آشنایی کامل با وانیلین: ترکیب، منابع تولید و کاربردهای آن

وانیلین (4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde، CAS Number: 121-33-5) از لحاظ ساختاری یک ترکیب آلدئیدی معطر با گروه های عاملی مختلف مانند کربونیلی، اتری و الکلی است (شکل 1 را ببینید). این ماده جامد سفید رنگ است، محلول در آب است و مهمترین جزء معطر موجود در وانیل طبیعی را تشکیل می دهد که مسئول بوی شیرین و کرمی آن است.

شکل 1: ساختار مولکول وانیلین

منابع طبیعی وانیلین 

گیاه وانیل اصالتاً مکزیکی است و یک ارکیده گرمسیری از خانواده Orchidaceae است که شامل بیش از 100 گونه مختلف است.  اما سه منبع اصلی آن با هدف استخراج وانیلین مرتبط هستند:

 Vanilla planifolia

 Vanilla pompona

 Vanilla tahitensis

 به طور خاص، مورد اول (Vanilla planifolia) به دلیل کیفیت غلاف و بازدهی، بیشترین کشت را در صنایع غذایی دارد، در حالی که آخرین مورد (Vanilla tahitensis) کمیاب ترین و در نتیجه گران ترین است. هزینه وانیلین طبیعی از حداقل 1250 دلار در کیلوگرم به 4400 در کیلوگرم می رسد.

ساختار وانیلین

وانیلین ماده اصلی طعم دهنده طبیعی وانیل است که پروفایل رایحه آن از بیش از 200 جزء تشکیل شده است و پس از زعفران یکی از گسترده ترین و گران ترین طعم دهنده ها در سراسر جهان است. این طعم دهنده نه تنها در صنایع غذایی و نوشیدنی استفاده می شود، بلکه در صنعت داروسازی به عنوان عوامل پوشاننده، عطرها و زمینه های آرایشی و بهداشتی نیز بسیار کاربرد دارد.

 اخیراً خواص زیست فعال وانیلین مانند محافظت از سیستم عصبی و فعالیت های آنتی اکسیدانی، ضد التهابی و ضد سرطانی آن نیز مورد توجه قرار گرفته و کاربردهای احتمالی آن را افزایش داده است. علاوه بر این، وانیلین پتانسیل زیادی را به عنوان یک واحد سازنده برای تهیه پلیمرها و به ویژه برای آنهایی که از بخش های معطر تشکیل شده اند نشان داده است.

وانیلین را می توان در تهیه پلیمر به عنوان یک تک-مونومر آروماتیک و همچنین بخشی از یک دایمر وارد کرد. با توجه به همه این دلایل و کاربردها، بازار جهانی آن در سال 2022،  627 میلیون دلار ارزیابی شده است. علاوه بر این، از نظر جغرافیایی منطقه آسیا-اقیانوسیه، بطور عمده چین و هند، بزرگترین بازار وانیلین را تشکیل می‌دهد،. انتظار می رود با توجه به افزایش جمعیت این منطقه، این قسمت از کره زمین همچنان بر بازار وانیلین تسلط داشته باشد.

تاریخچه وانیلین 

از دیدگاه تاریخی، وانیل در مکزیک در طی تسخیر اسپانیا بر جمعیت آزتک ها پدیدار شد. براساس مستندات، آزتک ها اولین جمعیت بودند که از وانیل به عنوان طعم دهنده نوشیدنی استفاده کردند.

 هنگامی که در حدود سال 1520 اسپانیایی ها فاتح مکزیک شدند، افسانه ها می گویند که آنها یک نوشیدنی جدید متشکل از شکلات و وانیل را چشیدند و تصمیم گرفتند این نوشیدنی شگفت انگیز را به اسپانیا وارد کنند. سپس وانیل در سراسر اروپا بسیار محبوب شد.

