аминокислоты

Уксусная кислота

ВВЕДЕНИЕ. Уксус в качестве вкусовой добавки или

консерванта использовался в Европе еще в античные

времена. Он также находит широкое применение и в

классической кухне народов Азии. По традиционной

и

технологии уксус получали из вина. Один из знаме-

нитых примеров – бальзамический уксус, который

кислоты

является своеобразной «кулинарной достопримеча-

тельностью» города Модена (Италия). Во Франции в

XVIII в., когда еще трудно было говорить о развитии

Спирты,

промышленности, существовал так называемый

«стружечный» способ получения уксуса – разведен-

ное вино наливали в бочки с древесной стружкой,

вымоченной в уксусе. В 1856 г. Луи Пастер обнару-

жил микроорганизмы, осуществляющие уксуснокис-

лое брожение – уксуснокислые бактерии. К 1868 г.,

изучая различные среды роста, он получил чистую

культуру этих бактерий и таким образом заложил ос-

новы технологического метода получения винного ук-

суса (содержание уксусной кислоты около 6%). Сто-

ловый уксус – 5%-й раствор уксусной кислоты, как

правило, получают ферментацией ректификата (эта-

нола). Мировое производство уксусной кислоты со-

ставляет несколько млрд литров в год. В США в

больших количествах используется ацетат кальция-

магния (температура плавления –7,7 °С), получен-

ный биотехнологическим методом, как реагент для

борьбы с обледенением на автотрассах (Cryotech

CMAТМ). Химический реактив «ледяная уксусная кис-

лота» (99,7%, рКа 5,6) производят из этилена или

метанола.

МИКРООРГАНИЗМЫ В БИОСИНТЕЗЕ. Способностью

осуществлять неполное окисление этанола с образо-

ванием уксусной кислоты обладают лишь немногие

микроорганизмы, в частности, некоторые штаммы

Gluconobacter и Acetobacter. Принадлежность бакте-

рий к тому или иному штамму определить очень

сложно из-за быстро меняющегося фенотипа, поэто-

му с этой целью используют анализ последователь-

ностей 16S-рРНК или плазмид. Окисление этанола

происходит в реакциях, катализируемых мембранос-

вязанными ферментами алкогольдегидрогеназой

и альдегиддегидрогеназой. В клетках Acetobacter

альдегиддегидрогеназа несет в качестве простетиче-

ской группы пирроллхинолинхинон (ПХХ), а альдегид-

дегидрогеназа наряду с пирроллхинолинхиноном

содержит еще гем. Перенос электронов на терми-

нальную оксидазу происходит через образование

убихинона. Уксуснокислые бактерии осуществляют

гликолиз, образующиеся молекулы пирувата посту-

пают в цикл лимонной кислоты. Уксуснокислые бак-

терии чрезвычайно требовательны к высокой концен-

трации кислорода в среде роста: прерывание аэрации

24

всего на несколько минут приводит к значительному

снижению эффективности окисления этанола. В от-

ВВЕДЕНИЕ. В 1822 г. Карл Вильгельм Шееле впер-

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ИЗ САХАРОВ. Для

вые выделил D-лимонную кислоту из лимонного со-

промышленного производства лимонной кислоты ис-

ка и изучил ее свойства. Значительные количества

пользуют твердофазную ферментацию сахаров под

этой кислоты содержатся во многих фруктовых со-

действием A. niger. В открытые металлические ре-

ках. Хансу Кребсу принадлежит одно из самых заме-

зервуары, устойчивые к кислой среде, помещают

чательных открытий в биохимии: в 1937 г. он пока-

раствор сахаров и споры гриба. Для дополнительной

зал, что лимонная кислота является ключевым

аэрации и отведения тепла в суспензию пропускают

соединением аэробного обмена веществ (цикл три-

воздух с интенсивностью до 10 объемов ферментера

карбоновых кислот, цикл Кребса). За сутки в орга-

в минуту. Через пять суток образуется хорошо разви-

низме взрослого человека образуется около 1,5 кг

тый мицелий, в котором активируется синтез лимон-

лимонной кислоты, которая затем подвергается

ной кислоты (продолжительность всего процесса

дальнейшим превращениям. Лимонная кислота –

8 сут.). После удаления мицелия проводят экстрак-

сильная кислота с трехступенчатой диссоциацией:

