Hidroksipropil metilceluloza (HPMC)je vodotopna polimerna spojina, ki se pogosto uporablja na industrijskem in medicinskem področju in ima širok razpon uporabnih vrednosti, na primer pri nadzorovanem sproščanju zdravil, predelavi hrane in gradbenih materialih. Kemične reakcije v procesu fermentacije so v glavnem povezane z razgradnjo in modifikacijo celuloze ter presnovnimi aktivnostmi mikroorganizmov. Da bi bolje razumeli kemijske reakcije HPMC v procesu fermentacije, moramo najprej razumeti njeno osnovno strukturo in proces razgradnje celuloze.
1. Osnovna struktura in lastnosti hidroksipropil metilceluloze
HPMC je derivat, pridobljen s kemično modifikacijo naravne celuloze (celuloze). Hrbtenico njegove molekularne verige predstavljajo molekule glukoze (C6H12O6), povezane z β-1,4 glikozidnimi vezmi. Celulozo samo po sebi je težko raztopiti v vodi, toda z uvedbo metilnih (-OCH3) in hidroksipropilnih (-C3H7OH) skupin je mogoče močno izboljšati njeno topnost v vodi, da nastane topen polimer. Postopek modifikacije HPMC na splošno vključuje reakcijo celuloze z metil kloridom (CH3Cl) in propilen alkoholom (C3H6O) v alkalnih pogojih, nastali produkt pa ima močno hidrofilnost in topnost.
2. Kemične reakcije med fermentacijo
Proces fermentacije HPMC je običajno odvisen od delovanja mikroorganizmov, ki uporabljajo HPMC kot vir ogljika in hranil. Postopek fermentacije HPMC vključuje naslednje glavne faze:
2.1. Razgradnja HPMC
Sama celuloza je sestavljena iz povezanih glukoznih enot, HPMC pa bodo mikroorganizmi med procesom fermentacije razgradili, najprej razgradili na manjše uporabne sladkorje (kot so glukoza, ksiloza itd.). Ta proces običajno vključuje delovanje več encimov, ki razgrajujejo celulozo. Glavne reakcije razgradnje vključujejo:
Reakcija hidrolize celuloze: β-1,4 glikozidne vezi v celuloznih molekulah bodo pretrgale celulozne hidrolaze (kot so celulaza, endocelulaza), pri čemer nastanejo krajše sladkorne verige (kot so oligosaharidi, disaharidi itd.). Te sladkorje bodo mikroorganizmi nadalje presnovili in uporabili.
Hidroliza in razgradnja HPMC: metilni in hidroksipropilni substituenti v molekuli HPMC bodo delno odstranjeni s hidrolizo. Specifični mehanizem reakcije hidrolize še ni popolnoma razumljen, vendar je mogoče ugibati, da v fermentacijskem okolju reakcijo hidrolize katalizirajo encimi, ki jih izločajo mikroorganizmi (kot je hidroksil esteraza). Ta proces vodi do prekinitve molekularnih verig HPMC in odstranitve funkcionalnih skupin, kar na koncu tvori manjše molekule sladkorja.
2.2. Mikrobne presnovne reakcije
Ko se HPMC razgradi v manjše molekule sladkorja, lahko mikroorganizmi pretvorijo te sladkorje v energijo z encimskimi reakcijami. Natančneje, mikroorganizmi razgradijo glukozo v etanol, mlečno kislino ali druge metabolite skozi fermentacijske poti. Različni mikroorganizmi lahko presnavljajo produkte razgradnje HPMC po različnih poteh. Pogoste presnovne poti vključujejo:
Glikolizna pot: Glukoza se z encimi razgradi v piruvat in se nato pretvori v energijo (ATP) in metabolite (kot so mlečna kislina, etanol itd.).
Nastajanje fermentacijskih produktov: V anaerobnih ali hipoksičnih pogojih mikroorganizmi pretvorijo glukozo ali njene razgradne produkte v organske kisline, kot so etanol, mlečna kislina, ocetna kislina itd., preko fermentacijskih poti, ki se pogosto uporabljajo v različnih industrijskih procesih.
2.3. Redoks reakcija
Med postopkom fermentacije HPMC lahko nekateri mikroorganizmi nadalje transformirajo vmesne produkte z redoks reakcijami. Na primer, proizvodni proces etanola spremljajo redoks reakcije, glukoza se oksidira, da nastane piruvat, nato pa se piruvat z redukcijskimi reakcijami pretvori v etanol. Te reakcije so bistvene za vzdrževanje presnovnega ravnovesja celic.
3. Nadzorni dejavniki v procesu fermentacije
Med postopkom fermentacije HPMC okoljski dejavniki pomembno vplivajo na kemične reakcije. Na primer, pH, temperatura, vsebnost raztopljenega kisika, koncentracija vira hranil itd. bodo vplivali na hitrost presnove mikroorganizmov in vrsto izdelkov. Zlasti temperatura in pH, aktivnost mikrobnih encimov se lahko znatno razlikujeta pod različnimi temperaturnimi in pH pogoji, zato je treba natančno nadzorovati pogoje fermentacije, da zagotovimo razgradnjo HPMC in nemoten napredek presnovnega procesa mikroorganizmov.
Postopek fermentacijeHPMCvključuje zapletene kemične reakcije, vključno s hidrolizo celuloze, razgradnjo HPMC, presnovo sladkorjev in nastajanjem produktov fermentacije. Razumevanje teh reakcij ne le pomaga optimizirati proces fermentacije HPMC, ampak nudi tudi teoretično podporo za povezano industrijsko proizvodnjo. S poglabljanjem raziskav se lahko v prihodnosti razvijejo učinkovitejše in gospodarnejše metode fermentacije za izboljšanje učinkovitosti razgradnje HPMC in izkoristka produktov ter spodbujanje uporabe HPMC v biotransformaciji, varstvu okolja in na drugih področjih.
Čas objave: 17. februarja 2025