Mathilde Lecourt and Sylvain Antoniotti*

Université C?te d’Azur, CNRS

Institut de Chimie de Nice

Parc Valrose, 06108 Nice cedex 2, France.

E-mail: sylvain.antoniotti@univ-cotedazur.fr

摘要：白色生物技術已出現(xiàn)在生物化學制造過程中，以提供滿足社會對天然、環(huán)保負責和可持續(xù)材料新興趣的香料成分。因此，在這些主題上開展了激烈的研發(fā)活動，導致科技論文和專利申請報告了生物催化、代謝工程、合成生物學、生物合成闡明、基因編輯和克隆以及分析化學中最先進方法的組合。在這篇小型綜述中，我們從過去6年的科學文章和專利調(diào)查中挑選了一系列新穎的生物技術工藝和成分，并從化學、可持續(xù)性和自然性方面進行了分析。一方面，對代謝工程進行分類，并允許精油替代物或單分子成分的生物技術合成，另一方面，通過對天然復雜物質(zhì)的化學成分進行特定和選擇性的酶改性，對其化學組成進行修改。

自2000年以來，出現(xiàn)了許多涉及生物催化的方法，以從數(shù)量或質(zhì)量上改善香料中使用的精油和天然提取物。在這方面，主要使用纖維素酶、果膠酶和糖苷酶對植物材料進行預處理以提高提取或蒸餾產(chǎn)量，以促進揮發(fā)性分子從細胞隔層中釋放。隨著范式的重大轉變，一些作者開始研究在后處理過程中直接對天然復合物混合物（如精油和天然提取物）使用生物催化，而化學家通常傾向于對純物質(zhì)使用生物催化。[1]然而，該領域的范圍和復雜性最近有所增加。不僅在前處理和后處理方法中使用了新的酶，而且在工業(yè)中發(fā)現(xiàn)并實施了新的生物技術和工藝。這就是新類型成分的誕生，例如通過代謝工程獲得的生物技術成分，無論是作為生物生產(chǎn)的精油還是純化合物。它們是在生物反應器中由來自金合歡基二磷酸或葡萄糖等簡單碳源的重組微生物產(chǎn)生的。[2] 因此，有高度的生物資源（一般高達100%），并與其傳統(tǒng)的自然對應物密切相關。隨著過去二十年來分子生物學的進步和許多物種基因組的測序，現(xiàn)在可以從野生天然來源（細菌、真菌、植物、動物等）中選擇編碼所需酶的基因，并將其轉移到重組生物體中，通常為大腸桿菌或曲霉屬。。如果多個編碼不同酶的基因被轉移，宿主的代謝可以被修改，從而產(chǎn)生相對大量的有價值的產(chǎn)品，其化學復雜性取決于組裝的生物合成步驟的數(shù)量。代謝途徑，有時來自不同物種，可以混合或重建，使生物合成完全或部分可以從簡單的前體進行。最后，基因可以可以隨機或選擇性地進行修改，以提高生物工藝的性能：產(chǎn)量、體積生產(chǎn)率、對映體選擇性、底物范圍、溫度耐受性等…

代謝工程與一類新的配料

在本節(jié)中，我們將查閱有關使用重組生物體的科學文獻和許多專利，這些利用重組生物表達基因編碼植物中涉及生物合成氣味分子的酶，主要是萜烯類和萜類化合物，但不僅僅是萜類。這些經(jīng)過改性的有機體可以用來生產(chǎn)精油等效物或單分子。

新型天然復合混合物

廣藿香Pogostemon cablin

廣藿香油主要成分的生物合成途徑已被深入研究，可能最重要的發(fā)現(xiàn)是，盡管廣藿香精油中存在化學多樣性（大部分為倍半萜烴），[3]實際上有少量萜烯合成酶在起作用，并占這種多樣性的重要部分。[4] 特別是，發(fā)現(xiàn)了編碼多功能倍半萜合酶的單一廣藿香醇合酶cDNA，可從大腸桿菌中異源表達，通過his標記技術純化，并用于以金合歡基、香葉基和橙花基二磷酸為底物的生物催化反應。如果(E,E)-金合歡基二磷酸（FPP）被環(huán)化為(E,E)-吉馬二烯基陽離子和愈創(chuàng)木酰陽離子，則形成了廣藿香精油中的幾種重要倍半萜，如（-）-廣藿香醇、塞舌爾烯、α-、β-和γ-廣藿香烯、α-愈創(chuàng)木烯和α-布藜烯（dguaiene）（方案1）。

