Hidroksipropil metilceluloza (HPMC)je polimerni spoj topiv u vodi koji se obično koristi u industrijskim i medicinskim poljima i ima širok raspon vrijednosti primjene, kao što je kontrolirano oslobađanje lijekova, obrada hrane i građevinski materijali. Kemijske reakcije u procesu fermentacije uglavnom su povezane s razgradnjom i modifikacijom celuloze i metaboličkim aktivnostima mikroorganizama. Kako bismo bolje razumjeli kemijske reakcije HPMC-a u procesu fermentacije, prvo moramo razumjeti njegovu osnovnu strukturu i proces razgradnje celuloze.
1. Osnovna struktura i svojstva hidroksipropil metilceluloze
HPMC je derivat dobiven kemijskom modifikacijom prirodne celuloze (Cellulose). Okosnicu njegovog molekularnog lanca čine molekule glukoze (C6H12O6) povezane β-1,4 glikozidnim vezama. Sama celuloza se teško otapa u vodi, ali uvođenjem metilnih (-OCH3) i hidroksipropilnih (-C3H7OH) skupina, njezina topljivost u vodi može se znatno poboljšati kako bi se formirao topljivi polimer. Proces modifikacije HPMC općenito uključuje reakciju celuloze s metil kloridom (CH3Cl) i propilen alkoholom (C3H6O) u alkalnim uvjetima, a dobiveni proizvod ima jaku hidrofilnost i topljivost.
2. Kemijske reakcije tijekom fermentacije
Proces fermentacije HPMC-a obično ovisi o djelovanju mikroorganizama koji koriste HPMC kao izvor ugljika i hranjivih tvari. Proces fermentacije HPMC-a uključuje sljedeće glavne faze:
2.1. Degradacija HPMC
Sama celuloza sastoji se od spojenih jedinica glukoze, a HPMC će razgraditi mikroorganizmi tijekom procesa fermentacije, prvo se razgraditi na manje upotrebljive šećere (kao što su glukoza, ksiloza itd.). Ovaj proces obično uključuje djelovanje višestrukih enzima koji razgrađuju celulozu. Glavne reakcije razgradnje uključuju:
Reakcija hidrolize celuloze: β-1,4 glikozidne veze u molekulama celuloze raskinut će celulozne hidrolaze (kao što su celulaza, endocelulaza), stvarajući kraće lance šećera (kao što su oligosaharidi, disaharidi itd.). Ti će šećeri biti dalje metabolizirani i iskorišteni od strane mikroorganizama.
Hidroliza i razgradnja HPMC: metilni i hidroksipropilni supstituenti u HPMC molekuli bit će djelomično uklonjeni hidrolizom. Specifični mehanizam reakcije hidrolize još nije u potpunosti shvaćen, ali se može nagađati da u okruženju fermentacije reakciju hidrolize kataliziraju enzimi koje izlučuju mikroorganizmi (kao što je hidroksil esteraza). Ovaj proces dovodi do kidanja HPMC molekularnih lanaca i uklanjanja funkcionalnih skupina, što u konačnici stvara manje molekule šećera.
2.2. Mikrobne metaboličke reakcije
Nakon što se HPMC razgradi u manje molekule šećera, mikroorganizmi mogu pretvoriti te šećere u energiju enzimskim reakcijama. Točnije, mikroorganizmi putem fermentacijskih putova razgrađuju glukozu u etanol, mliječnu kiselinu ili druge metabolite. Različiti mikroorganizmi mogu metabolizirati proizvode razgradnje HPMC različitim putovima. Uobičajeni metabolički putevi uključuju:
Put glikolize: enzimi glukozu razgrađuju u piruvat i dalje pretvaraju u energiju (ATP) i metabolite (kao što su mliječna kiselina, etanol itd.).
Stvaranje proizvoda fermentacije: U anaerobnim ili hipoksičnim uvjetima, mikroorganizmi pretvaraju glukozu ili njezine produkte razgradnje u organske kiseline kao što su etanol, mliječna kiselina, octena kiselina, itd. kroz putove fermentacije, koji se naširoko koriste u različitim industrijskim procesima.
2.3. Redoks reakcija
Tijekom procesa fermentacije HPMC-a, neki mikroorganizmi mogu dalje transformirati intermedijarne proizvode kroz redoks reakcije. Na primjer, proces proizvodnje etanola popraćen je redoks reakcijama, glukoza se oksidira kako bi se proizveo piruvat, a zatim se piruvat pretvara u etanol reakcijama redukcije. Te su reakcije bitne za održavanje metaboličke ravnoteže stanica.
3. Kontrolni čimbenici u procesu fermentacije
Tijekom procesa fermentacije HPMC-a, okolišni čimbenici imaju važan utjecaj na kemijske reakcije. Na primjer, pH, temperatura, sadržaj otopljenog kisika, koncentracija izvora hranjivih tvari itd. utjecat će na brzinu metabolizma mikroorganizama i vrstu proizvoda. Osobito temperatura i pH, aktivnost mikrobnih enzima može značajno varirati pod različitim uvjetima temperature i pH, stoga je potrebno točno kontrolirati uvjete fermentacije kako bi se osigurala razgradnja HPMC-a i nesmetan napredak metaboličkog procesa mikroorganizama.
Proces fermentacijeHPMCuključuje složene kemijske reakcije, uključujući hidrolizu celuloze, razgradnju HPMC-a, metabolizam šećera i stvaranje proizvoda fermentacije. Razumijevanje ovih reakcija ne samo da pomaže optimizirati proces fermentacije HPMC-a, već također pruža teoretsku potporu povezanoj industrijskoj proizvodnji. Uz produbljivanje istraživanja, u budućnosti bi se mogle razviti učinkovitije i ekonomičnije metode fermentacije kako bi se poboljšala učinkovitost razgradnje HPMC-a i prinos proizvoda, te promicala primjena HPMC-a u biotransformaciji, zaštiti okoliša i drugim područjima.
Vrijeme objave: 17. veljače 2025