随着消费者对天然食品的需求不断增长，包括对食物的需求，香料公司采用生物技术进行生产的内在动力大大增加。本文综述了利用微生物生物合成或生物转化的方法，以及在前体底物的合成和转化过程中所涉及的酶。更重要的是，本文综述了利用农用工业加工装置产生的丰富、廉价和营养丰富的木质纤维素废物作为固态发酵下微生物生产风味化合物的潜在底物。这篇文章为从农副产品残留物中生产重要香料的高效和低成本过程的发展提供了见解。生物技术还将有助于安全、环保地处理农业产生的废物。

　　风味的感觉是由具有不同物理化学性质的挥发性和非挥发性化合物组成的复杂基质所刺激的。纵观历史，人们从植物中提取简单或复杂的风味化合物。随后对这些化合物分子结构的阐明，导致了它们的合成生产，现在几乎所有的食用成分都是用这种方式生产的。然而，随着消费者对天然食品的偏好日益转变，通过化学合成生产的食品不能被贴上“天然”的标签。此外，化学生产是不环保的，缺乏基质敏感性，导致形成风味不良的外消旋混合物(Longo和Sanromán, 2006)。相反，从植物中提取天然食物的过程也有局限性。这些问题包括浓缩极低浓度的风味化合物的高成本、对季节和气候条件的依赖以及与提取相关的生态问题。

　　此外，微生物转化或合适基质的生物转化是生产“天然风味”的一种环境友好和成本效益高的替代方法。这包括使用(a)微生物培养物作为食品的组成部分和(b)微生物或其酶将适当的底物生物转化为所需的风味化合物，然后从反应介质/发酵液中提取它们(图1)。在后一种情况下，固态发酵(SSF)是一种微生物在没有自由流动水的情况下在固体载体上生长的过程(Singhania等人，2009年)，显示出了前景。最近，食品和农业残留物的SSF作为一种生产酶、香料、着色剂和其他与食品工业有关的化合物的手段受到了关注。与沉浸式发酵相比，SSF具有许多优势，如更高的产量、更低的能源需求、高效利用和废物增值(Cerda等人，2019年)。

　　富含碳水化合物和其他营养物质的粮食和农业废物大量产生，可作为生产散装化学品和其他化合物的固体碱降解基质。这些底物还含有各种不同浓度的生物活性代谢物，包括风味化合物，这些化合物可以通过微生物发酵或酶催化获得。这篇综述讨论了微生物培养及其酶在从农业残留物中产生香气和风味化合物的潜力，用于食品工业。

　　食品的感官特征包括它的味道、风味和香气。在所有这些参数中，香气是决定其接受度和市场成功的最强大的特征之一(Berger, 2009)。芳香和风味化合物可分为酸、碳氢化合物、醛、醇、酮、酯或内酯(Bicas等人，2010年)。根据芳香化合物的化学结构进行分类如图2所示。自远古以来，微生物被用于许多食物的风味生产。葡萄酒、啤酒、发酵蔬菜和牛奶、大豆、火腿、醋和酱油等产品都是通过微生物保存、改良和调味的。如前所述，微生物菌株可用于生产风味化合物，既可在发酵食品中就地生产风味，也可在适当的基质中提取风味，随后用于不同的食品中(Longo和Sanromán, 2006)。下面讨论在食品工业中使用的最重要的一组香料，以及它们由微生物生产的过程:

　　内酯是γ-和δ-羟基酸的环酯，它们具有椰子香、奶油香、甜香、果香或坚果香。在各种微生物发酵过程中生产内酯的生物技术路线已被许多研究者所研究。例如，Collin和Halim(1972)报道了具有椰子香气的6-戊基-2-吡咯酮是绿色木霉培养物中的主要挥发性风味成分。其他一些真菌，如接骨木干酪菌(Tyromyces sambuceus)和枝孢霉(Cladosporium suaveolens)也产生椰子风味，释放内酯，即分别来自蓖麻油酸和亚油酸的γ-癸内酯和δ-十二内酯(Kapfer et al.， 1989;Allegrone et al.， 1991)。酵母菌如热带念珠菌和解脂耶氏酵母可以将蓖麻油酸降解为C16、C14和C12酸，并积累δ-癸内酯，显示出果香味和油香味(Gatfield, 1999)。同时，Fadel等人(2015)确定6-戊基- α -吡酮是由接骨木干酪菌 EMCC-107在甘蔗渣固态发酵过程中产生强烈椰子香气的原因。此外，当酵母Lindnera saturnus CCMA 0243和解脂耶氏酵母 CCMA 0242在残余蓖麻油中生长时，可以获得δ - 癸内酯的积累(De Andrade et al.， 2017)。最近，Marella等人(2019)改造了解脂耶氏酵母，通过β-氧化使脂肪酸羟基化和链缩短，优先生成12或10个碳。研究发现，与野生菌株相比，工程菌株从油酸和亚油酸中产生的γ-十二内酯和δ-癸内酯的浓度是野生菌株的4倍，从而为通过发酵可用的脂肪原料生产更高的内酯铺平了道路。通过微生物途径产生的乳香、黄油味和椰子味内酯的风味在乳制品中是非常可取的。