方案1.一次起始環(huán)化反應所得倍半萜烴的化學多樣性。氫化物位移可以是1,2-或1,3-位移。W-M代表Wagner-Meerwein。

因此，使用單一的天然起始材料，如(E,E)-金合歡基二磷酸，可以生產(chǎn)廣藿香精油倍半萜烯和倍半萜的混合物，從而進入一類與蒸餾成分具有化學和感官相似性的新型生物技術成分。

瑞士F&F公司Firmenich&Cie提交了多項專利，成分Clearwood?于2014年推出，是一種相當于廣藿香精油的“純凈”產(chǎn)品，[6]通過可持續(xù)工藝獲得，具有供應穩(wěn)定性的優(yōu)勢。[7] 其天然等級受到質(zhì)疑，[8]這不僅是因為在獲得珍貴倍半萜烯混合物的過程中使用了轉基因生物，還因為存在廣藿香醇乙醚，該物質(zhì)未列入廣藿香精油130種已公布的成分中，之前在自然界中也未被鑒定。[9]

同樣，表達廣藿香醇合成酶變體的重組大腸桿菌菌株已成功用于從(E,E)-金合歡基二磷酸生產(chǎn)廣藿香醇和一些相關倍半萜。[10] 觀察到廣藿香精油化合物，但有趣的是，還使用(2Z,6E)-和(2E,6Z)-金合歡基二磷酸測試了酶反應的立體特異性。前者主要提供α-和γ-古蕓烯和大香葉烯B，后者提供未知的倍半萜烯（C15H24）和蠕蟲大香葉烷。兩者都不能轉化為廣藿香醇，即C2-C3和C6-C7位的碳碳雙鍵不同立體化學導致了E,E異構體以外的其他碳離子中間體。對于香葉基和橙花基二磷酸，形成檸檬烯、α和去磷酸化萜烯醇的混合物。

Akigalawood?是最近與廣藿香油合作推出的另一種新型生物技術成分。這一種目前是奇華頓的專屬配料。[11] 專利中明確提到它是一種含有莎草奧酮的材料。[12]莎草奧酮是一種有氣味的倍半萜類物質(zhì)，存在于多種天然產(chǎn)品中，尤其是紅葡萄酒中，具有辛辣、木香的嗅覺感受。[13] 已闡明了葡萄中α-愈創(chuàng)木烯的生物合成，并鑒定了相關基因。[14]

奇華頓最近的一項專利申請中提到，利用表達葡萄和廣藿香倍半萜合成酶的重組微生物從金合歡基二磷酸生產(chǎn)α-愈創(chuàng)木烯和莎草奧酮，以及沉香屬（agarwood）的氧化酶。[15] 該專利提到微生物可以在體內(nèi)從糖中生產(chǎn)金合歡基二磷酸，但該特定點未在所有權中列出。在另一系列專利中，提出了一種酶法從α-愈創(chuàng)木烯和α-布藜烯中提取莎草奧醇的方法。[16] 它基于漆酶的使用，在存在或不存在化學介質(zhì)（例如1-羥基苯并三唑）的情況下，并特別指出起始的倍半萜烯可以被廣藿香精油的輕餾分所取代，這些輕餾分通常含有不同比例的α、β和δ-愈創(chuàng)木烯、塞舌爾烯和β、δ-廣藿香烯。考慮到漆酶的已知反應性，通過α-愈創(chuàng)木烯的直接烯丙基氧化形成莎草奧醇后，很可能在其他氧化產(chǎn)物中也會獲得莎草奧酮（方案2）。[17]

銀杏生物工程公司最近提交的一項專利申請描述了通過使用由稀有或滅絕植物（如野木槿屬、大花白楊屬、長毛錦雞兒屬、托葉錦雞兒屬、虎杖屬，和溫特迪亞狹葉屬）核酸序列組裝而成的嵌合萜烯合成酶，形成倍半萜烯和倍半萜類化合物，包括愈創(chuàng)木烯及其衍生物。[18]

