Brevet FR2661189A1 — publié le 19911025

La présente invention concerne un procédé de production de vanilline par bioconversion de précurseurs benzéniques. La vanilline est obtenue actuellement soit par synthèse chimique, soit à l'état naturel par extraction à partir de gousse de vanille. Le but de la présente invention est d'obtenir un procédé de production de vanilline simple à industrialiser et qui permette d'obtenir une vanilline qui puisse être considérée par les réglementations en vigueur, notamment dans les pays de la CEE comme naturelle Tel est le cas des produits obtenus par bioconversion de précurseurs naturels à l'aide de microorganismes. Pour ce faire, la présente invention a pour objet un procédé de production de vanilline caractérisé en ce qu'on effectue une culture de champignon Basidiomycète du genre Pycnoporus ou de leurs variants et mutants dans un milieu de culture dans lequel un précurseur benzènique de la vanilline a été ajouté et en ce que l'on récupère la vanilline produite après bioconversion dudit précurseur. De façon particulièrement appropriée, on utilisera le champignon de l'espèce Pycnoporus cinnabarinus. A titre de précurseur benzènique, on utilisera en particulier des dérivés en position 1 du 4-hydroxy-3-méthoxy-benzène, tel que l'acide vanillique ou l'acide férulique. Avantageusement, toutefois, on utilisera des précurseurs provenant de substrats végétaux naturels, de préférence riches en dits précurseurs On peut mentionner l'acide férulique présent dans les membranes cellulaires de nombreux monocotylédones et dicotylédones, telles que par exemple les cassettes de betteraves, sous produit de l'industrie sucrière, ou des grains d'aleurone du blé ou de différentes céréales Les sources naturelles d'acides féruliques sont donc relativement abaondantes Un autre précurseur benzénique d'origine naturelle utilisable selon l'invention est l'isoeugenol. D'autre part, des composés comme l'acide parahydroxy- benzoîque, le parahydroxy-benzaldéhyde, l'alcool vanillique et les stilbènes entre autres, peuvent être utilisés. Dans un mode de mise en oeuvre préférentielle du procédé selon l'invention, le champignon est tout d'abord cultivé en milieu liquide agité, et l'on n'ajoute le précurseur qu'après qu'une biomasse importante possédant les capacités enzymatiques optimum pour la bioconversion dudit précurseur soit obtenue. Ainsi avantageusement, dans le cas de la culture du champignon Pycnoporus cinnabarinus, le précurseur est ajouté lorsque la biomasse nécessaire est obtenue soit 3 jours dans les conditions de culture du milieu de l'annexe 2 décrit de façon détaillée ci-après. Lorsqu'on ajoute le précurseur en début de culture, la bioconversion en vanilline est observée mais avec des rendements beaucoup plus faibles. Dans un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, l'inoculum par lequel le champignon est inoculé dans le milieu de culture consiste en des fragments de mycelium ou des spores, ou des précultures de ces inocullum. On pourra introduire une quantité de précurseurs allant jusqu'à g/ml par milieu de culture. Dans le procédé selon l'invention, on utilisera au moins 15 fragments de mycelium pour 100 ml de milieu de culture et 105 à 107 spores/ml de milieu Le p H du milieu de culture peut être compris entre 2,5 et 6,5 La température d'incubation des cultures peut être comprise entre et 400 C. De façon avantageuse, on récupère la vanilline lorsque le précurseur n'est plus détectable dans le milieu culture et avant sa bioconversion en alcool vanillique. Pour récupérer la vanilline, on peut selon des procédés connus de l'homme de l'art, l'extraire des milieux de culture avec des solvants suivie d'une distillation, on peut aussi procéder à une cristallisation fractionnée ou à une chromatographie préparative industrielle directement à partir des milieux de culture. Selon le procédé selon l'invention, le précurseur peut être apporté séquentiellement ou en continu et la vanilline peut être récupérée également