цию горячей водой и осаждение цитрата. Выход про-

рКа при 25 °С составляют 3,13, 4,78 и 6,43 соот-

дукта достигает 50 г/кг сахара. В современной

ветственно. В 1%-м растворе лимонной кислоты

промышленности цитрат получают в башенных био-

рН 2,2. Наличие трех карбоксильных и одной гидро-

реакторах или реакторах с механическим перемеши-

ксильной группы определяет способность лимонной

ванием в стерильных условиях. Объем таких реакто-

кислоты к образованию комплексов с двух- и трехва-

ров от 100 до 500 м3. рН продукта на выходе ~2,0,

лентными катионами. Промышленное получение ли-

поэтому ферментеры должны быть выполнены из ус-

монной кислоты основано на ферментативном про-

тойчивой к агрессивной среде высококачественной

цессе. Мировое производство лимонной кислоты

стали. В качестве экономически выгодного сырья ис-

составляет 1 200 000 т в год (2005), объем рын-

пользуют гидролизат крахмала или дешевые источ-

ка – около 1 200 млрд долларов США. Лимонная

ники сахарозы. Эффективность образования цитрата

кислота используется как подкислитель и консерви-

зависит от содержания ионов марганца в среде:

рующий агент в пищевой промышленности, компле-

в среде с низким содержанием марганца (менее

ксообразователь в металлургии, средство для смяг-

2 мкг/л) синтезируется большое количество продук-

чения воды при производстве стиральных порошков

та. Наращивание клеточной массы завершается че-

и для неотложной помощи при тяжелых отравлениях

рез 48 ч роста при рН 5. Последующее искусствен-

солями металлов.

ное закисление среды до рН 2,5, добавление сахаров

МИКРООРГАНИЗМЫ И БИОСИНТЕЗ. Некоторые плес-

при непрерывной ферментации и интенсификация

невые грибы, в частности Aspergillus niger, в услови-

аэрации способствуют образованию лимонной кисло-

ях избытка глюкозы и интенсивной аэрации во время

ты. Продукт выделяется клетками во внеклеточную

экспоненциальной фазы роста и после ее окончания

среду. В расчете на потребленную глюкозу выход ли-

выделяют в среду значительное количество лимон-

монной кислоты более 80%. По завершении фер-

ной кислоты. Несмотря на то что многие промежу-

ментации мицелий отфильтровывают, в раствор цит-

точные продукты цикла Кребса оказывают регулятор-

рата добавляют Ca(OH)2, далее цитрат кальция

ное влияние на другие процессы обмена веществ,

переводят в кислоту серной кислотой. Сырой продукт

возможно создание штаммов A. niger – суперпроду-

обрабатывают активированным углем и пропускают

центов лимонной кислоты. Во-первых, запас оксало-

через ионообменную колонку. В растворе кристалли-

ацетата постоянно растет за счет активности находя-

зуется очень чистая лимонная кислота. Расход гипса

щиейся в цитоплазме пируваткарбоксилазы, которая

более 1 т/т лимонной кислоты. В настоящее время

катализирует присоединение молекулы СО2 к пиру-

большое распространение получает другой более

вату с образованием оксалоацетата (анаплеротиче-

экономичный способ очистки лимонной кислоты: по-

ская, т. е. возмещающая реакция). Во-вторых, ли-

сле реакции цитрата с трилауриламином продукт эк-

монная кислота синтезируется в митохондриях,

страгируют с помощью алканов и 1-октанола. Раство-

секретируется в цитоплазму, а затем выводится из

рители и трилауриламин можно вновь использовать

клетки. Причина существования такого направленно-

после соответствующей обработки. В последние годы

го транспорта в том, что цитоплазматическая малат-

был разработан метод получения D-лимонной кисло-

дегидрогеназа катализирует превращение оксалоаце-

ты из фракций нефти с помощью особого штамма

тата в яблочную кислоту, молекулы которой

дрожжей. Проект был доведен до этапа создания пи-

проникают в митохондрии, заменяя молекулы лимон-

лотной установки, однако в связи с резким повыше-

ной кислоты (принцип антипорта).

нием цен на нефть пока отложен.