方案二. 將α-愈創(chuàng)木烯和α-布藜烯轉化為莎草奧醇和莎草奧酮。

檀香木（檀香屬）

檀香油是另一種重要的木本天然成分，它是通過水蒸氣蒸餾檀香木心而獲得的。東印度的品質(zhì)來源于檀香。檀香通常產(chǎn)于印度尼西亞和斯里蘭卡，最近在西澳大利亞北部的種植園中也有種植。[19] 檀香油主要由倍半萜烯醇組成，其中(Z)-α-檀香醇和（Z）-β-檀香醇占80-90%。公認這些檀香醇也是檀香香氣的主要貢獻物質(zhì)，歸因于(+)-(Z)-α-檀香醇和(-)-(Z)-β-檀香醇對映體。最近的生物合成研究揭示了一種常見的倍半萜合酶在檀香屬植物中的作用，它可以將金合歡基二磷酸轉化為α-和β-檀香烯、反式β-香檸檬烯、表-β-檀香烯和(Z)-β-金合歡烯。[20] 通過P450單加氧酶對α-和β-檀香烯的前-(Z)甲基進行化學選擇性羥基化，形成檀香的芳香倍半萜醇。[21]通過在重組細胞中克隆這些基因，可以工業(yè)化實施發(fā)酵過程，以提供2020年5月推出的Dreamwood?配料（方案3）。[22]

方案3. 由檀香屬植物倍半萜合酶（SS）將金合歡基二磷酸生物轉化為α-和β-檀香烯混合物，然后通過P450單加氧酶進行化學選擇性羥基化。

重組生物產(chǎn)生的純分子

降龍涎醚Ambrox

降龍涎醚是一種倍半萜類化合物，有許多商標名（Ambroxide?、Ambroxan?、Ambrofix?、Ambermox?、Ambermor?、Ambrox?super）。這是動物原料龍涎香的氣味原理，龍涎香是抹香鯨（Physetter macrocephalus）的一種病理性分泌物。

開發(fā)了可行的合成路線，來避免道德、經(jīng)濟和供應問題。二萜二醇-雪松酚的半合成已建立，該化合物是制造鼠尾草精油（Salvia sclarea）的副產(chǎn)品。然而，由于鼠尾草精油的穩(wěn)定和適度消費以及降龍涎醚的大量和日益增加的使用，這種耦合制造工藝不能滿足對雪松醇的需求。通過生物合成克隆鼠尾草中的雙（香葉基）二磷鹽所涉及的兩種酶后，產(chǎn)生共表達成團泛球菌和雙（香葉基）二磷鹽以及兩種二萜合成酶的工程可獲得大腸桿菌菌株（方案4）。[23]因此，從30 g/L甘油作為碳源開始，形成高達1.5 g/L的雪松醇，以及15%的13-表-香紫蘇醇。隨后進行了進一步的優(yōu)化研究，包括代謝工程。[24]

方案4. 雙（香葉基）二磷鹽制備的香葉醇和降龍涎醚。

同樣，也可以從表達煙草（Nicotiana glutinosa）的賴百當醇合成酶和香紫蘇醇合成酶的重組微生物中生產(chǎn)香紫蘇醇，并通過各種已知反應進一步轉化為降龍涎醚。[25]

通過(E)-β-金合歡烯得到龍涎呋喃Ambrofix?

生物技術公司Amyris成功開發(fā)了利用改性酵母的生物技術制造工藝，生物基(E)-β-金合歡烯已成為一種商品化學品。在釀酒酵母中，(E)-β-金合歡烯通過黃花蒿金合歡烯合酶的異源表達由金合歡基二磷酸(FPP)產(chǎn)生。可接受的生產(chǎn)力要求金合歡烯合酶的異源表達和內(nèi)源性甲羥戊酸途徑酶的過度表達，以持續(xù)向酵母提供金合歡基二磷酸(FPP)。從培養(yǎng)液中分離出來的高濃度(E)-β-金合歡烯可被釀酒酵母所耐受，從而具有良好的生產(chǎn)力（對于100 g葡萄糖，高達23.8 g（(E)-β-金合歡烯）。[26](E)-β-金合歡烯因此可以通過末端雙鍵的化學選擇性和立體特異性環(huán)丙烷化，然后在水中通過Bronsted酸催化開環(huán)，分兩步化學轉化為(E,E)-均金合歡醇。[28](E,E)-均金合歡醇然后通過角鯊烯-霍普烯環(huán)化酶（SHC）酶環(huán)化為(-)-龍涎呋喃(Ambrofix?)，該酶可由微生物分離或異源表達（方案5）。[29]可以通過隨機誘變優(yōu)化產(chǎn)自酸乳桿菌的SHC，表達SHC變體的大腸桿菌菌株，使高達188 g/L(E,E)-均金合歡醇在SDS作為表面活性劑存在的最小72小時內(nèi)轉化。[30]

