Хімічныя рэакцыі пры ферментацыі гидроксипропилметилцеллюлозы

Гідраксіпрапілметылцэлюлоза (ГПМЦ)з'яўляецца вадараспушчальным палімерным злучэннем, якое звычайна выкарыстоўваецца ў прамысловасці і медыцыне, і мае шырокі спектр значэнняў прымянення, напрыклад, у кантраляваным вызваленні лекаў, харчовай прамысловасці і будаўнічых матэрыялах. Хімічныя рэакцыі ў працэсе закісання ў асноўным звязаныя з дэградацыяй і мадыфікацыяй цэлюлозы і метабалічнай дзейнасцю мікраарганізмаў. Каб лепш зразумець хімічныя рэакцыі ГПМЦ у працэсе ферментацыі, нам спачатку трэба зразумець яе асноўную структуру і працэс дэградацыі цэлюлозы.

1. Асноўная структура і ўласцівасці гідраксіпрапілметылцэлюлозы

ГПМЦ - гэта вытворнае, атрыманае шляхам хімічнай мадыфікацыі натуральнай цэлюлозы (цэлюлозы). Аснову яго малекулярнага ланцуга складаюць малекулы глюкозы (C6H12O6), злучаныя β-1,4-глікозіднымі сувязямі. Саму цэлюлозу цяжка растварыць у вадзе, але шляхам увядзення метыльнай (-OCH3) і гидроксипропильной (-C3H7OH) груп можна значна палепшыць яе растваральнасць у вадзе з адукацыяй растваральнага палімера. Працэс мадыфікацыі HPMC звычайна ўключае рэакцыю цэлюлозы з метылавым хларыдам (CH3Cl) і прапіленавым спіртам (C3H6O) у шчолачных умовах, і атрыманы прадукт мае моцную гідрафільнасць і растваральнасць.

2. Хімічныя рэакцыі пры закісанні

Працэс ферментацыі HPMC звычайна залежыць ад дзеяння мікраарганізмаў, якія выкарыстоўваюць HPMC як крыніцу вугляроду і крыніцу пажыўных рэчываў. Працэс ферментацыі ГПМЦ ўключае наступныя асноўныя этапы:

2.1. Дэградацыя ГПМЦ

Сама цэлюлоза складаецца з злучаных адзінак глюкозы, і HPMC будзе раскладацца мікраарганізмамі ў працэсе ферментацыі, спачатку раскладаючыся на больш дробныя прыдатныя для выкарыстання цукру (напрыклад, глюкозу, ксілозу і г.д.). Гэты працэс звычайна ўключае дзеянне некалькіх ферментаў, якія разбураюць цэлюлозу. Асноўныя рэакцыі дэградацыі ўключаюць:

Рэакцыя гідролізу цэлюлозы: β-1,4 гліказідныя сувязі ў малекулах цэлюлозы будуць разрывацца гідралазамі цэлюлозы (такімі як цэлюлаза, эндацэлюлаза), утвараючы больш кароткія цукровыя ланцугі (такія як алігацукрыды, дысахарыды і г.д.). Гэтыя цукру будуць далей метаболізіруется і выкарыстоўвацца мікраарганізмамі.

Гідроліз і дэградацыя ГПМЦ: метылавы і гідраксіпрапілавы замяшчальнікі ў малекуле ГПМЦ будуць часткова выдалены пры гідролізе. Канкрэтны механізм рэакцыі гідролізу яшчэ не да канца вывучаны, але можна выказаць здагадку, што ў асяроддзі ферментацыі рэакцыя гідролізу каталізуецца ферментамі, якія вылучаюцца мікраарганізмамі (напрыклад, гідраксілэстэраза). Гэты працэс прыводзіць да разрыву малекулярных ланцужкоў HPMC і выдалення функцыянальных груп, у канчатковым выніку ўтвараючы меншыя малекулы цукру.

2.2. Метабалічныя рэакцыі мікробаў

Пасля таго, як HPMC раскладаецца на больш дробныя малекулы цукру, мікраарганізмы здольныя ператвараць гэтыя цукру ў энергію з дапамогай ферментатыўных рэакцый. У прыватнасці, мікраарганізмы расшчапляюць глюкозу на этанол, малочную кіслату або іншыя метабаліты шляхам ферментацыі. Розныя мікраарганізмы могуць метабалізаваць прадукты распаду ГПМЦ рознымі шляхамі. Агульныя метабалічныя шляхі ўключаюць:

Шлях гліколізу: ферментамі глюкоза раскладаецца на піруват і далей ператвараецца ў энергію (АТФ) і метабаліты (напрыклад, малочную кіслату, этанол і інш.).

Адукацыя прадукту закісання: у анаэробных або гіпаксічных умовах мікраарганізмы ператвараюць глюкозу або прадукты яе дэградацыі ў арганічныя кіслоты, такія як этанол, малочная кіслата, воцатная кіслата і г.д., праз шляхі закісання, якія шырока выкарыстоўваюцца ў розных прамысловых працэсах.

2.3. Акісляльна-аднаўленчая рэакцыя

У працэсе закісання ГПМЦ некаторыя мікраарганізмы могуць дадаткова трансфармаваць прамежкавыя прадукты праз акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі. Напрыклад, працэс вытворчасці этанолу суправаджаецца акісляльна-аднаўленчымі рэакцыямі, глюкоза акісляецца з адукацыяй пірувата, а затым піруват ператвараецца ў этанол праз рэакцыі аднаўлення. Гэтыя рэакцыі неабходныя для падтрымання метабалічнага балансу клетак.

3. Фактары кантролю ў працэсе закісання

У працэсе ферментацыі HPMC фактары навакольнага асяроддзя аказваюць важны ўплыў на хімічныя рэакцыі. Напрыклад, pH, тэмпература, утрыманне растворанага кіслароду, канцэнтрацыя крыніцы пажыўных рэчываў і г.д. будуць уплываць на хуткасць метабалізму мікраарганізмаў і тып прадуктаў. Асабліва тэмпература і рн, актыўнасць мікробных ферментаў можа істотна адрознівацца пры розных тэмпературах і ўмовах рн, таму неабходна дакладна кантраляваць умовы ферментацыі, каб забяспечыць дэградацыю ГПМЦ і бесперашкодны ход метабалічнага працэсу мікраарганізмаў.

Працэс закісанняГПМЦўключае ў сябе складаныя хімічныя рэакцыі, уключаючы гідроліз цэлюлозы, дэградацыю HPMC, метабалізм цукроў і адукацыю прадуктаў закісання. Разуменне гэтых рэакцый не толькі дапамагае аптымізаваць працэс ферментацыі HPMC, але і дае тэарэтычную падтрымку адпаведнай прамысловай вытворчасці. З паглыбленнем даследаванняў у будучыні могуць быць распрацаваны больш эфектыўныя і эканамічныя метады ферментацыі для павышэння эфектыўнасці раскладання ГПМЦ і выхаду прадуктаў, а таксама садзейнічання прымяненню ГПМЦ у біятрансфармацыі, ахове навакольнага асяроддзя і іншых галінах.