121-34-6 / 香草酸的應(yīng)用

背景^[1][2]

香草酸系統(tǒng)名“4-羥基-3-甲氧基苯甲酸”。分子式C₈H₈O₄。分子量168.14。白色針狀晶體。無氣味，能升華，不分解。熔點(diǎn)210℃。易溶于乙醇，可溶于乙醚，微溶于水。與三氯化鐵作用不顯色。香草酸是胡黃連有效成分之一。胡黃連苷類的結(jié)構(gòu)中分別含有香草酸基、阿魏酸基和桂皮酰基，水解后即為香草酸、阿魏酸和肉桂酸，香草酸是胡黃連的抗菌成分之一，測定其所含的香草酸量，可以作為衡量胡黃連質(zhì)量的指標(biāo)。

目前市場上的香草酸主要來源于植物提取，生物發(fā)酵合成，化學(xué)合成等。植物提取法，原材料成本較高，且需要培育大量植物，受天氣地域等影響較大，根本無法滿足市場的需求。生物合成香草酸的工藝，受到底物、菌株和酶的限制，轉(zhuǎn)化率不高，生產(chǎn)工藝并未能夠得到廣泛應(yīng)用。香草酸的化學(xué)合成工藝，主要以香草醛為原料，通過氧化(氧化銀)或堿熔（氫氧化鉀，240℃以下）制備，也有從3，4-二甲氧基苯甲酸部分脫去甲基而得的工藝。

其中氧化法制備面臨的成本高，污染大等缺點(diǎn)，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。而堿熔工藝存在反應(yīng)劇烈，安全性差，產(chǎn)能低等問題，工業(yè)應(yīng)用也不廣泛。而3，4-二甲氧基苯甲酸作為原料，相比香草醛價(jià)格昂貴，也不適合大規(guī)模生產(chǎn)。綜上所述，現(xiàn)在香草酸合成工藝安全性差，產(chǎn)能低，收率低，操作復(fù)雜，收率及純度也較差。

結(jié)構(gòu)

應(yīng)用^[2][3][4][5]

香草酸主要可用于香料或醫(yī)藥合成，如5-硝基香蘭酸，它可用于3，5-雙取代兒茶酚類兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶（COMT-I）抑制劑托卡朋(tolcapone)的合成，或作為合成利福霉素類抗生素(3-羥基甲氧基利福霉素，3-羥基利福霉素)生物合成的前體。

香草酸作為香莢蘭豆，香子蘭莢，胡黃連等植物的有效成分之一，國內(nèi)外對其抗菌消炎，抗氧化，抑制酪氨酸酶活性，化感作用，調(diào)節(jié)神經(jīng)，促凝血活性方面都有一定的研究，具有較好的活性，具有很好的市場前景。其應(yīng)用舉例如下：

用于香草醛的合成。香草醛，又名香蘭素(Vanillin)，化學(xué)名為3-甲氧基-4-羥基苯甲醛(3-methoxy-4-hy dro xybenzaldehyde)。是一種廣譜型高檔香料，被譽(yù)為香料之王，廣泛應(yīng)用于食品、飲料、香料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。年用量很大，產(chǎn)品多數(shù)為化學(xué)合成，純天然產(chǎn)品主要是從香子蘭花莢中提取，產(chǎn)量極少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求。

利用微生物轉(zhuǎn)化天然前體生產(chǎn)的天然等同(natur-identical ，NI)的香草醛，被稱為“生物香蘭素”，則可以替代天然香蘭素。具體方法是，篩選到1 株可以轉(zhuǎn)化香草酸生成香草醛的朱紅密孔菌SW-0203，通過培養(yǎng)基和轉(zhuǎn)化條件的優(yōu)化后，可以將1.682 g/ L 的香草酸轉(zhuǎn)化成0.875 g/ L香草醛，摩爾轉(zhuǎn)化率為57.5%。在25 L 罐上進(jìn)行放大試驗(yàn)，香草醛產(chǎn)量為0.818 g/ L，摩爾轉(zhuǎn)化率為53.7%。對轉(zhuǎn)化液中的產(chǎn)物進(jìn)行提取，得到純度為95 %的香草醛結(jié)晶，提取收率為63.9%。

此外，有研究采用酶動(dòng)力學(xué)方法研究了香草酸對酪氨酸酶單酚酶和二酚酶活力的抑制效應(yīng)，結(jié)果表明，香草酸對酪氨酸酶單酚酶和二酚酶活性均有抑制作用，導(dǎo)致單酚酶活力和二酚酶活力下降50%的香草酸濃度(IC50 )約分別為1. 3 mmo l /L和2. 6 mm ol /L。

香草酸能明顯延長單酚酶的遲滯時(shí)間，2 mm o l /L香草酸能使遲滯時(shí)間由1.1 m in延長至4.7 m in。香草酸對二酚酶的抑制作用表現(xiàn)為混合型抑制，對游離酶的抑制常數(shù)(KI)和對酶-底物絡(luò)合物的抑制常數(shù)(KIS )分別為1. 76 mm o l /L和8. 57 mmo l /L。