方案5.(E,E)-均金合歡醇通過角鯊烯-霍普烯環(huán)化酶（SHC）環(huán)化成(-)-龍涎呋喃。

同樣，巴斯夫的一項專利提到了一種均金合歡醇龍涎香烷環(huán)化酶，它可以從檸檬醛中得到(-)-降龍涎醚?。[31]

龍涎縮醛(amber oxepin)（又名amberketal）商標為Z11?[32]，在生物技術香料成分組合中是獨一無二的，因為它最初是50年代發(fā)現(xiàn)的一種人工成分，當時進行大量的合成工作來完成的龍涎香致香分子。龍涎縮醛可從香紫蘇醇、淚杉醇或香紫蘇醇氧化物中發(fā)酵得到，然后經(jīng)過清潔氧化和縮醛生成。因此，它是以生物為基礎的，過程是可持續(xù)的，但不能被認為是自然的。

深冬烯Zizaene

香根草精油是通過對海地、印度尼西亞、巴西、留尼汪島或斯里蘭卡的香根草進行水蒸餾而獲得的，是一種珍貴的天然成分，具有木香、壤香、琥珀香的香氣。分析化學家認為它是使用的香料中最復雜的天然物質(zhì)之一。[33]香根草精油中的幾種氣味影響成分具有共同的深冬烷骨架，例如深冬酮、深冬醇、深冬-3-醇、和表-2-深冬烯-6(13)-烯-3-酮，見（方案6）。[34]

參與香根草中的(+)-深冬烯萜烯合酶已與甲羥戊酸鹽途徑相關的基因一起轉移到重組大腸桿菌中。[35]因此，可以提出將葡萄糖的工程化全細胞生物轉化直接轉化為(+)-深冬烯。改性大腸桿菌菌株在兩相DNB發(fā)酵液/異辛烷中進行發(fā)酵，并在優(yōu)化條件下輸送高達25 mg/L(+)-深冬烯（由10%的β-菖蒲二烯形成），初始進料為5 g/L葡萄糖。

最近獲得了一項專利，可通過發(fā)酵進一步經(jīng)過傳統(tǒng)有機合成得到5-表-β-香根草酮和相關致香成分，從而獲得豆腐柴螺二烯（一種螺旋二烯倍半萜）。[36] β-香根草酮是一種具有螺癸烷骨架的成分，是香根草精油香氣中的一種貢獻成分，具有果香和木香香氣。

方案6. 來自參考文獻[34]，香根草精油中發(fā)現(xiàn)的具有深冬烷骨架的香氣影響分子

諾卡酮Nootkatone

含氧倍半萜諾卡酮是香根草和柑橘精油的一種成分，在葡萄柚香氣方面起著重要作用，通常與乙酸香根草酯有關。[34]巴倫西亞橙（Citrus x sinensis Valencia）精油中的倍半萜碳氫化合物瓦倫烯可通過化學選擇性氧化得到諾卡酮。一個編碼瓦倫烯合成酶的基因可在重組細菌細胞中異源表達，并允許通過濃度高達356 g/L的金合歡醇二磷酸從碳源（如葡萄糖）生產(chǎn)瓦倫烯。[37]（生物）化學氧化可將瓦倫烯轉化為諾卡酮，已知酶反應可選擇性地提供所需的異構體（方案7）。[38]

最近，月桂烯等單萜烯烴也吸引了生物技術公司的興趣。[39]從羅勒屬植物和香葉基二磷酸鹽中克隆出一種月桂烯合酶，從冬青櫟、大冷杉、金魚草、擬南芥、粗山羊草屬植物、石蒜科六出花或歐洲云杉中克隆出一種香葉基二磷酸合酶，并在微生物重組有機體中表達，以產(chǎn)生月桂烯，以及其他萜烯，如α-和γ-萜烯，來自碳源，如單糖（如葡萄糖）、雙糖（如蔗糖）或不可發(fā)酵碳源（甘油）。雖然月桂烯本身在嗅覺上并不引人關注，但生物基月桂烯可以轉化為各種有價值的產(chǎn)品，從而部分或完全生物基化。

