Размещено на http://www.allbest.ru/

Лимонная кислота

лимонный синтез кислота биохимический

В природе это вещество встречается довольно часто, главным образом в незрелых плодах цитрусовых, ананасов, груш, инжира, брусники, клюквы и др. Лимоны и апельсины были главными источниками естественной лимонной кислоты, которую производили преимущественно в Италии, где в середине XIX в. начали действовать первые заводы по производству кристаллической лимонной кислоты. Затем аналогичные заводы начали действовать в Калифорнии, на Гавайских островах и в Вест-Индии.

Для получения лимонной кислоты путем микробного синтеза в лабораторных условиях использовали микромицеты, но для промышленного биосинтеза наиболее подходящим оказался Aspergillus niger. Впоследствии из него было селекционировано множество производственных штаммов для биосинтеза лимонной кислоты из сахарозы.

Многие органические вещества сбраживаются микромицетами и могут быть трансформированы в лимонную кислоту, но максимальный выход получается при биосинтезе из сахарозы или фруктозы. В последнее время успешно завершены эксперименты по биосинтезу лимонной кислоты дрожжами из парафинов и низших спиртов с высоким выходом.

Лимонная кислота по объему производства является одним из главных продуктов микробного синтеза. Ее общий выпуск в различных странах достигает 400 тыс. т в год. Лимонную кислоту получают в основном из мелассы. Заводы небольшой или средней мощности производят лимонную кислоту поверхностным методом культивирования. Глубинный метод экономически выгоден тогда, когда мощность завода превышает 2500 т лимонной кислоты в год.

Лимонную кислоту широко используют в кулинарии и в пищевой промышленности для приготовления безалкогольных напитков, мармелада, вафель, пастилы и др. Лимонная кислота включена в рецептуры некоторых сортов колбас и сыра, ее применяют в виноделии, для рафинирования растительных масел, для производства сгущенного молока. С помощью лимонной кислоты сохраняются естественные вкус и аромат при длительном хранении в замороженном состоянии мяса и рыбы.

При умеренном употреблении лимонная кислота стимулирует деятельность поджелудочной железы, возбуждает аппетит, способствует усвоению пищи.

Натриевые соли лимонной кислоты стимулируют вспенивание и механическую устойчивость пен, поэтому лимонную кислоту ценят кулинары, ее также применяют для изготовления шампуней и моющих средств. Последнее имеет важное экологическое значение, так как лимонная кислота и ее соли легко поддаются микробиологической деградации при очистке канализационных вод.

Применение находят и побочные продукты ферментации: мицелий грибов и культуральная жидкость. Мицелий высушивают и используют как сырье или добавляют к удобрениям. Недавно предложено использование мицелия как источника хитина, который служит биосорбентом. Хитозан - глюкановый комплекс, полученный их мицелия, обладает лучшими хелатирующими свойствами, чем хитозан животных. В культуральной жидкости обнаружены гидролитические ферменты пектиназа, протеаза, целлюлоза и в-глюкозидаза

Основанные способы производства и сырье

Общепризнано, сто производство лимонной кислоты химическими способами экономически нецелесообразно: стоимость сырья значительно выше стоимости мелассы; технология многостадийна, требует применения сильно токсичных реагентов и дает относительно низкий выход целевого продукта. Поэтому не удивительно, что, несмотря на большой прогресс в области химического синтеза различных органических соединений, такие сравнительно простые вещества, как лимонная, молочная и некоторые другие кислоты, до сих пор вырабатывают из сахаросодержащегося сырья с помощью микроорганизмов. Преимущества микробного способа в последовательном ферментативном осуществлении в клетке даже значительно большего числа химических реакций в одну производственную стадию - ферментацию. Это упрощает технологию, увеличивает выход кислот и снижает их себестоимость.

В США «Miles Laboratories, Inc.» перерабатывает глюкозные сиропы, получаемые ферменативным гидролизом кукурузного крахмала, во Франции завод фирмы «Melle - Bezons» - кристаллический сахар. Исследована возможность применения и других видов сырья. Еще в начале ХХ века В.С. Буткевич показал, сто лимонная кислота может образовываться при культивировании Aspergillus niger на растворах уксусной кислоты, ацетатов, метилового и этилового спирта как единственных источников углерода. Позднее другими исследователями предложены н-парафины, а в качестве продуцента - дрожжи рода Candida.

В расчете на дешевую арабскую нефть в ряде стран большая надежда возлагалась на н-парафины - один из продуктов ее переработки. Однако ввиду истощения запасов и повышения цен на нефть, относительно небольшого выход парафинов и необходимости их использования в других направлениях они вскоре перестали быть перспективным сырьем. Синтетические спирты уксусную кислоту получают на основе переработки попутных газов нефти и собственно природных газов; источники их не безграничны, к тому же эти виды сырья, как н-парафины, широко используются в отраслях народного хозяйства. При ферментации парафинов, спиртов и уксусной кислоты дрожжами одновременно с лимонной кислотой в значительных количествах образуется изолимонная, чем снижается выход целевого продукта и возникает дополнительная проблема их разделения.

