에 대한 기술 연구는 광범위하고 심도 있게 이루어졌으며, 대사 경로에서부터 분자 수준의 주요 유전자 연구에 이르기까지 많은 중요한 연구 결과가 도출되었다.중국에서는 벼루, 사탕무 등 천연자원의 장점을 결합해 바닐린 생산을 위한 기질로 페룰산 (ferulic acid)과 아이소유제놀 (isoeugenol)을 미생물 발효시키는 연구 개발이 지난 몇 년간 큰 진전을 거두었다.

그러나 지난 2년간 바닐린 생산을 위한 기질로서 포도당의 미생물 발효는 미국과 유럽에서 뚜렷한 진전을 이루었고,이 방법은 매우 풍부하고 저렴하며, 대사 경로가 간단하고 제어 가능하며, 바닐린의 분리 및 농축은 페룰산의 그것보다 간단하다.적합한 효소를 선택하고 포도당을 기질로 하여 발효함으로써 바닐린의 생산원가는 합성기술의 원가에 근접할 것으로 예상되며 소비자와 생산자의 요구를 만족시킬 수 있고 더욱 응용전망이 있는 실용기술이다.IFF와 볼바홀딩사 간의 천연 바닐린 생산을 위한 효모 기반 포도당 발효제 개발 프로젝트가 소량 시험생산 단계에 들어갈 것으로 알려졌다.비록 바닐린의 생합성에서 실질적인 진전을 가져왔지만 아직도 많은 과학문제를 깊이있게 탐구하고 연구해야 하며 고효률의 바닐린의 공업생산은 더욱 최적화되여야 한다.물론 첨단 분자생물학과 유전공학의 도움으로보다 저렴한 천연 바닐린이 가까운 미래에 실현될 것으로 예상된다.

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