方案7. 從葡萄糖到諾卡酮的生物催化途徑。

在另一項專利申請中聲稱，用編碼整個甲羥戊酸途徑的基因和所選萜烯合酶轉化的重組細胞可將乙酰輔酶A轉化為香茅醛和香茅醇。[40]

麝香酮Muscone

除萜烯類外，還利用重組生物制備了麝香酮等大環(huán)化合物，動物原料麝香、麝香酮和麝香酮的氣味原理。[41]L-異亮氨酸被用作前體，為甲基取代的不對稱碳原子提供了正確的絕對構型。在轉氨酶的作用下，L-異亮氨酸轉化為(S)-2-氧代戊酸-3-甲酯。

轉酮酶活性傳遞(S)-2-甲基丁醛，進一步氧化為(S)-2-甲基丁酸，硫酯化為(S)-2-甲基丁酸輔酶A。

然后，后者通過脂肪酸合成酶結合到(S)-反異脂肪酸生物合成中，導致14、16或18個碳原子鏈。末端位置的氧化產(chǎn)生相應的二元酸，進一步轉化為其二元酸輔酶A并環(huán)化為麝香酮，可能通過環(huán)縮合/水解/脫羧（方案8）。

方案8. (R)-麝香酮的多步生物催化合成。

(Z)-3-己烯-1-醇(Z)-hex-3-en-1-ol

草青香氣中的典型致香分子為(Z)-3-己烯-1-醇。開發(fā)了一種從亞麻酸（來自大豆粉）中提取13-脂氧合酶（LOX）和13-過氧化氫裂解酶（HPL）的生物技術方法，以獲得(Z)-3-己烯-1-醛，進一步還原為(Z)-3-己烯-1-醇。通過定向進化提高了從番石榴（番石榴）中分離的13-過氧化氫裂解酶的性能。經(jīng)過四個周期的基因改組和隨機突變，預期的產(chǎn)品產(chǎn)量增加了15倍。[42]

檀香醇Santalol

繼對桑塔烯合酶的研究（見上文）之后，巴斯夫于2020年7月收購Isobionics后向市場提供了一種可再生的生物技術桑塔洛爾。[43]

食用香料Flavors

由生物技術生產(chǎn)的天然等級的食用香料在市場上存在時間比香水中的日用香料成分要長。

因此，考慮到天然香蘭素與合成香蘭素相比的市場價格以及供應的不穩(wěn)定性，生物技術生產(chǎn)的天然香蘭素，無論是在全細胞發(fā)酵過程中還是在分離酶中，仍然是一個熱門目標。[44]從天然和可用的起始材料，如阿魏酸[45]、丁香酚[46]、和姜黃素，開發(fā)了幾種路線。[47]經(jīng)過多種酶工程的重組微生物現(xiàn)在能夠將葡萄糖轉化為香蘭素和香蘭素β-D-葡萄糖苷，后者對微生物毒性較小。[48]其他帶有水果香氣的天然香料，如呋喃酮（草莓香氣）和羥苯基丁酮（覆盆子香氣），是最近研究開發(fā)可行生物技術路線的重點。

用分離酶優(yōu)化天然復合物

如果整個細胞過程對于多步合成和明顯的從頭合成特別有效，當只需要一個反應來轉化現(xiàn)成的起始材料時，分離酶可能是更好的選擇。固定化技術有很多種，酶可以附著在幾乎任何類型的載體上（有機、礦物、疏水、親水、天然、合成、磁性……），允許其回收和再循環(huán)或在連續(xù)過程中使用。[51]另一方面，考慮到酶的底物特異性，它們已被用于與天然復合物（NCS）中單一化合物或有限數(shù)量的常見化學類別的化合物反應。因此，可以通過對化學成分進行受控、特定和選擇性的酶改性來優(yōu)化天然復合物的性質(zhì)。

香根草精油Vetiver essential oil

香根草精油（VEO）是一種重要的天然香料原料（見上文）。市場上可以找到幾種來源，也可以找到幾種特別產(chǎn)物，如具有某些特定嗅覺特征的分子蒸餾餾分、乙酰化衍生物或兩者的組合。富含倍半萜醇的粗香根草精油或分餾香根草精油確實可以進行乙酰化反應，以提供各種質(zhì)量的乙酸香根草酯。乙酸香根草酯是一種仍然屬于木香家族的致香成分，但具有琥珀和葡萄柚的香氣，壤香較少。