Как источник сырья гораздо надежнее и дешевле побочные продукты переработки растительного сырья, ежегодно возобновляемого в больших количествах. Это прежде всего относится к сахароносам, дающим сахарный сок, или, при переработки его на кристаллический сахар, мелассу, и в некоторой мере - к крахмалоносам, к растительным отходам сельского хозяйства и механической переработки древесины.

Биохимическая схема и система регуляции

Биосинтез лимонной кислоты осуществляется с помощью культуры А. niger, специально селекционированной для получения высоких выходов продукта. В качестве углродсодержащего субстрата используют мелассу, которая кроме углеводов, содержит большой ряд органических кислот. Применение определенной питательной среды с сахарозой приводит к меньшему качественному разнообразию кислот.

Биохимический механизм образования лимонной кислоты основан на функционировании цикла трикарбоновых кислот. Дегидрирование уксусной кислоты приводит к образованию двух молекул СО₂ и четырех пар ионов водорода. В цикле происходит также образование НАДН и АТФ. Хотя большинство реакций цикла обратимы, основным направлением течения энзиматических реакций является образование щавелевоуксусной кислоты через б-кетоглутаровую, янтарную и фумаровую кислоты.

Реакцией, лимитирующей скорость оборота цикла, является синтез лимонной кислоты, катализируемый аллостерическим ферментом цитратсинтетазой. Источником ацетил-КоА, который идет на синтез метаболитов цикла, является продукт цикла - лимонная кислота - легко переходящая в цитоплазму через мембрану. Как правило, из ЦТК на нужды биосинтеза уходит значительное количество метаболитов, и пополнения их фонда и функционирования полного цикла в клетках существуют дополнительные возмещающие ферментативные механизмы, например глиоксилатный шунт. В последнем, в отличие от ЦТК, уксусная кислота расходуется на синтез. Следовательно, первой реакцией ЦТК является конденсация ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой, катализируемая цитратсинтетазой. Именно активность этого фермента является контролирующим параметром, определяющим скорость метаболического потока в цикле. Ингибирующий эффект на цитратсинтетазу оказывает НАДН и сукцинил-КоА. Но основное влияние на скорость синтеза лимонной кислоты оказывает поступление субстрата. Так как непрерывная «работа» ЦТК требует реокисления восстановленных эквивалентов, максимальная скорость цикла наблюдается в условиях достаточного доступа кислорода в клеточную систему.

Аэрация имеет критическое значение для глубиной ферментации. Пропускание чистого О₂ увеличивает образование лимонной кислоты, но это дорого; газовая фаза может циркулировать, если при этом поглощается СО₂. Прерывание аэрации на короткое время может иметь губительное действие на продукцию лимонной кислоты, но если при этом повысить рН с 3,0 до 4,0, то ферментация может начаться снова.

У грибов различают трофофазу, которая характеризуется ростом мицелия и активным дыханием с выделением СО₂, и идиофазу, когда рост завершен, дыхание подавлено, а оставшаяся глюкоза перерабатывается во вторичные метаболиты; в данном случае в лимонную или другие кислоты.

Образование лимонной кислоты может быть условно разделено на три процесса: 1 - разложение гексоз до пирувата и ацетил-КоА при гликолизе, 2 - анаплеротическое образование оксалоацетата из пирувата и СО₂ и 3 - аккумуляция цитрата в ЦТК. А. niger разлагает глюкозу по гексозодифосфатному и гексозомонофосфатному пути.

При работе первого пути СО₂, образованная в результате декарбоксилирования пирувата, фиксируется при анаплеротическом образовании оксалоацетата. Наряду с гликолизом у A. niger частично реализуется и другой путь окисления углеводов - пентозофосфатный, называемый также пентозным, гексозомонофосфатным, или фосфоглюконатным. Общим с гликолизом исходным продуктом является глюкозо-6-фосфат, но в дальнейшем их пути расходятся: фермент фосфофруктокиназа определяет дихотомический путь, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа - апотомический. Конечными продуктами процесса являются 3-фосфоглицериновый альдегид и рибозо-5-фосфат. Первый из них по реакциям гликолиза превращается в пировиноградную кислоту, поэтому пентозофосфатный цикл рассматривается как шунт гликолитического пути. Основное назначение цикла - снабжение клетки НАДН₂, необходимой для восстановительных реакций синтеза липидов и стероидов, и пентозами, в основном рибозой, используемой в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Гексозомонофосфатный путь и гликолиз имеют много общих ферментов. Таким образом, оба пути могут реализовываться в клетке одновременно. При превращении 6 молекул глюкозо-6-фосфата по гексозомонофосфатному пути суммарный эффект будет тот же, что и при окислении 1 молекулы гексозы в СО2 по пути гликолиза и ЦТК.

В процессе разложения глюкозы образуются промежуточные соединения: манит, арабит, эритрит, глицерин.

