Вопрос 2. Яблочная кислота: биологическая роль и методы получения.

Общая характеристика. Яблочная кислота НООССН(ОН)СН₂СООН существует в виде двух изомеров L(+) и D(-), а также в виде рацемической смеси. Хорошо растворима в воде. В значительных количествах содержится в плодах рябины, барбарисе (до 6 %), преобладает среди кислот яблока.

Биологическая роль. Интермедиатор цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

Методы получения. Может быть получена из растительного сырья, а также биотехнологическим способом. С 1974 г. в Японии в промышленном масштабе производят яблочную кислоту из фумаровой кислоты с помощью иммобилизованных в полиакриламидный гель клеток Brevibacterium ammoniagens.

Вопрос 3. Винная кислота: биологическая роль и методы получения.

Общая характеристика.

Винная кислота – органическая двухосновная кислота (оксикислота). Имеет два изомера: L(+) – обыкновенная винная кислота; D(-) – винная кислота. L(+) изомер широко распространен в плодах, вине и пр., в отличие от D(-)-изомера. Существует также мезо-форма - антивинная кислота.

Биологическая роль. Винная кислота является промежуточным продуктом прямого окисления глюкозы (без фосфорилирования).

Методы получения. Получают винную кислоту из отходов виноделия, главным образом из остаточных винных дрожжей и винного камня (кислой калиевой соли винной кислоты), отлагающегося на внутренней поверхности бочек в процессе выдержки вина.

Вопрос 4. Лимонная кислота: биологическая роль и методы получения.

Общая характеристика

Лимонная кислота - трехосновная оксикислота, широко распространенная в плодах и ягодах. Лимонная кислота была идентифицирована в качестве продукта метаболизма плесневых грибов в 1893 г. Вемером. В продажу поступает в кристаллическом виде.

Биологическая роль. Интермедиатор цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса), участие в обмене липидов.

Методы получения.

В настоящее время это кислота по объемам производства (свыше 350 тыс.т/г) занимает первое место среди всех органических кислот. Самый крупный производитель – США.

Лимонная кислота может быть получена:

- из растительного сырья, например из лимонов (из 1 тонны лимонов 25 кг лимонной кислоты);

- микробиологическим синтезом (из 1 тонны сахаросодержащего сырья 250-500 кг лимонной кислоты).

В настоящее время лимонную кислоту получают исключительно вторым способом.

В качестве продуцента в основном используют Aspergillus niger, но также применяют и A. wentii.

В качестве основы среды обычно используют глюкозный сироп, гидролизаты крахмала или мелассу. Последнюю предварительно разбавляют до требуемого уровня сахаров и обрабатывают с целью снижения содержания металлов. Источником азота служат соли аммония (0.2 %); концентрация фосфатов (0.01–0.-2 %).

Оптимум рН на стадии кислотообразования составляет 1.7–2.0. В более щелочной среде процесс сдвигается в сторону накопления щавелевой и глюконовой кислот.

В производстве лимонной кислоты применяют несколько вариантов процесса.

Поверхностный способ реализуется на твердой сыпучей среде и в жидкой фазе. При жидкофазной поверхностной ферментации питательную среду разливают в кюветы слоем от 8 до 18 см. Кюветы размещают на стеллажах в предварительно простерилизованной парами формалина бродильной камере. Через специальные воздуховоды с током стерильного воздуха поверхность среды засевают исходной музейной культурой. В качестве посевного материала используют предварительно полученные также в условиях поверхностной культуры и высушенные споры (конидии) из расчета 50–75 мг конидий на 1м² площади кювет. В ходе стадии ферментации на первом этапе (первые 24–36 ч) происходит интенсивный рост мицелия. Температура среды в этот период стабилизируется на уровне 32–34°C, интенсивность аэрации составляет 3–4 м³ воздуха в ч/м мицелия. В период активного кислотообразования подачу воздуха увеличивают в 5–6 раз. В результате более интенсивного термогенеза температуру снижают до 30–32. По мере снижения процесса кислотообразования режим аэрации становится менее интенсивным. Контроль процесса ведут по показателям титруемой кислотности среды. Процесс считают завершенным при остаточной концентрации сахаров около 1–2 % и уровне титруемой кислотности 12–20 %. Содержание лимонной кислоты от уровня всех кислот достигает 94–98 %.

Твердофазная ферментация имеет много общего с поверхностно-жидкофазным процессом. Разработанный в Японии процесс Коджи предусматривает использование в качестве среды пористого материла (багасса, картофель, пульпа сахарной свеклы, пшеничные отруби). Материал предварительно стерилизуют, после охлаждения инокулируют суспензией спор. Ферментация происходит в лотках при 25–30°C в течение 6–7 дней. Образованную лимонную кислоту экстрагируют водой. В Японии 20 % общего объема производства лимонной кислоты получают методом Коджи.

Начиная с 1950 г., промышленные процессы получения лимонной кислоты стали переводить в глубинный способ. Стабильный процесс возможен при его организации в две стадии: рост мицелия на полной среде в ходе первой стадии и на второй (при отсутствии фосфора в среде) – образование лимонной кислоты. Глубинная ферментация проводится в аппаратах емкостью 50 м³ с заполнением на 70–75 %. В качестве посевного материала используют мицелий, подрощенный также в условиях глубинной культуры. В производственном аппарате, куда подрощенный мицелий передается по стерильной посевной линии, питательная среда содержит 12–15 % сахаров. Ферментацию проводят при 31–32° при непрерывном перемешивании. В ходе процесса кислотообразования (5–7 суток) реализуют интенсивный режим аэрации (до 800–1000 м³/ч) с дробным добавлением сахаров, 2–3 подкормки. Выход лимонной кислоты составляет от 5 до 12 %, остаточная концентрация сахаров – 0,2–1,5 %, доля цитрата – 80–98 % от суммы всех органических кислот.

В сброженных растворах содержатся, помимо целевой кислоты, также глюконовая и щавелевая кислоты, остатки несброженных сахаров и минеральные соли. Для выделения лимонной кислоты из данного раствора ее связывают гидроокисью кальция с образованием труднорастворимого цитрата кальция:

2С₆Н₈О₇ + 3Са(ОН)₂ = Са₃(С₆Н₅О₇)₂ + 6Н₂О.

Одновременно образуются кальциевые соли глюконовой и щавелевой кислот, глюконат кальция Са(С₆Н₁₁О₇)₂ и оксалат кальция СаС₂О₄. Кальциевые соли лимонной и щавелевой кислот выпадают в осадок, а глюконат кальция и основная часть органических и минеральных компонентов мелассы остаются в растворе. Осадок отделяется на вакуум-фильтре, промывается и высушивается. Далее для перевода лимонной кислоты в свободное состояние и освобождения от оксалата кальция осадок обрабатывают серной кислотой с последующей фильтрацией. Раствор лимонной кислоты фильтруют, концентрируют вакуум-выпаркой и затем подвергают кристаллизации при медленном охлаждении до 8–10°. Полученные кристаллы отделяют в центрифуге от маточника и высушивают в пневматических сушилках при 30–35°. Готовый продукт содержит не менее 99,5 % лимонной кислоты (в пересчете на моногидрат).