乙酸香根草酯通常是通過在催化劑存在或不存在的情況下，在溶劑中，加熱后將香根草精油或香根草精油輕餾分與醋酸酐進行乙酰化而獲得，并歸類為合成成分。

利用南極洲假絲酵母脂肪酶B的大底物混雜性，以天然乙酸乙酯為溶劑和酰基供體，通過酶乙酰化制備了香根草乙酸酯。[53]在這一過程中，由于所用的酶固定在丙烯酸樹脂上，可循環(huán)使用12次以上，且活性幾乎沒有下降，因此獲得了非常高的可持續(xù)性，使用生物基乙酸乙酯并在蒸發(fā)后循環(huán)使用，反應在室溫下幾小時內(nèi)進行。因此，首次以定量產(chǎn)量和千克規(guī)模生產(chǎn)出95%以上的天然乙酸香根草酯。有趣的是，詳細全面的GCxGC-MS表明，該反應與伯倍半萜醇發(fā)生化學選擇性反應，留下的仲醇和叔醇大部分保持不變。

橡苔凈油Oakmoss absolute

橡苔凈油是地衣橡苔(Evernia prunastri)的溶劑提取物，也是一種天然原料，近一個世紀以來，在素心蘭和馥奇香韻中一直用于制作精細香料。[54]橡苔凈油主要由單芳香化合物和縮酚酸類化合物組成，含有少量接觸性過敏原苔黑醛和氯化苔黑醛。2017年8月2日歐盟（EU）委員會第2017/1410號條例規(guī)定，自2021 8月23日起，不得在歐盟市場上提供含有這些物質(zhì)的化妝品。[11]

根據(jù)我們之前對丁香酚的研究，我們開發(fā)了一種基于過氧化物酶的策略，專門從橡苔凈油中去苔黑醛和氯化苔黑醛。[56]連續(xù)過程中的反應是，兩種芳香醛在pH為9的條件下通過過氧化氫進行Dakin氧化，然后在同一罐中通過辣根過氧化物酶HRP催化產(chǎn)生的鄰苯三酚衍生物進行氧化偶聯(lián)（方案9）。在這些氧化條件下，提出了一種由酶氧化開始的級聯(lián)反應，以解釋所形成產(chǎn)物的復雜性。[56a]該產(chǎn)品為水溶性產(chǎn)品，可通過液-液萃取簡單地從凈油中去除。

結果顯示，改良后的橡苔凈油中的苔黑醛和氯化苔黑醛含量僅為ppm。通過對56人的小組進行三角測試進行感官分析，結果表明，在99%置信水平下，無苔黑醛的凈油從嗅覺角度來看，與真實凈油沒有顯著差異。

方案9. 苔黑醛氧化為5-甲基鄰苯三酚，通過HRP觸發(fā)的氧化級聯(lián)反應生成稠合二聚體。

可持續(xù)性和天然性

生物催化是“自然”可持續(xù)的。[57]這不僅是因為反應是在水中進行的（而且在下游加工過程中有時需要溶劑來收集產(chǎn)品），而且是在接近室溫的溫度下進行的，還有許多其他方面的原因。考慮到著名的12條原則所指的綠色和可持續(xù)化學的4個主要項目，[58]可以列出以下可持續(xù)性應用生物催化的資產(chǎn)：

廢物預防

-高選擇性，僅提供所需產(chǎn)品（副產(chǎn)品較少）；

-高對映選擇性，能夠僅提供活性立體異構體，包括對映體重要的情況。這在芳香化學中尤其重要，因為手性很重要，可能會對氣味分子的性質(zhì)產(chǎn)生定性和定量的影響；[59]

