Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC)ialah sebatian polimer larut air yang biasa digunakan dalam bidang perindustrian dan perubatan, dan mempunyai pelbagai nilai aplikasi, seperti dalam pelepasan terkawal dadah, pemprosesan makanan dan bahan binaan. Tindak balas kimia dalam proses penapaiannya terutamanya berkaitan dengan degradasi dan pengubahsuaian selulosa dan aktiviti metabolik mikroorganisma. Untuk lebih memahami tindak balas kimia HPMC dalam proses penapaian, kita perlu terlebih dahulu memahami struktur asasnya dan proses degradasi selulosa.
1. Struktur asas dan sifat hidroksipropil metilselulosa
HPMC ialah derivatif yang diperolehi melalui pengubahsuaian kimia selulosa semula jadi (Selulosa). Tulang belakang rantai molekulnya ialah molekul glukosa (C6H12O6) yang disambungkan oleh ikatan glikosidik β-1,4. Selulosa sendiri sukar untuk larut dalam air, tetapi dengan memperkenalkan kumpulan metil (-OCH3) dan hidroksipropil (-C3H7OH), keterlarutan airnya boleh dipertingkatkan dengan banyak untuk membentuk polimer larut. Proses pengubahsuaian HPMC secara amnya merangkumi tindak balas selulosa dengan metil klorida (CH3Cl) dan propilena alkohol (C3H6O) di bawah keadaan alkali, dan produk yang terhasil mempunyai hidrofilik dan keterlarutan yang kuat.
2. Tindak balas kimia semasa penapaian
Proses penapaian HPMC biasanya bergantung kepada tindakan mikroorganisma, yang menggunakan HPMC sebagai sumber karbon dan sumber nutrien. Proses penapaian HPMC merangkumi peringkat utama berikut:
2.1. Kemerosotan HPMC
Selulosa itu sendiri terdiri daripada unit glukosa yang disambungkan, dan HPMC akan terdegradasi oleh mikroorganisma semasa proses penapaian, mula-mula diuraikan menjadi gula yang lebih kecil yang boleh digunakan (seperti glukosa, xilosa, dll.). Proses ini biasanya melibatkan tindakan beberapa enzim pengurai selulosa. Reaksi degradasi utama termasuk:
Tindak balas hidrolisis selulosa: Ikatan β-1,4 glikosidik dalam molekul selulosa akan dipecahkan oleh hidrolase selulosa (seperti selulase, endoselulase), menghasilkan rantai gula yang lebih pendek (seperti oligosakarida, disakarida, dll.). Gula ini akan terus dimetabolismekan dan digunakan oleh mikroorganisma.
Hidrolisis dan degradasi HPMC: Substituen metil dan hidroksipropil dalam molekul HPMC akan disingkirkan sebahagiannya melalui hidrolisis. Mekanisme khusus tindak balas hidrolisis masih belum difahami sepenuhnya, tetapi boleh dibuat spekulasi bahawa dalam persekitaran penapaian, tindak balas hidrolisis dimangkinkan oleh enzim yang dirembeskan oleh mikroorganisma (seperti hidroksil esterase). Proses ini membawa kepada pemecahan rantai molekul HPMC dan penyingkiran kumpulan berfungsi, akhirnya membentuk molekul gula yang lebih kecil.
2.2. Reaksi metabolik mikrob
Sebaik sahaja HPMC terdegradasi kepada molekul gula yang lebih kecil, mikroorganisma dapat menukar gula ini kepada tenaga melalui tindak balas enzim. Secara khusus, mikroorganisma menguraikan glukosa kepada etanol, asid laktik atau metabolit lain melalui laluan penapaian. Mikroorganisma yang berbeza boleh memetabolismekan produk degradasi HPMC melalui laluan yang berbeza. Laluan metabolik biasa termasuk:
Laluan Glikolisis: Glukosa diuraikan menjadi piruvat oleh enzim dan seterusnya ditukar kepada tenaga (ATP) dan metabolit (seperti asid laktik, etanol, dll.).
Penjanaan produk penapaian: Di bawah keadaan anaerobik atau hipoksik, mikroorganisma menukar glukosa atau produk degradasinya kepada asid organik seperti etanol, asid laktik, asid asetik, dll. melalui laluan penapaian, yang digunakan secara meluas dalam proses perindustrian yang berbeza.
2.3. Reaksi redoks
Semasa proses penapaian HPMC, sesetengah mikroorganisma boleh mengubah produk perantaraan lagi melalui tindak balas redoks. Sebagai contoh, proses pengeluaran etanol disertai dengan tindak balas redoks, glukosa dioksidakan untuk menghasilkan piruvat, dan kemudian piruvat ditukar kepada etanol melalui tindak balas pengurangan. Tindak balas ini penting untuk mengekalkan keseimbangan metabolisme sel.
3. Kawal faktor dalam proses penapaian
Semasa proses penapaian HPMC, faktor persekitaran mempunyai pengaruh penting terhadap tindak balas kimia. Contohnya, pH, suhu, kandungan oksigen terlarut, kepekatan sumber nutrien, dan lain-lain akan menjejaskan kadar metabolisme mikroorganisma dan jenis produk. Terutamanya suhu dan pH, aktiviti enzim mikrob mungkin berbeza dengan ketara di bawah suhu dan keadaan pH yang berbeza, jadi adalah perlu untuk mengawal keadaan penapaian dengan tepat untuk memastikan kemerosotan HPMC dan kemajuan lancar proses metabolik mikroorganisma.
Proses penapaianHPMCmelibatkan tindak balas kimia yang kompleks, termasuk hidrolisis selulosa, degradasi HPMC, metabolisme gula, dan penjanaan produk penapaian. Memahami tindak balas ini bukan sahaja membantu mengoptimumkan proses penapaian HPMC, tetapi juga menyediakan sokongan teori untuk pengeluaran perindustrian yang berkaitan. Dengan penyelidikan yang mendalam, kaedah penapaian yang lebih cekap dan menjimatkan boleh dibangunkan pada masa hadapan untuk meningkatkan kecekapan degradasi HPMC dan hasil produk, dan menggalakkan penggunaan HPMC dalam biotransformasi, perlindungan alam sekitar dan bidang lain.
Masa siaran: Feb-17-2025