来源/聚美丽

作者/小栗子

2022年9月23日，合成生物技术碳捕捉公司LanzaTech与香精香料巨头奇华顿（Givaudan）达成了一项合作协议：双方将共同开发，利用合成生物技术碳捕捉，生产奇华顿产品组合中所使用的关键香氛成分。

近两年，合成生物学在化妆品研发中越发热门，有观点认为该技术能提供“超过100%”的市场现有产品，更有人将其称为“引起生产变革的新能源”。上述合作意味着合成生物学的这股“浪潮”也席卷到了香水香氛这一细分领域。

事实上，合成生物技术在香精香料的应用很早就引起了部分企业的关注，一些香精香料企业和生物公司也已经推出了具有香味的生物合成原料。

基因改造，以“细胞工厂”生产天然产物

LanzaTech的核心技术依托于一种名为“产乙醇梭菌”的自养微生物：该类细菌拥有最古老的碳固定代谢途径Wood-Ljungdahl，能够将两个二氧化碳分子转化成为乙酸。产乙醇梭菌，正如其名，这是一种能够天然固碳，最终生产乙醇的细菌。

根据专利对生产2-苯乙醇的描述显示，从Wood-Ljungdahl碳固定途径开始，产乙醇梭菌能够利用合成气天然产生“苯丙酮酸盐（Phenylpyruvate）”，以此为起始，通过设计导入异源酶基因（脱羧酶和苯乙醛还原酶），便可以实现2步反应生产得到2-苯乙醇。

研究人员还同时异源地表达了莽草酸盐途径的3个基因（DAHP合酶、莽草酸脱氢酶、双官能分支酸变位酶/预苯酸脱水酶），并进行了组合测试。

最终，在产乙醇梭菌改造了5个基因和组合测试下，LanzaTech的研究人员成功实现：利用合成气碳捕捉生产2-苯乙醇，产量为200mg/L。

文章开头所提到的该公司与奇华顿的合作也正是基于“产乙醇梭菌”的进一步改造，以生产出所需的香精香料成分。

芬美意科学家从广藿香植物中发现并分离出了广藿香醇合成酶的基因，将其植入酵母中，以蔗糖为起始原料，通过酵母发酵获得Clearwood®这款原料。

这款原料由于没有蒸馏过程，Clearwood®中不含铁离子，比起传统藿香油，不会出现氧化、变色、变质的情况。

广藿香油作为基础的木香原料，广泛应用于近40%的日化香精和高级香水配方中。Clearwood®可以像藿香油一样使用或高剂量使用，用以构建一种全新的木香香韵。它虽然富含藿香醇，但不会取代天然藿香油，从色谱对比图来看，与天然藿香油存在一定差异，可作为一种藿香香韵的补充。

但该原料的天然等级曾受到质疑，不仅是因为生产过程中出现了转基因生物（酵母经过基因改造），还因为存在广藿香醇乙醚，该物质未列入广藿香精油130种已公布的成分中，之前在自然界中也未被鉴定。

檀香油是另一种重要的木本天然成分，天然檀香油的传统提取方式是通过水蒸气蒸馏檀香木心而获得的。天然檀香油主要由倍半萜烯醇组成，其中(Z)-α-檀香醇和(Z)-β-檀香醇占80-90%，通常认为这些檀香醇是檀香香气的主要贡献物质。

生物合成研究揭示了一种常见的倍半萜合酶在檀香属植物中的作用，它可以将金合欢基二磷酸（FPP）转化为α-和β-檀香烯、反式β-香柠檬烯、(Z)-β-檀香烯和(Z)-β-金合欢烯。通过P450单加氧酶对α-和β-檀香烯进行化学选择性羟基化，可形成檀香的芳香倍半萜醇。

研发企业通过在重组细胞中克隆这些基因，可以工业化实施发酵过程，生产出Dreamwood®。

奇华顿在专利申请中表示，Akigalawood®的生产利用了表达葡萄和广藿香倍半萜合成酶的重组微生物，以FPP生产α-愈创木烯和莎草奥酮。该专利提到微生物可以在体内从糖中生产FPP，但该特定点未在专利说明中列出。之前的研究中已阐明了葡萄中α-愈创木烯的生物合成，并鉴定了相关基因。

莎草奥酮是一种有气味的倍半萜类物质，存在于多种天然产品中，尤其是红葡萄酒中，具有辛辣、木香的嗅觉感受。

Ambrofix®的生产采取了利用改性酵母的生物技术制造工艺。在改造的酿酒酵母中，金合欢烯合酶异源表达，FPP在该酶的催化下产生(E)-β-金合欢烯。且高浓度(E)-β-金合欢烯可被酿酒酵母所耐受，故该工艺具有较高的生产力。（100g葡萄糖可生产高达3.8 g的(E)-β-金合欢烯）