séquentiellement ou en continu. Dans les conditions de culture du milieu de l'annexe 2 décrit de façon détaillée ci-après, on récupère la vanilline 4 ou 5 jours après l'apport en précurseur. apparaîtront La figure I La figure 2 La figure 3 La figure 4 La figure 5 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention à la lumière de la description détaillée qui va suivre. La description fait référence aux figures 1 à 5. : représente la bioconversion de l'acide vanillique ajouté lors de l'inocultation : représente la bioconversion de l'acide vanillique ajouté à 3 jours de culture. : représente la bioconversion de l'acide vanillique en vanilline et alcool vanillique. : représente la bioconversion de l'acide férulique ajouté dans de l'inoculation. : représente la bioconversion de l'acide férulique ajouté à 3 jours de culture. J acide vanillique ou acide férulique respectivement : alcool vanillique X vanilline A biomasse Ac Vanillique ou A V = acide vanillique Alc V = alcool vanillique I PROTOCOLE DE BIOCONVERSION 1) Principe Le champignon filamenteux Basidiomycète est cultivé préalablement en milieu liquide agité afin d'obtenir une biomasse importante possédant les capacités enzymatiques nécessaires à une bioconversion ainsi qu'un rendement suffisant Au bout de quelques jours de culture, le précurseur stérile est rajouté aseptiquement La disparition du précurseur (acide férulique ou acide vanillique) et la bioconversion en alcool vanillique et en acide vanillique (pour l'acide férulique) sont suivies par analyse H P L C. 2) Souches utilisées Deux basidiomycètes de l'espèce Pycnoporus cinnabarinus déposée à la Collection Nationale de Culture de Microorganisme de l'Institut Pasteur (CNCM) sous les N O I-937 et 1-938 le 10 Avril 1990. 3) Obtention de l'inoculum Troi types d'inoculum sont possibles: il s'agit respectivement de spores ou de fragments de mycélium ou de leur préculture. a) Obtention de spores Dans une fiole de Roux, 250 ml de milieu de sporulation (composition donnée en annexe 1) sont inoculés avec des fragments de mycélium de culture sur un milieu gélosé L'incubation est réalisée à 370 C, pendant trois semaines Pendant cette période, le mycélium se développe sur la surface gélosée, en produisant des conidies (spores) Ces spores sont décrochées de la surface de la culture solide par agitation de billes de verre baignant dans de l'eau physiologique stérile La suspension de spores ainsi obtenue est filtrée sur de la laine de verre, afin d'éliminer tous fragments mycéniens de grande taille Un dénombrement est réalisé sur une cellule de Thoma On peut alors quantifier l'inoculum des cultures en utilisant un aliquot de volume connu de cette solution. Annexe 1: Composition du milieu solide sporulation Extrait de levure 3 g/l Extrait de malt 3 g/l Bacto peptone 5 g/l Glucose 1 0 g/l Agar 15 g/l Biotine 0,5 ml/l d'une solution stérile à 0,001 % Solution de sels ( 1) 20 ml/l ( 1) Solution de sels Citrate-Na 3, 2 H 2 25 g/ k H 2 PO 4 (anhydre) 250 g/I NH 4 NO 3 (anhydre) 100 g/l Mg SO 4, 7 H 20 10 g/l Solution d'oligoéléments ( 2) 5 ml/l ( 2) Solution d'oligoéléments Ac citrique, H 20 50 g/I Sulfate de zinc 50 g/l Sulfate de cuivre 2,5 g/1 Sulfate de manganèse 0,5 g/1 Ac borique 0,5 g/l Na 2 Mo O 4, 2 H 20 0,5 g/l Fe(NH 4)2 (SO 4)2, 6 H 2 O 10 g/l b) Obtention de fragments de mycélium Un milieu solide ( 20 g/l d'extrait de malt + 15 g/l d'agar + 2 g/1 d'extrait de levure), en boîte de Petri, est inoculé centralement par un fragment de mycélium de culture sur milieu gélosé L'incubation se fait à 37 C, jusqu'à ce que le mycélium recouvre totalement la surface Des fragments de ce mycélium sont alors utilisés comme inoculum; les fragments de mycélium sont découpés à l'emporte pièce d'un diamètre d'environ 4 mm. c) Obtention de préculture de mycélium Une incubation des spores ou de fragments de mycélium est réalisée dans un volume de milieu ( 5 à 10 96 du volume final de la culture) et ensuite utilisée comme inoculum. 