 در دهه 1800، ترکیبات وانیلی که از کشت دانه‌های وانیل به دست می‌آمدند شناسایی شدند و مشخص شد که ماده غالب آنها وانیلین است که در غلظت بیش از 1 تا 2 درصد (وزنی/وزنی) در غلاف وجود دارد. با این حال، حتی اگر پرورش گیاه ارکیده وانیلی و استخراج وانیل زمان‌بر و کاری فشرده باشد، باز هم از این روش استفاده می‌شود زیرا طعم به‌دست‌آمده منحصربه‌فرد و طبیعی است و بنابراین می‌توان از آن به طور مستقیم در غذا و نوشیدنی استفاده کرد.

روش‌های استخراج و تولید وانیلین 

 تقریباً 1000 کیلوگرم غلاف وانیل برای استخراج 2 کیلوگرم وانیل باید تحت استخراج قرار گیرد و هزینه آن نیز بسیار به در دسترس بودن غلاف بستگی دارد. علاوه بر این، کشت وانیل بسیار پر زحمت است و بنابراین کشاورزان از کشت آن در مقیاس بزرگ منصرف می شوند. به همین دلیل، امروزه تولید عصاره طبیعی وانیل کمتر از 1 درصد کل تولید وانیل را تشکیل می دهد و حدود 50 تن در سال در سراسر جهان است.

ماداگاسکار در حال حاضر بزرگترین تولید کننده وانیلین طبیعی است. علاوه بر قیمت بالای وانیلین طبیعی، تقاضای جهانی برای وانیلین بسیار بیشتر از عرضه ای است که می توان از منابع طبیعی به دست آورد. بنابراین، علاقه رو به رشد قابل توجهی برای توسعه روش های مقرون به صرفه و پایدار برای تولید آن وجود دارد.

روش‌های استخراج و تولید وانیلین 

 در اوایل قرن بیستم، شیمیدانان روشی را برای تهیه وانیلین مصنوعی با شروع از هیدروکربن های فسیلی مانند اوژنول توسعه دادند. در سال 1874، دانشمندان آلمانی فردیناند تیمان و ویلهلم هارمن ساختار شیمیایی وانیلین را کشف کردند، و در همان زمان سنتز وانیلین را از ایزواوژنول که در پوست درخت کاج یافت می‌شود، یافتند. فردیناند تیمان و ویلهلم هارمن شرکت Haarmann and Reimer (اکنون بخشی از شرکت Symrise است) را تأسیس کردند و اولین تولید صنعتی وانیلین را با استفاده از فرآیند خود (که اکنون به عنوان واکنش رایمر-تیمان شناخته می‌شود) در آلمان آغاز کردند. در سال 1876، کارل رایمر وانیلین  را از گایاکول سنتز کرد.

روش‌های بیوتکنولوژیکی تولید وانیلین 

در حال حاضر، وانیلین عمدتاً از طریق سنتز شیمیایی با استفاده از مواد پتروشیمی تولید می شود، که امکان تولید مقادیر زیادی وانیلین را با هزینه قابل توجهی کمتر (100 برابر ارزان تر از وانیل طبیعی) فراهم می کند. اخیراً استراتژی های بیوتکنولوژیکی مختلفی نیز به این منظور توسعه یافته است که عمدتاً بر اساس تخمیر میکروبی، استفاده از آنزیم ها و بهره برداری از مواد خام تجدید پذیر است.

در این مسیر، استفاده از لیگنین، یک منبع تجدیدپذیر فراوان، به عنوان ماده اولیه برای تولید وانیلین یک جایگزین جذاب است. لیگنین در واقع دومین پلیمر زیستی فراوان روی زمین است که 15 تا 30 درصد از جرم دیواره های سلولی گیاه را تشکیل می دهد. این ماده یک پلیمر معطر پیچیده است که با ناهمگنی و مقاومت آن شناخته می شود.

فرآیندهای صنعتی فعلی تولید کاغذ و خمیر، مقادیر زیادی لیگنین را به عنوان یک محصول جانبی تولید می‌کنند که بیشتر آن به عنوان سوخت کم ارزش سوزانده می‌شود. هر ساله بیش از 50 میلیون تن لیگنین از خمیر چوب و سایر صنایع زیستی پالایشگاهی استخراج می شود، اما تنها بخش کوچکی از آن، حدود 2 درصد، در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

 بنابراین تبدیل لیگنین به مواد شیمیایی با ارزش  افزوده بالا مانند وانیلین امروزه مورد توجه بیشتری قرار گرفته است زیرا نه تنها می تواند به یک چرخه اقتصاد زیستی پایدار کمک کند بلکه وابستگی ما به منابع فسیلی را نیز کاهش دهد.

