Cheminės reakcijos fermentuojant hidroksipropilmetilceliuliozę

Hidroksipropilmetilceliuliozė (HPMC)yra vandenyje tirpus polimerinis junginys, dažniausiai naudojamas pramonės ir medicinos srityse, ir turi platų panaudojimo verčių spektrą, pvz., kontroliuojamo vaisto atpalaidavimo, maisto perdirbimo ir statybinėse medžiagose. Cheminės reakcijos fermentacijos procese daugiausia susijusios su celiuliozės skaidymu ir modifikavimu bei mikroorganizmų metaboline veikla. Norėdami geriau suprasti HPMC chemines reakcijas fermentacijos procese, pirmiausia turime suprasti pagrindinę jo struktūrą ir celiuliozės skilimo procesą.

1. Pagrindinė hidroksipropilmetilceliuliozės struktūra ir savybės

HPMC yra darinys, gaunamas cheminiu būdu modifikuojant natūralią celiuliozę (celiuliozę). Jo molekulinės grandinės pagrindas yra gliukozės molekulės (C6H12O6), sujungtos β-1,4 glikozidinėmis jungtimis. Pati celiuliozė sunkiai ištirpsta vandenyje, tačiau įvedus metilo (-OCH3) ir hidroksipropilo (-C3H7OH) grupes, jos tirpumas vandenyje gali būti gerokai pagerintas, kad susidarytų tirpus polimeras. HPMC modifikavimo procesas paprastai apima celiuliozės reakciją su metilo chloridu (CH3Cl) ir propileno alkoholiu (C3H6O) šarminėmis sąlygomis, o gautas produktas pasižymi dideliu hidrofiliškumu ir tirpumu.

2. Cheminės reakcijos fermentacijos metu

HPMC fermentacijos procesas dažniausiai priklauso nuo mikroorganizmų, kurie naudoja HPMC kaip anglies šaltinį ir maistinių medžiagų šaltinį, veikimo. HPMC fermentacijos procesą sudaro šie pagrindiniai etapai:

2.1. HPMC degradacija

Pati celiuliozė susideda iš sujungtų gliukozės vienetų, o HPMC fermentacijos metu suskaidys mikroorganizmai, pirmiausia suskaidomi į mažesnius tinkamus cukrus (pvz., gliukozę, ksilozę ir kt.). Šis procesas paprastai apima daugelio celiuliozę skaidančių fermentų veikimą. Pagrindinės skilimo reakcijos apima:

Celiuliozės hidrolizės reakcija: β-1,4 glikozidinius ryšius celiuliozės molekulėse suardys celiuliozės hidrolazės (pvz., celiuliazė, endoceliulazė), sudarydamos trumpesnes cukraus grandines (pvz., oligosacharidus, disacharidus ir kt.). Šie cukrūs bus toliau metabolizuojami ir naudojami mikroorganizmų.

HPMC hidrolizė ir skilimas: metilo ir hidroksipropilo pakaitai HPMC molekulėje bus iš dalies pašalinti hidrolizės būdu. Specifinis hidrolizės reakcijos mechanizmas dar nėra iki galo suprantamas, tačiau galima spėti, kad fermentacijos aplinkoje hidrolizės reakciją katalizuoja mikroorganizmų išskiriami fermentai (pvz., hidroksilesterazė). Dėl šio proceso nutrūksta HPMC molekulinės grandinės ir pašalinamos funkcinės grupės, galiausiai susidaro mažesnės cukraus molekulės.

2.2. Mikrobų metabolinės reakcijos

Kai HPMC suskaidomas į mažesnes cukraus molekules, mikroorganizmai gali paversti šiuos cukrus energija per fermentines reakcijas. Konkrečiai, mikroorganizmai fermentacijos būdu skaido gliukozę į etanolį, pieno rūgštį ar kitus metabolitus. Įvairūs mikroorganizmai gali metabolizuoti HPMC skilimo produktus skirtingais būdais. Įprasti metabolizmo būdai yra šie:

Glikolizės kelias: fermentai gliukozę skaido į piruvatą ir toliau virsta energija (ATP) ir metabolitais (pvz., pieno rūgštimi, etanoliu ir kt.).

Fermentacijos produktų susidarymas: anaerobinėmis arba hipoksinėmis sąlygomis mikroorganizmai fermentacijos būdu paverčia gliukozę arba jos skilimo produktus organinėmis rūgštimis, tokiomis kaip etanolis, pieno rūgštis, acto rūgštis ir kt., kurios plačiai naudojamos įvairiuose pramoniniuose procesuose.

2.3. Redokso reakcija

HPMC fermentacijos proceso metu kai kurie mikroorganizmai gali toliau transformuoti tarpinius produktus per redokso reakcijas. Pavyzdžiui, etanolio gamybos procesą lydi redokso reakcijos, gliukozė oksiduojama, kad susidarytų piruvatas, o tada per redukcijos reakcijas piruvatas paverčiamas etanoliu. Šios reakcijos yra būtinos palaikant medžiagų apykaitos pusiausvyrą ląstelėse.

3. Kontroliniai faktoriai fermentacijos procese

HPMC fermentacijos proceso metu aplinkos veiksniai turi didelę įtaką cheminėms reakcijoms. Pavyzdžiui, pH, temperatūra, ištirpusio deguonies kiekis, maistinių medžiagų šaltinio koncentracija ir kt. turės įtakos mikroorganizmų medžiagų apykaitos greičiui ir produktų rūšiai. Mikrobų fermentų aktyvumas, ypač temperatūra ir pH, gali labai skirtis esant skirtingoms temperatūroms ir pH sąlygoms, todėl būtina tiksliai kontroliuoti fermentacijos sąlygas, kad būtų užtikrintas HPMC skaidymas ir sklandus mikroorganizmų metabolizmo procesas.

Fermentacijos procesasHPMCapima sudėtingas chemines reakcijas, įskaitant celiuliozės hidrolizę, HPMC skaidymą, cukrų metabolizmą ir fermentacijos produktų susidarymą. Šių reakcijų supratimas ne tik padeda optimizuoti HPMC fermentacijos procesą, bet ir suteikia teorinę paramą susijusiai pramoninei gamybai. Gilėjant moksliniams tyrimams, ateityje gali būti sukurti efektyvesni ir ekonomiškesni fermentacijos metodai, gerinantys HPMC skilimo efektyvumą ir produktų išeigą, skatinantys HPMC taikymą biotransformacijos, aplinkosaugos ir kitose srityse.