4) Réalisation des cultures ml de milieu comportant classiquement notamment une source de carbone animale ou végétale, des sels minéraux et des vitamines (une composition détaillée du milieu de culture utilisé est donnée en annexe 2) sont utilisés dans un Erlenmeyer de 500 ml de capacité On inocule, soit par des fragments de mycélium ( 15 à 30 par culture), soit par des spores à raison de 2 105 spores/ml de milieu Les cultures sont incubées à 37 C, soumises à une agitation rotative de 120 tours/minute et d'amplitude 6 cm. Annexe 2: Composition du milieu de culture Maltose 20 g/l Tartrate diammonium 1,8415 g/l KH 2 PO 4 0,2 g/l Ca CL 2, 2 H 20 0,0132 g/l Mg SO 4, 7 H 20 0,5 g/l Extrait de levure 0,5 g/l Chlorhydrate de thiamine 2,5 mg/l Stérilisation par autoclavage: 120 C 20 min. ) Supplémentation des cultures en précurseur Après 72 h de culture, l'acide férulique ou l'acide vanillique stériles sont ajoutés, à raison de 0,3 g/l de culture L'acide férulique et l'acide vanillique sont utilisés: soit sous forme de cristaux, autoclavés, soit sous forme de sel dans l'eau (par exemple, le sel de Na+, K+ ou NHI 4 et stérilisés par filtration (porosité 0,2 2 m). 6) Suivi cinétique de la conversion d'une culture a) Echantillonage Chaque jour, dès la supplémentation en précurseur, on prélève stérilement 1,5 ml de chaque culture Cet aliquot est filtré sur une membrane hydrophobe (porosité: 0,2 pm) prétraitée au méthanol et une analyse H P L C du filtrat est réalisée. b) Analyse H P L C. phase inverse: colonne bondapack C 18 solvant: CH 3 COOH 0,01 96 dans H 20/méthanol détection en UV à 280 nm volume d'échantillon injecté: 10 à 150 pl Temps de rétention des composés analysés alcool vanillique: 10 min, acide vanillique: 14 min, vanilline: 16 min, acide férulique: 18 min. 7) Mesure de la biomasse ("fausse cinétique") Cette mesure nécessite le "sacrifice" de la culture; les résultats obtenus dans ces conditions ne correspondent pas à une vraie cinétique, puisque ce n'est pas la même culture qui est suivie tout au long de l'étude. Les cultures de 100 ml sont filtrées sur une membrane en fibres de verre, préalablement tarée La biomasse receuillie est placée 24 h à 100 C On détermine la matière sèche correspondante par pesée. II RESULTATS Exemple sur la souche n 1-937 (les mêmes résultats ont été obtenus avec la souche n 1-938. 1) Bioconversion d'acide vanillique a) Résultats avec mesure de la biomasse ("fausse cinétique") PRECURSEUR AJOUTE LORS DE L'INOCULATION (voir figure 1) Age de la Biomasse (en g Précurseur Vanilline culture de matière sèche acide vanillique (en mg/l) (en j) par litre) (en mg/l) 0 310 I 0,088 314 2 0,389 228 6,8 3 0,737 18 9,2 4 0,911 0,3 10,7 On observe une consommation rapide et totale de l'acide vanillique en 3-4 jours de culture La biomasse microbienne augmente jusqu'au dernier jour d'analyse La synthèse de vanilline est détectée dès le deuxième jour et la quantité de vanilline accumulée est croissante jusqu'au dernier jour de l'étude Le rendement molaire maximal de conversion en vanilline est faible: 3,8 %. PRECURSEUR AJOUTE AU 3 EME JOUR DE CULTURE (voir figure 2) Age de la Biomasse (en g Précurseur acide Vanilline culture de matière sèche vanillique (en mg/l) (en j) par litre) (en mg/l) 3 286 4 0,782 184,5 25,6 0,798 O 90,8 6 0,869 O 78 7 0,872 O 58 La consommation d'acide vanillique est plus rapide que dans le cas précédent: en 2 jours la concentration en précurseur atteint O mg/l La biomasse microbienne augmente peu au delà de la date d'apport en acide vanillique La synthèse de vanilline est quasi immédiate et on atteint une teneur maximale 2 jours après la supplémentation Au delà, la vanilline disparaît du milieu très rapidement Dans ce cas, le rendement molaire maximal de conversion en vanilline est beaucoup plus élevé que précédem- ment: 35,1 %. b) Résultats en cinétique vraie, avec dosage de l'alcool vanillique PRECURSEUR AJOUTE AU 3 EME JOUR DE CULTURE (voir figure 3) Age de la Précurseur acide Vanilline Alcool vanillique culture vanillique (en mg/l) (en