另外，還有研究探討酚酸類自毒物質(zhì)香草酸的自毒作用，研究其對花生種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，揭示根際土壤微生物在花生生育期內(nèi)對自毒物質(zhì)的響應(yīng)規(guī)律。以花生品種阜花12 號150GY 為試材，培養(yǎng)皿培養(yǎng)試驗(yàn)設(shè)6 個(gè)處理：0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.09 mmol?L-1 香草酸溶液；營養(yǎng)缽種植試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理：0、0.01、0.03、0.05、0.07 mmol?L-1 香草酸溶液；盆栽試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理：香草酸用量分別為0、0.01、0.03、0.05、0.07mg?kg-1干土。

分別研究外源添加香草酸對花生種子萌發(fā)、幼苗生長及根際微生物區(qū)系的影響。結(jié)果顯示：

（1）經(jīng)不同濃度香草酸溶液處理后，花生種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均低于CK，與對照存在顯著性差異。當(dāng)香草酸溶液濃度為0.09 mmol?L-1 時(shí)，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與對CK 相比分別降低39%、66.3%和55.9%，自毒效應(yīng)響應(yīng)指數(shù)達(dá)到最大值。

（2）經(jīng)不同濃度香草酸溶液處理后，花生幼苗的主根長、單株干重、葉綠素含量、凈光合速率和氣孔導(dǎo)度均低于CK，與對照存在顯著性差異，當(dāng)香草酸溶液濃度為0.07 mmol?L-1 時(shí)，各指標(biāo)與對CK 相比分別降低37.3%、40.0%、19.0%、53.9%和49.1%，自毒效應(yīng)響應(yīng)指數(shù)達(dá)到最大值。胞間CO2 濃度變化趨勢與以上指標(biāo)相反，隨香草酸濃度的增大而呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)香草酸溶液濃度為0.07 mmol?L-1 時(shí)，胞間CO2 濃度比對照提高46.1%。

（3）香草酸濃度≥0.03 mmol?L-1 時(shí)，花生根系總吸收面積、活躍吸收面積和根系活力（活躍吸收面積/總吸收面積）低于CK，葉片的MDA 含量高于對照，均與對照存在顯著性差異，當(dāng)香草酸溶液濃度為0.07 mmol?L-1 時(shí)，各指標(biāo)與對照相比分別降低22.4%，54.2%和40.6%，MDA 含量提高43.3%。

（4）根際放線菌數(shù)量在花生生育前期隨著草酸濃度的增大而顯著降低，進(jìn)入結(jié)莢期后各處理間差異不顯著。根際細(xì)菌數(shù)量在花生生育前期時(shí)各處理間差異不顯著，而進(jìn)入結(jié)莢期后隨著香草酸濃度的增大而顯著降低。高濃度的香草酸（0.07 mg?kg-1干土）對根際真菌生長具有抑制作用，而低濃度的香草酸（0.01 mg?kg-1 干土）對根際真菌生長具有促進(jìn)作用。

因此，香草酸對花生種子萌發(fā)和幼苗生長存在一定的抑制作用，香草酸亦會(huì)抑制花生幼苗的光合作用，降低根系活力，促進(jìn)幼苗葉片產(chǎn)生丙二醛。此外，不同濃度的香草酸溶液均會(huì)使花生根際細(xì)菌和放線菌的數(shù)量降低，抑制根際土壤中細(xì)菌和放線菌的生長繁殖，而對土壤真菌的影響呈現(xiàn)低促高抑的現(xiàn)象，即低濃度的香草酸溶液促進(jìn)花生根際土壤中真菌的生長；而高濃度則對真菌生長具有一定的抑制作用。

制備^[6]

將170g硝酸銀溶于1L水配成的溶液加到2L燒杯內(nèi)，攪拌下用44g97%氫氧化鈉溶于400ml 水所配制的溶液處理。將混合物攪拌5min，濾去氧化銀，并用水洗滌以除去硝酸鹽。將此氧化銀移至4L燒杯中，加2L水，在劇烈攪拌下，用200g氫氧化鈉固體處理。將混合物熱至55～60℃。繼續(xù)攪拌，加入152g香草醛。氧化銀轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘巽y，并放出大量熱。繼續(xù)攪拌10分鐘，過濾。用100ml熱水洗滌沉淀的銀。合并濾液和洗液，快速通入二氧化硫2min。在劇烈攪拌下將生成的溶液倒入1.1L的鹽酸(1：1)中，冷至15～20℃，過濾，冰水洗滌。抽干，產(chǎn)量140～160g，產(chǎn)率83～95%。

主要參考資料

[1] 合成香料產(chǎn)品技術(shù)手冊

[2] CN201820021553.9一種香草酸連續(xù)化生產(chǎn)設(shè)備

[3] 王明君, 鄭璞, 孫志浩, 等. 微生物轉(zhuǎn)化香草酸生產(chǎn)香草醛[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2004, 30(2): 43.

[4] 龔盛昭, 楊卓如, 林希. 香草酸對酪氨酸酶催化活性的抑制作用[J]. 精細(xì)化工, 2005, 22(12): 927-930.

[5] 黃玉茜, 楊勁峰, 梁春浩, 等. 香草酸對花生種子萌發(fā), 幼苗生長及根際微生物區(qū)系的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(9): 1735-1745.

[6]段長強(qiáng)等，現(xiàn)代化學(xué)試劑手冊(一)，化學(xué)工業(yè)出版社，507—508(1988)