Образование лимонной кислоты тесно связано со скоростью фиксации СО₂. Фиксацию СО₂ у А. niger осуществляет конститутивный фермент пируваткарбоксилаза. Существуют почти стехиометрическое отношение между фиксацией СО₂ и продукцией цитрата.

Фермент аконитаза, участвующий в расщеплении цитрата в ЦТК, снижает его продукцию. Считали, что при дефиците Fe или при добавлении Cu происходит ингибирование аконитазы и соответственно увеличение выхода цитрата. Однако аконитаза катализирует реакцию, сильно сдвинутую в сторону образования цитрата, и необходимости в ее ингибировании нет. Другой фермент - НАДФН-зависимая изоцитратдегидрогеназа, которая теоретически должна способствовать снижению аккумуляции лимонной кислоты, ингибируется цитратом. Правда, у А. niger имеется еще один аллостерически НАД-связанный фермент - изоцитратдегидрогеназа, которая активируется цитратом.

Выход лимонной кислоты зависит от активности б-кетоглутаратдегидрогеназы. Образование сукцинил-КоА из б-кетоглутарата под действием б-кетоглутаратдегидрогеназы называют узким местом ЦТК. Фермент ингибируется физиологической концентрацией щавелевоуксусной кислоты и НАДН. Увеличение клеточного оксалоацетата снижает катаболизм цитрата на уровне б-кетоглутарата и одновременно усиливает скорость его синтеза при участии цитратсинтазы. Аккумуляция б-кетоглутарата и НАДН снижает активность НАД - изоцитратдегидогеназы, что способствует увеличению накопления цитрата до уровня, при котором сам ингибирует вышеуказанный фермент.

Цитрат сильно ингибирует транспорт глюкозы в клетке путем подавления активности фосфофруктокеназы. Последнему противодействует увеличение концентрации NH₄⁺, а накоплению NH₄⁺ способствует дефицит Mn в среде. Полагают, что при дефиците Mn усиливается разложение белков и внутриклеточное содержание NH₄⁺ возрастает. Повышение концентрации аммонийных ионов внутри клеток смягчает ингибирующее влияние цитрата на фосфофруктокиназу.

Большинство исследователей склоняется к мнению, что основную роль играет ингибирование ферментов - аконитатгидратазы и изоцитратдегидрогеназы. Ингибирование аконитатгидратазы объясняют действием самой лимонной кислоты или избытка гексацианоферроата калия, применяемого для обработки мелассных сред перед ферментацией.

При интенсивном кислотообразовании активность цитратсинтетазы возрастает приблизительно в десять раз. Однако по имеющимся данным еще нельзя решить вопрос, что является причиной накопления лимонной кислоты - ингибирование указанных двух ферментов или активирование цитратсинтетазы.

Известно, что ко вторым суткам ферментации в среде, уже покрытой тонкой мицелиальной пленкой, в ощутимых количествах содержатся янтарная и яблочная кислоты, а также не относящиеся к ЦТК кислоты: глюконовая, сахарная и малоновая. Первые две кислоты образуются непосредственным окислением глюкозы, малоновая, по-видимому, как промежуточный продукт на пути синтеза насыщенных жирных кислот: +СО2. Ацетил-КоА > Малонил-КоА > Малонат.

Содержание всех этих кислот возрастает до третьих-пятых суток ферментации. Таким образом, ингибирование аконитатгидратазы и изоцитратдегидрогеназы начинают вызывать перечисленные выше кислоты, что вызывает постепенное накопление лимонной кислоты, которая в свою очередь еще больше ингибирует данные ферменты, и усиливает их синтез.

Следует обратить внимание еще на одного возможного участника в этом механизме - малоновую кислоту, являющуюся специфическим ингибитором сукцинатдегидрогеназы. Малоновая кислота образуется больше других кислот и содержание ее в среде возрастает до четвертых-пятых суток - времени начала наиболее интенсивного продуцирования лимонной кислоты.

В период интенсивного накопления лимонной кислоты в ЦТК преобладает анаплеротический путь метаболизма, т.е. сначала происходит карбоксилирование пировиноградной кислоты с образованием щавелевоуксусной, а затем конденсация ее с ацетил-КоА. Интенсивность образования лимонной кислоты в этот период может быть понятна также из того, что в данном случае резко ограничиваются возможности конструктивного и энергетического обмена веществ клетки и A.niger для поддержания жизнеспособности вынужден перерабатывать значительно большее количество субстрата.

Фактором, стимулирующим аккумуляцию лимонной кислоты, служит аэрация: глюкоза+3мин. Аэрацию и перемешивание раствора ведут в течение всего времени приготовления посевного материала при избыточном давлении 0,02 - 0,03 МПа. Температуру 34-35⁰С поддерживают охлаждением водой через рубашку ферментатора. В посевном ферментаторе объемом 10 м³ в первые шесть часов, когда конидии набухают и начинают прорастать, достаточно небольшого расхода воздуха 9 - 10 м³ и через 12 ч до 36 м³ и до конца процесса поддерживают на уровне 90 - 100 м³, пылью белковых и др. продуктов микробного синтеза.

Размещено на Allbest.ru