Hidroxipropil metilcel·lulosa (HPMC)és un compost polimèric soluble en aigua que s'utilitza habitualment en els camps industrials i mèdics, i té una àmplia gamma de valors d'aplicació, com ara l'alliberament controlat de fàrmacs, el processament d'aliments i els materials de construcció. Les reaccions químiques en el seu procés de fermentació estan relacionades principalment amb la degradació i modificació de la cel·lulosa i les activitats metabòliques dels microorganismes. Per entendre millor les reaccions químiques de les HPMC en el procés de fermentació, primer hem d'entendre la seva estructura bàsica i el procés de degradació de la cel·lulosa.
1. L'estructura i propietats bàsiques de la hidroxipropilmetilcel·lulosa
HPMC és un derivat obtingut per modificació química de la cel·lulosa natural (cel·lulosa). La columna vertebral de la seva cadena molecular són les molècules de glucosa (C6H12O6) connectades per enllaços β-1,4 glicosídics. La cel·lulosa en si és difícil de dissoldre en aigua, però mitjançant la introducció de grups metil (-OCH3) i hidroxipropil (-C3H7OH), la seva solubilitat en aigua es pot millorar molt per formar un polímer soluble. El procés de modificació d'HPMC inclou generalment la reacció de la cel·lulosa amb clorur de metil (CH3Cl) i alcohol propilè (C3H6O) en condicions alcalines, i el producte resultant té una forta hidrofilicitat i solubilitat.
2. Reaccions químiques durant la fermentació
El procés de fermentació de HPMC depèn normalment de l'acció dels microorganismes, que utilitzen HPMC com a font de carboni i font de nutrients. El procés de fermentació de HPMC inclou les següents etapes principals:
2.1. Degradació de HPMC
La pròpia cel·lulosa està formada per unitats de glucosa connectades, i les HPMC es degradaran pels microorganismes durant el procés de fermentació, primer es descompondran en sucres utilitzables més petits (com glucosa, xilosa, etc.). Aquest procés sol implicar l'acció de múltiples enzims degradants de la cel·lulosa. Les principals reaccions de degradació inclouen:
Reacció d'hidròlisi de la cel·lulosa: els enllaços β-1,4 glicosídics de les molècules de cel·lulosa es trencaran per hidrolases de cel·lulosa (com la cel·lulosa, l'endocel·lulosa), produint cadenes de sucre més curtes (com ara oligosacàrids, disacàrids, etc.). Aquests sucres seran metabolitzats i utilitzats encara més pels microorganismes.
Hidròlisi i degradació de HPMC: els substituents metil i hidroxipropil de la molècula HPMC s'eliminaran parcialment per hidròlisi. El mecanisme específic de la reacció d'hidròlisi encara no s'entén completament, però es pot especular que en un entorn de fermentació, la reacció d'hidròlisi és catalitzada per enzims secretats per microorganismes (com la hidroxil esterasa). Aquest procés condueix a la ruptura de les cadenes moleculars HPMC i l'eliminació de grups funcionals, formant finalment molècules de sucre més petites.
2.2. Reaccions metabòliques microbianes
Una vegada que HPMC es degrada en molècules de sucre més petites, els microorganismes són capaços de convertir aquests sucres en energia mitjançant reaccions enzimàtiques. Concretament, els microorganismes descomponen la glucosa en etanol, àcid làctic o altres metabòlits mitjançant vies de fermentació. Diferents microorganismes poden metabolitzar els productes de degradació de HPMC a través de diferents vies. Les vies metabòliques comunes inclouen:
Via de la glucòlisi: la glucosa es descomposa en piruvat per enzims i es converteix en energia (ATP) i metabòlits (com l'àcid làctic, l'etanol, etc.).
Generació de productes de fermentació: En condicions anaeròbiques o hipòxiques, els microorganismes converteixen la glucosa o els seus productes de degradació en àcids orgànics com l'etanol, l'àcid làctic, l'àcid acètic, etc. mitjançant vies de fermentació, molt utilitzades en diferents processos industrials.
2.3. Reacció redox
Durant el procés de fermentació de HPMC, alguns microorganismes poden transformar encara més productes intermedis mitjançant reaccions redox. Per exemple, el procés de producció d'etanol s'acompanya de reaccions redox, la glucosa s'oxida per produir piruvat i després el piruvat es converteix en etanol mitjançant reaccions de reducció. Aquestes reaccions són essencials per mantenir l'equilibri metabòlic de les cèl·lules.
3. Factors de control en el procés de fermentació
Durant el procés de fermentació de HPMC, els factors ambientals tenen una influència important en les reaccions químiques. Per exemple, el pH, la temperatura, el contingut d'oxigen dissolt, la concentració de font de nutrients, etc. afectaran la taxa metabòlica dels microorganismes i el tipus de productes. Especialment la temperatura i el pH, l'activitat dels enzims microbians pot variar significativament en diferents condicions de temperatura i pH, per la qual cosa és necessari controlar amb precisió les condicions de fermentació per garantir la degradació de HPMC i el bon progrés del procés metabòlic dels microorganismes.
El procés de fermentació deHPMCimplica reaccions químiques complexes, incloent la hidròlisi de la cel·lulosa, la degradació de HPMC, el metabolisme dels sucres i la generació de productes de fermentació. Entendre aquestes reaccions no només ajuda a optimitzar el procés de fermentació de HPMC, sinó que també proporciona suport teòric per a la producció industrial relacionada. Amb l'aprofundiment de la investigació, en el futur es poden desenvolupar mètodes de fermentació més eficients i econòmics per millorar l'eficiència de degradació de HPMC i el rendiment dels productes, i promoure l'aplicació de HPMC en la biotransformació, la protecció del medi ambient i altres camps.
Hora de publicació: 17-feb-2025