香精香料的未来 — 拥抱合成生物学｜Bluepha Insights

最早的香料从植物中提取获得，随着合成化学的发展，逐渐被「人造」替代品所取代。然而，到 20 世纪末，天然香料重新流行起来。但是，如果可以利用合成生物学技术，通过微生物更高效、更可持续的生产香料，我们是否还要坚持从植物中提取呢？到 21 世纪末，香精香料会以什么样的方式来生产呢？

香料（Perfume）是一种能被嗅觉感知的香味物质。

人类使用香料的历史超过 5000 年，早在在公元前 3500 年的埃及皇帝曼乃斯的墓中，人们就发现有类似树脂香的香膏。中国在炎帝神农时代，也有采集药香植物来驱疫避秽的做法。《诗经·周颂》有云「有飶其香，邦家之光」。沐浴熏香，佩戴香囊曾经是一种时尚。

香精（Fragrance）是由各种单一的香料组合成各种香气的复合体。

从 19 世纪开始，全世界的香料工业得到快速发展，从食用到日用，人们越来越离不开各种香料成分。香料的各种成分经过技术调配变成香精。一款香精根据香气的不同，采用的香料由几十种到上百种不等，调香师采用调香技术将混合的香料融合成表现丰富的香精。

现代香料香精工业起源于欧洲和美国，二战以后，美国和日本在香料香精领域发展迅速。自上个世纪七十年代开始，随着全球经济的发展，尤其是发达国家经济的发展，生活水平不断提高，人们对食品、日用品的品质要求愈来愈高，促进了香料香精行业高速增长。

目前，欧洲、美国、日本已成为世界上最先进的香料香精工业中心，全球重要的香料香精生产企业均来自上述发达国家和地区，代表企业有瑞士的奇华顿和芬美意、美国国际香精香料、德国的德之馨，以及日本的高砂和长谷川等。这些国际大公司以香精为龙头产品带动香料行业的发展，同时通过控制关键香精的品种、技术来保持其领先地位。2013 年至 2019 年，全球前十家香料香精公司的销售额占全球总销售额约 75% 左右，呈现极高的市场集中度，尤其是奇华顿、国际香精香料、德之馨和芬美意四家公司，近年来其合计市场份额均保持在 50% 以上。

2019 年全球香精香料的市场规模达到 281 亿美元， 2015 年到 2019 年，复合年均增长率为 5.1%。预计到 2025 年，全球香精及香料需求将达到 315 亿美元。全球香精香料市场中，食用香精香料占比约为 56%，日用香精香料占比约为 44%。

早在二十年前，全球顶尖香精香料生产商就已经开始悄然布局生物技术领域。近期，这一动向越来越明朗，包括巴斯夫、芬美意、奇华顿和高砂香料在内的多家巨头纷纷通过收购和内部投资加强生物技术合作。

芬美意研究运营高级副总裁 Sarah Reisinger 指出，生物技术在香精香料行业的应用早在二十年前就出现了，但成本太高，消费者无力承担，随着技术进步，可行性越来越高。

● 2016 年，日本高砂香料收购了北卡罗来纳州的 Centre Ingredient Technology，通过其官网可以了解到，该公司目前的方向也是提倡利用前沿生物技术和可再生原料。

巴斯夫在公告中指出：「生物技术是公司应对天然原料需求增长，但植物来源原料采购面临困境的解决方案。」

与此同时，Manus Bio、Conagen 和 Ginkgo Bioworks 等生物技术行业新秀也在大力拓展生物香精香料产品组合。

● 萜烯专家 Manus Bio 长期与奇华顿合作开发一种创新可持续的食品原料，并可规模化量产用于商业化，预计将于 2021 年第四季度问世，该新原料的信息并未具体描述。此外，双方还将加强合作开发其他新原料。

Manus Bio 公司 CEO Ajikumar Parayil 指出：「已经有越来越多的生物技术香精香料投入生产，一旦发酵成本取得突破，将出现爆发性增长。」

Conagen 的合成生物学专家，创新副总裁 Casey Lippmeier 认为：「合成生物学能够提供超过 100% 的现有市场产品。除了制造自然界中存在的所有奇妙的分子之外，你还可以制造出全新的分子，而这些分子目前还不存在，这就是『超过 100%』的来源。」

■ 更稳定、更高效、更可持续

许多香精香料分子在植物中的含量极低，需要通过大片农田种植、收获再提取。这样的生产方式占地面积大、提取工艺复杂、容易受自然天气影响。比如，近年来因为柑桔黄龙病（Citrus greening disease）的蔓延，以及气候变化导致的温度异常和极端天气等等，导致葡萄橘和其他柑橘的生产量骤减。根据美国农业部数据， 1996-1997 年，弗罗里达州收获 5900 万箱葡萄柚，但 2021 年第一季度仅 460 万箱。与此同时，市场对天然柑橘味添加剂的需求在不断飙升。

而通过研究天然的生化反应途径，确定途径中所需酶的遗传密码，将其整合进特定的微生物底盘细胞，通过发酵罐生产，利用微生物将糖转化为目标分子，就能制造出我们所需要的香料和香精分子。发酵罐可以从几百升规模扩展到数千吨规模，这将大量节省农业用地，简化生产工艺，能够稳定的按订单量批次生产，既更有效，又更具可持续性。

微生物发酵另外的一个好处是，其本质上还是生物学，模仿了真实自然环境下的生化过程。在多数情况下，发酵所使用的酶和天然酶完全相同，能够生产许多化学工程无法合成的分子。

■ 发酵与植物提取的香味相同吗？

植物来源的香精香料含量极其复杂。比如香草精，主要的香味成分是香草醛，但是香草中的其他化学物质贡献了所有其他复杂的味道：烟熏，辛辣，植物，硫磺，甜味和奶油味等等。那么，发酵或者合成生物学能够完全实现植物提取物的复杂性吗？

香草中的天然香料可能包含 200 多种成分，但并不意味着所有的分子都是必须的。选择发酵分子的时候，不应该机械的复制天然香精香料的成分，而是先识别出哪些化合物是决定风味的关键分子，因为并非每个分子对风味和功能都很重要，有些分子没有任何作用，甚至会产生负面影响。比如，从甜菊叶中提取的甜菊糖苷（Stevia），富含 Reb A，给甜菊糖苷带来了苦味。而通过合成生物学，可以将 Reb A 转化为更美味的甜味剂 Reb M。

■ 香精香料、合成生物学与转基因

该领域的从业者喜欢将合成生物学比作计算机编程。编码 DNA 序列类似于设计计算机代码，随着高通量测序和寡核苷酸合成技术的飞速发展，编码 DNA 的成本以「超摩尔定律」的速度下降。我们可以将设计好的基因整合进酿酒酵母等微生物的基因组中，在发酵罐中加入葡萄糖等「饲料」进行培养，这些基因工程微生物就可以表达任何我们所需的产品。

利用合成生物学技术，香精香料分子可以由基因工程微生物直接表达，或者通过使用基因工程微生物的酶进行生物催化生产。

在美国，以这种方式生产的香精香料不属于转基因产品（GMOs），根据新的联邦标签法不需要贴上「生物工程」标签，因为最终的产品不含有任何基因工程微生物。

到 2099 年，香精香料行业会是什么样子？恐怕目前还没有人能回答这个问题。「但在未来十年，生物技术产品将占据 30% 的香精香料市场。」Blue California 的香精香料主管 Katy Oglesby 在 2021 年的 SynBioBeta 食品和农业会上如此说到。

「如今，正是生物技术的时代。」