Hüdroksüpropüülmetüültselluloos (HPMC)on vees lahustuv polümeerühend, mida tavaliselt kasutatakse tööstuses ja meditsiinis ning sellel on lai valik kasutusväärtusi, näiteks ravimite kontrollitud vabanemisega, toiduainete töötlemisel ja ehitusmaterjalidel. Selle fermentatsiooniprotsessis toimuvad keemilised reaktsioonid on peamiselt seotud tselluloosi lagunemise ja modifitseerimisega ning mikroorganismide metaboolse tegevusega. HPMC keemiliste reaktsioonide paremaks mõistmiseks fermentatsiooniprotsessis peame kõigepealt mõistma selle põhistruktuuri ja tselluloosi lagunemisprotsessi.
1. Hüdroksüpropüülmetüültselluloosi põhistruktuur ja omadused
HPMC on loodusliku tselluloosi (tselluloosi) keemilise modifitseerimise teel saadud derivaat. Selle molekulaarse ahela selgrooks on glükoosi molekulid (C6H12O6), mis on ühendatud β-1,4 glükosiidsidemetega. Tselluloosi ennast on vees raske lahustada, kuid metüül- (-OCH3) ja hüdroksüpropüülrühmade (-C3H7OH) sisseviimisega saab selle vees lahustuvust oluliselt parandada, moodustades lahustuva polümeeri. HPMC modifitseerimisprotsess hõlmab üldiselt tselluloosi reaktsiooni metüülkloriidi (CH3Cl) ja propüleenalkoholiga (C3H6O) leeliselistes tingimustes ning saadud tootel on tugev hüdrofiilsus ja lahustuvus.
2. Keemilised reaktsioonid kääritamise ajal
HPMC fermentatsiooniprotsess sõltub tavaliselt mikroorganismide tegevusest, mis kasutavad HPMC-d süsinikuallika ja toitainete allikana. HPMC fermentatsiooniprotsess hõlmab järgmisi põhietappe:
2.1. HPMC lagunemine
Tselluloos ise koosneb ühendatud glükoosiühikutest ja HPMC lagundatakse fermentatsiooniprotsessi käigus mikroorganismide poolt, mis kõigepealt lagunevad väiksemateks kasutatavateks suhkruteks (nagu glükoos, ksüloos jne). See protsess hõlmab tavaliselt mitme tselluloosi lagundava ensüümi toimet. Peamised lagunemisreaktsioonid hõlmavad järgmist:
Tselluloosi hüdrolüüsi reaktsioon: tselluloosi molekulides olevad β-1,4 glükosiidsidemed lõhuvad tselluloosi hüdrolaasid (nagu tsellulaas, endotsellulaas), tekitades lühemaid suhkruahelaid (nagu oligosahhariidid, disahhariidid jne). Neid suhkruid metaboliseerivad edasi ja kasutavad mikroorganismid.
HPMC hüdrolüüs ja lagunemine: metüül- ja hüdroksüpropüülasendajad HPMC molekulis eemaldatakse osaliselt hüdrolüüsi teel. Hüdrolüüsireaktsiooni spetsiifiline mehhanism pole veel täielikult mõistetav, kuid võib oletada, et fermentatsioonikeskkonnas katalüüsivad hüdrolüüsireaktsiooni mikroorganismide poolt sekreteeritud ensüümid (näiteks hüdroksüülesteraas). See protsess viib HPMC molekulaarsete ahelate katkemiseni ja funktsionaalrühmade eemaldamiseni, moodustades lõpuks väiksemad suhkrumolekulid.
2.2. Mikroobide metaboolsed reaktsioonid
Kui HPMC on lagunenud väiksemateks suhkrumolekulideks, suudavad mikroorganismid need suhkrud ensümaatiliste reaktsioonide kaudu energiaks muuta. Täpsemalt, mikroorganismid lagundavad fermentatsiooniteede kaudu glükoosi etanooliks, piimhappeks või muudeks metaboliitideks. Erinevad mikroorganismid võivad metaboliseerida HPMC lagunemissaadusi erinevate radade kaudu. Levinud metaboolsete radade hulka kuuluvad:
Glükolüüsi rada: ensüümide toimel lagundatakse glükoos püruvaadiks ja muudetakse edasi energiaks (ATP) ja metaboliitideks (nagu piimhape, etanool jne).
Käärimissaaduste teke: anaeroobsetes või hüpoksilistes tingimustes muudavad mikroorganismid fermentatsiooniradade kaudu glükoosi või selle lagunemissaadused orgaanilisteks hapeteks nagu etanool, piimhape, äädikhape jne, mida kasutatakse laialdaselt erinevates tööstusprotsessides.
2.3. Redoksreaktsioon
HPMC kääritamisprotsessi ajal võivad mõned mikroorganismid vaheprodukte redoksreaktsioonide kaudu edasi muuta. Näiteks etanooli tootmisprotsessiga kaasnevad redoksreaktsioonid, glükoos oksüdeeritakse püruvaadi saamiseks ja seejärel muudetakse püruvaat redutseerimisreaktsioonide kaudu etanooliks. Need reaktsioonid on olulised rakkude metaboolse tasakaalu säilitamiseks.
3. Kontrollitegurid käärimisprotsessis
HPMC fermentatsiooniprotsessi ajal mõjutavad keskkonnategurid keemilisi reaktsioone oluliselt. Näiteks pH, temperatuur, lahustunud hapniku sisaldus, toitainete allika kontsentratsioon jne mõjutavad mikroorganismide ainevahetuse kiirust ja toodete tüüpi. Eelkõige temperatuuri ja pH osas võib mikroobsete ensüümide aktiivsus erinevatel temperatuuri- ja pH-tingimustel oluliselt erineda, mistõttu on vaja täpselt kontrollida fermentatsioonitingimusi, et tagada HPMC lagunemine ja mikroorganismide metaboolse protsessi sujuv kulg.
FermentatsiooniprotsessHPMChõlmab keerulisi keemilisi reaktsioone, sealhulgas tselluloosi hüdrolüüsi, HPMC lagunemist, suhkrute metabolismi ja fermentatsiooniproduktide teket. Nende reaktsioonide mõistmine ei aita mitte ainult optimeerida HPMC fermentatsiooniprotsessi, vaid pakub ka teoreetilise tuge sellega seotud tööstuslikule tootmisele. Teadustöö süvenedes võidakse tulevikus välja töötada tõhusamaid ja ökonoomsemaid fermentatsioonimeetodeid, mis parandavad HPMC lagunemise efektiivsust ja toodete saagist ning soodustavad HPMC kasutamist biotransformatsioonis, keskkonnakaitses ja muudes valdkondades.
Postitusaeg: 17. veebruar 2025