-節(jié)約型，生物催化過程在添加劑、活化劑、保護基團等方面的有限要求，主要歸功于酶的高度特異性；

-天然等同分子的生物降解性，其降解生物化學級聯(lián)已經(jīng)存在或很容易被活生物體激活。

資源

-使用的酶是穩(wěn)定的可再生生物催化劑，而不是石化化學試劑，因此消耗資源，有時保質(zhì)期有限；

-當估計生物量的50%由碳水化合物組成時，葡萄糖可以用作碳源；

-通常從天然基質(zhì)或生物基質(zhì)開始。

安全

-水作為一種不易燃、無毒的溶劑，不存在放大的風險。然而，工業(yè)廢水在排放前需要進行處理，主要是為了去除微生物病原體和重金屬。

-很少需要外部安全；

-除過敏性外，在處理過程中或接觸時，酶不被視為有害物質(zhì)；

-無需特殊安全工藝的高壓/高溫、自燃或含能材料。

有限的監(jiān)督

-使用生物技術方法去除被標記為健康問題的特定管制化合物可以提高投放市場的產(chǎn)品的安全性。

有力的節(jié)制

-室溫工藝，意味著沒有加熱或冷卻，這在工業(yè)上是昂貴的操作。

度量標準

用單一指標衡量所有這些因素和影響并非易事。一般來說，考慮同質(zhì)的影響組，并以相對方法而非絕對方法比較成分或過程，更方便、更具洞察力。[61]一些倡議在行業(yè)內(nèi)蓬勃發(fā)展，以在其活動中實施和衡量可持續(xù)性，或多或少側重于與綠色化學直接相關的概念。法國Mane et fils公司在2010年初開發(fā)了綠色運動指標[62]，該指標基于0-100分制的對制造成分的健康、安全和環(huán)境影響的評估。

在法國，創(chuàng)新集群PASS（現(xiàn)為Innov'Alliance）于2018年與香料行業(yè)的12家公司建立了生態(tài)責任成分標簽（ERI-360）。[63]通過對農(nóng)業(yè)和制造過程以及社會方面的分析，可以將標簽歸因于不同程度的生態(tài)責任。2018年，德之馨開發(fā)了產(chǎn)品可持續(xù)性記分卡，以評估其解決方案的可持續(xù)性[64]和IFF“邁向循環(huán)未來”計劃。[65]

2019年，奇華頓啟動了“五碳之路”(FiveCarbon Path?)，作為“明天感”計劃的一部分，旨在增加可再生碳的使用，提高合成中的碳效率，最大限度地提高可生物降解碳，使用高抗沖擊材料提高“每碳氣味比”，并使用來自側流的向上循環(huán)的碳。[66]

繼2018年推出“生態(tài)氣味指南”(EcoScent Compass)之后，芬美意公司宣布于2020年6月推出“生態(tài)成分指南”(EcoComponent Compass)，這是一種新的專有工具，用于即時評估芳香分子的可再生碳、生物降解性和綠色化學。[67]

社會

綠色化學的十二項原則并沒有真正解決社會影響，除了作為安全問題在全球范圍內(nèi)解決的健康問題。生物多樣性可能因大量消耗特定的植物或動物資源而受到威脅。如果出于道德原因，動物源性成分如今很少使用，那么一些珍貴的有氣味的木材，在過去幾十年中被大量開發(fā)，現(xiàn)在已被置于國際公約（如CITES）的保護之下，以避免其滅絕。消費者可能對其生活方式的這些類型的影響很敏感。

代謝工程和合成生物學等新技術對非洲或其他地方發(fā)展中國家財富的影響是一些非政府組織關注的問題。[68]例如，香草種植和出口是馬達加斯加的重要經(jīng)濟資產(chǎn)，2018年占全球香草總市場的62%。香精香料行業(yè)的大多數(shù)大公司在可持續(xù)發(fā)展計劃中都考慮到了這一點，以同時提高農(nóng)民收入和農(nóng)業(yè)實踐。2020年夏季，IFRA和IOFI發(fā)布了IFRA-IOFI可持續(xù)發(fā)展憲章。[69]

經(jīng)濟可行性

與傳統(tǒng)工藝相比，白色生物技術工藝的經(jīng)濟可行性問題是合理的，尤其是在產(chǎn)品濃度和生產(chǎn)率較低的情況下，并且在評估其工業(yè)實施情況時始終至關重要。[70]

對于商品化學品，銷售價格取決于原油價格的變化，[71]對于包括香料成分在內(nèi)的精細化學品，則取決于關鍵中間體的短缺問題。[72]

如果我們考慮工業(yè)生物技術可行性的一般方面，我們可以大致按增值過程遞減順序確定3類化學品：原料藥、精細化學品、中間體和商品。在過去二十年中，工業(yè)上越來越多地實施生物技術工藝，最終產(chǎn)生了非常有價值的手性原料藥，如西他列汀[73]（在優(yōu)化的最終工藝中，酶可以耐受200g/L濃度的底物），總收率提高（13?%）和生產(chǎn)力（53?%）與化學過程（過渡金屬基不對稱催化）相比。研究了生物基商品的最低售價（MSP），并確定與傳統(tǒng)的石化生產(chǎn)工藝相比，有效量≥45g/L可降低生產(chǎn)成本、能耗和溫室氣體排放。[74]