mg/l) (en j) (en mg/l) 3 300 4 191 35,7 5,1 10,3 81,4 38,9 6 1,2 39,4 68,2 7 2,1 23,4 76,5 Les conditions de bioconversion sont les mêmes que précé- demment; les concentrations d'acide vanillique et de vanilline sont alors similaires; la concentration en vanilline est maximale lorsque le concentration en précurseur atteint 0 mg/l Les résultats de dosage de l'alcool vanillique donnent à penser que la vanilline est convertie en son alcool Effectivement, l'apparition de l'alcool est décalée de 24 h environ par rapport à celle de la vanilline et sa concentration augmente considérablement lorsque la vanilline disparaît du milieu de culture Un des moyens d'optimisation de la production serait de bloquer cette réduction, qui conduit à la formation d'alcool vanillique au détriment de la vanilline. Le rendement molaire maximal de conversion en vanilline est comparable au précédent: 31 96. 2) Bioconversion d'acide férulique PRECURSEUR AJOUTE LORS DE (voir figure 4) L'INOCULATION Age de Biomasse (en Précurseur Acide Vanilline la g de matière acideférulique vanillique (en mg/l) culture sèche par 1) (en mg/l) (en mg/l) 0 294 I 0,095 287 2 0,314 133,7 3 0,484 15,7 4,2 0,5 4 0,590 7,4 1,1 0,35 Comme dans le cas de l'acide vanillique ajouté lors de l'inoculation, la biomasse augmente considérablement jusqu'au dernier jour de l'étude La dégradation de l'acide férulique est totale au bout de 4-5 jours On observe une synthèse d'acide vanillique et de vanilline, mais les rendements sont assez faibles (rendement molaire maximal de conversion en vanilline: 0,2 96). PRECURSEUR AJOUTE AU 3 EME JOUR DE CULTURE (voir figure 5) Agede la Biomasse (en Précurseur Acide Vanilline culture g de matière acide férulique vanillique (en mg/l) (en j) sèche par 1 (en mg/l) (en mg/l) 3 289 4 0,609 241 0,789 41,5 11,5 6 1,023 0,9 7,7 46,2 7 1,099 0,85 4,1 45,4 Dans ce cas de supplémentation à 3 jours de culture, l'acide férulique disparaît totalement du milieu en 3 jours On observe les synthèses simultanées d'acide vanillique et de vanilline Comme pour l'acide vanillique, la quantité de vanilline est maximale lorsque la concentration en précurseur s'annule Le rendement molaire maximal de conversion en vanilline est de: 20,5 %. REVENDICATIONS 1) Procédé de production de vanilline caractérisé en ce qu'on effectue une culture de champignon Basidiomycète du genre Pycnoporus ou de leurs variants et mutants dans un milieu de culture dans lequel un précurseur benzènique de la vanilline a été ajouté et l'on récupère la vanilline produite par bioconversion dudit précurseur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champignon est de l'espèce Pycnoporus cinnabarinus. 3) Procédé caractérisé en ce que le précurseur provient de substrats végétaux naturels. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le précurseur benzènique est de l'acide férulique. ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champignon est tout d'abord cultivé en milieu liquide agité, et l'on n'ajoute le précurseur qu'après qu'une biomasse importante possédant les capacités enzymatiques optimum pour la bioconversion dudit précurseur soit obtenue. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le précurseur n'est ajouté dans le milieu de culture qu'après au moins 3 jours de culture de Pycnoporus cinnabarinus. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champignon est inoculé dans le milieu de culture par un inoculum consistant en des fragments de mycelium ou en des spores, ou avec des précultures de ces inoculum. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on récupère la vanilline lorsque le précurseur n'est plus détectable dans le milieu de culture et avant la bioconversion de la vanilline en alcool vanillique. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on apporte le précurseur et l'on récupère la vanilline séquentiellement ou en continu. 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise les souches de champignons Pycnoporus cinnabarinus CNCM n 1-937 et CNCM 1-938.