(E)-β-金合欢烯可通过两步化学反应转化为(E,E)-均金合欢醇，(E,E)-均金合欢醇通过角鲨烯-霍普烯环化酶（SHC）酶环化为(-)-龙涎呋喃，该酶可由微生物分离或异源表达。

龙涎香是抹香鲸（Physetter macrocephalus）的一种病理性分泌物，难以获取，该香料又较为知名，故龙涎香相关化合物的合成一直以来受到广泛关注。

芬美意曾推出Ambrox®Super和Z11®两项专利，均为龙涎香相关的成分（从目前透露的资料来看，似乎涉及生物技术，但与合成生物技术无关）。巴斯夫的一项专利也提到了一种均金合欢醇龙涎香烷环化酶，它可以从柠檬醛中得到(-)-降龙涎醚。

而通过发酵进行生物合成的龙涎香原料在规模上或许更具优势。

除上述描述的这些原料外，还有不少企业也推出了生物合成原料，例如：法国香精制造商Robertet曾联合Ginkgo Bioworks生产出具有强烈桃子气味的 γ-癸内酯以及玫瑰精油成分；巴斯夫和生物科技公司Conagen合作生产香兰素等等。

并且，一些相关的研究项目虽未实现产业化，但已经有了成果，合成生物学在香精香料上的研发正被持续推动着。

中科院大连化学物理研究所以酵母为细胞工厂，实现了香紫苏醇（龙涎香前体）高效生物合成，其产量达到20g/L；且其建立的分离纯化方法使得纯度能够达到99.8%。

2021年的国际基因工程机器大赛上，ELIXIO项目团队利用合成生物学线路，使用工程化的酵母与蓝藻，使其分别生产天然产物紫罗兰酮、芳樟醇和紫罗兰叶醛。同时，该团队利用合成微生物组共培养优势，循环利用二氧化碳，减少碳源的投入。

生物合成缓解香料困境——低成本、稳定、可持续

在过去，天然香精香料的来源主要是动物和植物。随着各国与动物保护有关的禁令相继发布，以及消费者对“零残忍”的要求不断提升，现在的企业尽量避免采用动物性原料。

而植物性原料受天气、地域等影响，质量和成本并不稳定；同时部分植物原料的获取需要时间的沉淀，其中一些植物已处于濒危状态等，这些都成为了制香产业亟待解决的问题。

为了应对上述问题，香精香料很早就开始探索取代天然原材料的方式，最初使用的便是化学合成方式，随着科技的发展，才将目光投向了生物合成。

无论是化学还是生物合成，合成技术都带来了许多好处：

1）能再现一些不易自然提取的或者濒危动植物的成分，如降龙涎醚的化学合成受到行业内的广泛关注；

2）能保证原材料的稳定性，合成在确定的环境和规划的流程下进行，避免了自然界的各种不确定因素以及致敏原；

3）能够降低生产成本。

但是，当今的消费者相比较化学合成，更崇尚“天然”，且化学合成生产中带来的环境污染也是一大问题。

通过基因工程，利用微生物生产出香味成分的方式比起化学合成更接近“天然”，这相当于为生产搭建了“生物工厂”。

且美国和欧洲现行法规显示，通过微生物发酵生产的生物合成产品，被认为是“天然”或基本上等同于“植物衍生产品”。相比之下，一些以石油成分为起始原料的化学合成香精香料不能贴上“天然”标签。除此之外，生物合成的方式对于环境也更加友好。

从长期视角来看，以合成生物学进行的原料生产成本更低，产量更高，也更可持续，这也引得多个香精香料巨头纷纷在这一技术领域布局。

△注：此表根据公开信息不完全统计

并且，在香水品牌端，一些生物合成原料已经被运用到香水和个护产品中。

例如，宝格丽极低冰峰男士淡香水的配方中就添加了Clearwood®作为基调，这是一款适合一年四季的木质调香水；范思哲迪伦蓝女士淡香水中也将此作为基调。

△图：左为宝格丽极低冰峰男士淡香水，右为范思哲迪伦蓝女士淡香水

芬美意的另一款合成原料Dreamwood®在不少产品中有所添加，例如冰希黎的泡沫情人和午夜紫檀精粹香水，前者整体为柑橘木香调，后者的尾调中则可以感受到Dreamwood®的檀香。

△图：左为泡沫情人，右为午夜紫檀

而奇华顿的Akigalawood®似乎在香水中应用得更为广泛，Miu Miu的两款香水（Miu Miu Eau de Parfume和Miu Miu L'Eau Bleue）均以此作为基调；Parfums de Marly Valaya则以此作为降调，整体为花香型果味调。

△图：左为Miu Miu香水，右为Parfums de Marly Valaya

随着合成生物学在香精香料的应用推广，香水香氛细分领域不仅能实现天然可持续，拥有质量稳定的来源，在新香味的开发上也将拥有更多可能。合成生物技术正推动着行业不断向前发展。