在香精成分的特殊情況下，它取決于成分和策略，當一種成分可以保持受控狀態(tài)時（非商用，僅用于擁有它的香料公司的香水成分中，并用作識別標志）。在某些特定情況下，它還取決于天然成分價格的變化。

天然性

從孟德爾的人工植物雜交[75]到代謝工程和分子工具的基因選擇和編輯[76]，我們應該如何根據(jù)科學輸入定義自然性？這些領域正在迅速擴展，通過實施組學、硅模擬和深度學習算法，加快生物成分的選擇、組裝和協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)從廉價元素來源生物合成有價值的化學品。另一方面，消費者認為精油是高度天然的物質(zhì)，盡管在潮濕條件下100°C加熱萜烯是進行水合、脫水和異構化反應等的合適方式。人工的定義更簡單：在自然界中從未見過，因此是由人類大腦設計的。然而，如果一種化合物后來在自然界中被發(fā)現(xiàn)，那么它的人工狀態(tài)可能會發(fā)生變化。自然界中相同的分子應該享有特殊的地位，因為它們在代謝組中的存在具有進化的合理性，并且因為自然界知道如何處理這些分子，并最終處理這些分子。

自然界中未知但在涉及轉基因的發(fā)酵過程中產(chǎn)生的分子的狀態(tài)仍然是一個懸而未決的問題。盡管經(jīng)過轉基因改性，但轉基因生物仍然是活的有機體，其任何代謝產(chǎn)物都應被視為天然產(chǎn)物。Clearwood?和Akigalawood?等成分是臨界物質(zhì)的很好例子，可以它們的自然性被證明。前者由轉基因活生物體制成，但產(chǎn)生了自然界其他地方從未見過的代謝物；后者是一種人造成分，使用酶從天然原料制備而成，雖然天然，但幾乎不應將其視為活的生物體。由于具有幾乎無限的能力來改變細菌宿主的代謝，這最終意味著任何分子都應該是白色生物技術“天然”制造的，因此“天然分子”一詞將失去意義。擠壓柑橘類水果并聞其氣味可能是聞到真正天然氣味的最可靠方法。

觀點

生物技術工藝在香料行業(yè)的應用以及最近推出的香料成分的成功無疑表明，該領域在未來將繼續(xù)增長。這些方法不僅積極平衡了世界偏遠地區(qū)生產(chǎn)的原材料供應問題，有時還受到外部因素（氣候變化、自然災害、政治變化、短缺……）的影響，但這些工藝也符合對可持續(xù)成分和工藝日益增長的需求。如果這些高科技的基因科學操作似乎保留給大公司，那么用于轉移、表達和純化的基因編輯工具和配件的普及必將在不久的將來允許在該領域得到更大的應用。專門從事這類活動的小公司也在這方面與F&F公司建立了合資企業(yè)。

在Gingko生物工程提交的上述專利中，通過選擇稀有或已滅絕植物DNA中的部分基因構建了嵌合萜烯合成酶。[18] 這種方法可能導致前所未有的生物合成步驟組合，從而產(chǎn)生新的倍半萜結構或倍半萜衍生物的原始混合物。

然而，轉基因生物的問題對某些企業(yè)和產(chǎn)品仍然很敏感，一些終端消費者不愿意接觸轉基因生物或通過使用轉基因生物獲得的產(chǎn)品，有時對實際發(fā)生的事情缺乏了解。此外，在環(huán)境中意外釋放的轉基因生物可能會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生無法控制的影響。這個問題必將影響代謝工程和合成生物學領域的未來。另一種解決方案是使用野生酶，即使研發(fā)和開發(fā)階段仍然可以使用異源表達產(chǎn)生的酶，并使用外部方法而不是基因操作來達到目標反應性：底物濫交、催化濫交和媒介濫交，研究實驗室已經(jīng)研究了多年。[52, 77]

生物技術可以與更好地理解人類嗅覺系統(tǒng)一起使用，通過刺激大約400個人類嗅覺受體來重建自然香氣特征。[78]

考慮到自然性的難以定義，在未來可能僅限于未加工物質(zhì)，因此不應低估監(jiān)管機構在這一領域的影響。