کاربردهای وانیلین 

جنبه دیگری که می تواند مورد تاکید قرار گیرد، این واقعیت است که وانیل مشتق شده از لیگنین را می توان در بسیاری از زمینه ها یک محصول طبیعی در نظر گرفت، بنابراین می توان آن را در همه کاربردهایی که محصولات طبیعی مورد نیاز است یا ترجیح داده می شود استفاده کرد (به عنوان مثال، مواد غذایی، آرایشی و بهداشتی و فرمولاسیون های دارویی). بنابر آخرین آمارهای بدست آمده، در حال حاضر حدود 15 درصد از تولید سالانه وانیلین (حدود 20000 تن در سال) از لیگنین به دست می آید.

خواص زیست‌فعال وانیلین

امروزه وانیلین تجاری را می توان بر اساس منشاء آن دسته بندی کرد. نمودار خلاصه ای از انواع اصلی وانیلین تجاری از جمله منابع و سهم بازار در شکل 2 گزارش شده است. اولین سوال در مورد تولید وانیلین این است که آیا این یک محصول زیست-پایه است یا خیر. در حالت اول، زمانی که منبع وانیل عصاره وانیل یا غلاف وانیل باشد یا زمانی که وانیلین گیاهی از روش بیوتکنولوژیکی ترکیباتی مانند اسید فرولیک، اوژنول، ایزووژنول و گایاکول به دست آمده از منابع طبیعی مانند چوب، برنج، یا کاه باشد، وانیلین بصورت طبیعی تعریف می شود.

 از سوی دیگر، اگر وانیلین پایه زیستی نباشد، وانیلین مصنوعی است که از طریق روش های شیمیایی از محصولات بازیافت شده از روغن یا از پیش سازهای گیاهی به دست می آید. سهم بازار برای انواع مختلف وانیلین در شکل 2 گزارش شده است. وانیلین مصنوعی 88 درصد از بازار جهانی را به خود اختصاص می دهد، در حالی که وانیلین طبیعی از غلاف تنها 1.5 درصد و وانیلین گیاهی 11.5 درصد را به خود اختصاص می دهد.

شکل 2: نمودار انواع مختلف وانیلین، منابع و سهم بازار مربوطه آنها.

علاقه زیاد به تولید وانیلین و خواص آن در میان جامعه علمی به وضوح با انتشار مقالات کامل متمرکز بر جنبه‌های مختلف وانیلین در چند سال اخیر نشان داده شده است. فعالیت های دارویی مربوط به وانیلین توسط آناند و همکارانش  بخوبی نشان داده شده است.

در سال 2019 و سپس در سال 2021 توسط آریا و همکاران چشم انداز درمانی این ترکیب بخوبی تجزیه و تحلیل شد. اخیرا، لانوزی و همکاران یک مرور کلی در مورد اثرات مفید آن برای سلامت انسان منتشر کردند. به طور خاص، آنها فعالیت آنتی اکسیدانی وانیلین را علاوه بر خواص ضد التهابی، ضد جهش زایی، ضد متاستاتیک و ضد افسردگی آن توصیف کردند.

آنها همچنین گزارش دادند که وانیلین اثرات محافظت کننده عصبی عجیبی را بر بیماری های عصبی مزمن و شرایط عصبی پاتوفیزیولوژیک نشان می دهد. در مورد تولید وانیلین، بانرجی و همکاران در سال 2019، دستاوردهای بیوتکنولوژیکی در این زمینه را مرور کردند. Martau و همکارانش در سال 2021، فرآیندی ممکن برای به دست آوردن بیووانیلین را شرح دادند.

 جانگ و همکاران اخیراً مروری بر فناوری‌های بیوسنتز وانیلین منتشر کرده‌اند که تبدیل زیستی اسید فرولیک را با استفاده از سویه‌های میکروبی بومی و همچنین میکروب‌های مهندسی شده توصیف می‌کند.

منبع:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10818928/