　　三酰储存脂肪酸，脂肪酸通过酶氧化降解从三酰中释放出来。大部分植物挥发物，包括羧酸、甲基酮、酯、醇和醛，都是由饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸通过α和β氧化产生的(Schwab等人，2008年)。乳制品风味脂肪酸如丁酸和乳酸可以由不同的乳酸菌产生(Marshall, 1987)。Madhavan Nampoothiri等人(2010)综述了各种乳酸菌(LAB)菌株的乳酸生产。除了乳酸菌，乳酸也可以由丝状真菌产生，特别是根霉(Meussen et al.，2012)。Meussen等人(2012)的一项研究发现，米根霉R. oryzae在不同的碳源上产生L-乳酸、富马酸和乙醇，乳酸是主要产物(Juturu和Wu, 2016)。这些脂肪酸的乳制品风味在许多食品和饮料中都是可取的。

　　萜烯是一种挥发性不饱和碳氢化合物，可向植物精油传递赋予特有的气味(Janssens et al.， 1992)。在所有微生物中，真菌主要负责产生萜烯，一个典型的例子是角孢菌属(Collin and Halim, 1972)。研究发现，念珠状角囊藻菌(Ceratocystis moniliformis)形成的萜烯数量与植物中形成的萜烯数量相似(Lanza and Palmer, 1977)。Zhao等人(2010)观察到，接种了Ceratocystis polonica后，挪威云杉(Picea abies)的萜烯产量显著增加。而大型真菌(Trametes odorata)和各种种类的黄曲霉也产生单萜(Welsh et al.， 1989)。在King和Dickinson(2000)的一项研究中，发现了三种酵母——酿酒酵母、德尔布鲁奇酵母(Torulaspora delbrueckii)和乳克鲁维酵母(Kluveromyces lactis)——能将萜烯生物转化为单萜醇，即香茅醇、芳樟醇和橙花醇。同样，酿酒酵母菌(Carrau et al.， 2005)产生的芳樟醇和柑橘醇(citranool)被发现在葡萄酒中积累。Chen等人(2014)从乳克鲁维酵母菌株KL71发酵的荔枝酒中提取了萜和萜类化合物，其中香叶醇和香茅醇具有较高的气味活性值(oav)。在最近的一项研究中，两种角囊藻(Ceratocystis)的基因组功能注释确定了与各种萜类和挥发性化合物的生物合成相关的途径(Molano等人，2018年)。这些萜类化合物在食品香料工业中具有相当大的应用价值，特别是芳樟醇、橙醇、香叶醇和香茅醇，因为它们的感官阈值较低。

　　薄荷醇是一种萜醇，有强烈的清凉，薄荷气味和味道。它是从薄荷油中天然提取的，由百里香酚氢化合成。这种化合物被用于各种糖果和止咳糖浆中。枯草芽孢杆菌、犁头霉属(Absidia hyalospora)、念珠地霉(Geotrichum candidum)和两种木霉都能催化乙酸薄荷酯、丙酸酯、甲酸酯和肉豆蔻酸酯转化为薄荷醇和异薄荷醇(Moroe et al.， 1970)。红酵母属、木霉属、诺卡菌属、分枝杆菌属、芽孢杆菌属、红球菌属、根霉属、念珠菌属、汉森菌属、链霉菌属、好氧菌属、节杆菌属、假单胞菌属、赤霉素属和环菌属也可将适当的底物生物转化为薄荷醇(Armstrong et al.， 1989;Chatterjee, 2004;Chandran等人，2011)。Toogood等人(2015)利用一株表达从胡椒薄荷中提取的“烯”还原酶和薄荷酮脱氢酶基因的工程大肠杆菌，用一锅法从薄荷酮中酶法生产薄荷醇和新薄荷醇。

　　念珠地霉(Geotrichum candidum)宏观和微观外观的变化。左边的照片显示了实验室里培养皿中菌落的生长。右边的照片显示细胞是用显微镜在400倍放大下拍摄的。上面两张照片显示了一个霉菌样菌株的例子。下面两张照片显示了一个类似酵母的菌株。

　　酯是最重要的化学基团之一，赋予水果，糖果的味道，并用于水果口味的乳制品(Longo和Sanromán,2006)。挥发性酯是啤酒、葡萄酒和清酒的果味、糖果味和香水味的主要成分。在这些挥发性酯中，乙酸异戊酯是酒精饮料中最显著的醋酸酯，具有独特的香蕉风味。第二个重要的基团是中链脂肪酸乙酯，包括己酸乙酯(大茴香)和辛酸乙酯(酸苹果香)。乳酸菌和几种酵母菌已知会产生这些水果酯(Longo和Sanromán, 2006)。Liu等人(2004)综述了乳酸菌、酵母、霉菌、丙酸菌和假单胞菌在乳制品中合成水果风味酯的生物过程。Saerens等人(2010)综述了酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)生产挥发性酯的过程。Layton和Trinh(2016)报道称，酿酒酵母属(Saccharomyces sp.)、产朊假丝酵母(Candida utilis)和汉逊酵母属(Hansenula sp.)在以葡萄糖为基础的发酵培养基中产生这些酯。然而，Walsh等人(2017)对发酵24小时的开菲尔乳进行了宏基因组测序，发现发酵早期的优势菌种是开菲尔乳杆菌(Lactobacillus keranofaciens)，而发酵后期的优势菌种是肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesentroides)。结果表明，微生物演替模式可用于优化发酵过程，增强发酵食品的特殊风味。另一方面，van Mastrigt等人(2018)证明，通过模拟奶酪成熟过程中细菌的缓慢生。