نوشته‌ها

گلوکونیک اسید و قندهای شیمیایی سبز ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

گلوکونیک اسید و قندهای شیمیایی سبز

بسم الله الرحمن الرحیم

گلوکونیک اسید و قندهای شیمیایی سبز

کلیات :

گلوکونیک اسید ب اکسیداسیون انتخابی D-گلوکز در یک پروسه ی فرمنتاسیون تولید می شود و یک محصول بیوتکنولوژیک است. اخیرا، مشتقات قندی در قالب تکنولوژی سبز توسعه داده شده اند از جمله 2و5-فوران دی کربوکسیلیک اسید، لوولینیک اسید استرها، گلوکاریک اسید و ایزوسوربید. این مشتقات قندی که از طریق شیمی تولید می شوند پتانسیل اینکه به عنوان مواد خام از تصفیه کننده های زیستی در آینده در دسترس باشند را دارا هستند.

ساختار و ویژگی های گلوکونیک اسید و فوران دی کربوکسیلیک اسید و بیوسنتر فوران دی کربوکسیلیک اسید ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

ساختار و ویژگی های گلوکونیک اسید و فوران دی کربوکسیلیک اسید و بیوسنتر فوران دی کربوکسیلیک اسید

گلوکونات

سدیم D-gluconate و δ-لاکتون آن به میزان 70000 تن تولید می شوند. δ-لاکتون در صنایع غذایی به عنوان یک اسیدی کننده ی ملایم کاربرد دارد. نمک کلسیم و آهن گلوکونات بسیار محلول و غیر سمی هستند و به همین دلیل در محلول های تزریقی برای درمان کمبود کلسیم و آهن استفاده می شوند. سدیم گلوکونات هم یک عامل کمپلکس شونده با کلسیم و آهن بسیار پایدار می باشد حدود 50% این محصول به عنوان یک افزودنی برای شستشو و حذف عوامل قلیایی بطری، در تهیه ی بتن، و برای جلوگیری از رسوب آهن در تیمار منسوجات استفاده می شود. pKa ی گلوکونیک اسید حدودا 7/3 می باشد.

بیوسنتز گلوکونیک اسید توسط آسپرژیلوس نایجر ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

بیوسنتز گلوکونیک اسید توسط آسپرژیلوس نایجر

D-گلوکونیک اسید محصول نهایی اکسیداسیون نیمه نهایی D-گلوکز می باشد بنابراین از این جهت مشابه اکسیداسیون نیمه نهایی اتانول به استیک اسید می باشد. تعدادی از قارچ ها (Aspergillus niger, Penicillium) و همچنین باکتری های اکسیداتیو خصوصا Gluconobacter این واکنش را انجام می دهند. در قارچ ها، فلاووآنزیم مسئول این واکنش D-گلوکز اکسیداز می باشد که در دیواره ی سلولی قرار دارد اما می توان آن را در محیط طی فرمنتاسیون هم یافت کرد. گلوکز اکسیداز یک آنزیم کلیدی برای تعیین سطح قند خون در بیوسنسورها می باشد. در مقابل، سویه های Gluconobacter یک گلوکز دهیدروژناز متصل به غشا دارند که مانند الکل و آلدئید دهیدروژناز سویه های Acetobacter حاوی پیرولوکوئینولین کوئینون به عنوان کوفاکتور می باشد.

فرمنتاسیون و بازیافت D-گلوکونیک اسید :

D-گلوکونیک اسید از طریق اکسیداسیون الکتروشیمیایی یا از طریق یک پروسه ی فرمنتاسیون توسط Aspergillus niger از D-گلوکز تولید می شود. در pH های بالای 3 این قارچ گلوکز اکسیداز را در دیواره ی سلولی خود انباشته می کند که این آنزیم Dگلوکز را به D-گلوکز-5-لاکتون اکسید می نماید و این ترکیب به طور خودبخودی یا سریعتر توسط کاتالیز آنزیمی (لاکتوناز) به D-گلوکونیک اسید هیدرولیز می شود. سدیم یا کلسیم گلوکونات با رشد توده ی سلولی در 5/6-5/4 pH (در محیط بافری Na2CO3/NaOH یا CaCO3) از طریق افزودن 25-11% D-گلوکز تحت شرایط هوادهی شدید حاصل می شود. نمک را از طریق تغلیظ از محلول فیلتر شده ی فرمنتاسیون به دست می آورند. اسید آزاد و لاکتون از طریق کروماتوگرافی تعویض یونی از نمک حاصل می شود.

فرمنتاسیون و بازیافت D-گلوکونیک اسید ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

فرمنتاسیون و بازیافت D-گلوکونیک اسید

2و5-فوران دی کربوکسیلیک اسید

این ترکیب یک متابولیت انسانی است و در ادرار یا پلاسمای سرم انسان می توان آن را یافت. این ترکیب از نظر تکنیکی توسط دهیدراسیون D-گلوکز به هیدروکسی متیل فورفورال یا آلکوکسی متیل فورفوران و سپس اکسیداسیون کاتالیتیک تحت شرایط قلیایی قوی تهیه می شود. مرحله ی اکسیداسیون هم به طور انتخابی توسط باکتری Cupriavidus basilensis HMF14 انجام می شود. این ترکیب جایگزین بالقوه ای برای ترفتالیک اسید حاصل از پتروشیمی می باشد و می توان آن را با دی ال هایی مانند اتیلن گلایکول (به عنوان مثال از بیواتانول) ترکیب کردتا مواد سبز از جمله پلی اتیلن فورانوآن ها (PEF) حاصل شود، این ترکیب از نظر قابل جایگزین بودن به جای پلی اتیلن ترفتالات (PET) مورد بررسی می باشد.

PEF به طور کامل از قند ساخته می شود و تجزیه پذیر زیستی می باشد. این تکنولوژی Y-X-Y (iksy) توسط شرکت Avantium ، یک کمپانی Dutch که با چندین کمپانی بطری سازی مانند Coca Cola یا Danone همکاری دارد راه اندازی شده است. با جایگزینی ترکیب دی ال برای مثال پروپان دی ال، سایر مواد از جمله فیبرها یا فیلم ها را می توان با استفاده از تکنولوژی Y-X-Y تولید کرد.

سایر قندهای سبز ایزو سوربید ، گلوکاریک اسید ، لوولینیک اسید استرها ، ، Aspergillus niger ، Penicillium ، Gluconobacter فلاووآنزیم ، گلوکز اکسیداز ، گلوکز دهیدروژناز ،Acetobacter ، کوئینون ، لاکتوناز ،کلسیم گلوکونات ، Cupriavidus basilensis ، ترفتالیک اسید ، اتیلن گلایکول ، پلی اتیلن ترفتالات ، پلی اتیلن فورانوآن ، PET ایزو سوربید ، سوربیتول ، گلوکاریک اسید ، آمینولوولینیک اسید

سایر قندهای سبز ایزو سوربید ، گلوکاریک اسید ، لوولینیک اسید استرها

ایزو سوربید

ایزوسوربید یک ماده ی بسیار هیگروسکوپیک می باشد که از دومرحله دهیدراسیون از D-سوربیتول به دست می آید. این ماده به عنوان یک ماده ی خشک کننده و دیورتیک کاربرد دارد اما پتانسیل اینکه به عنوان یک جز شیمیایی سازنده برای مثال برای سنتز پلی استرها بکار گرفته شود را نیز دارد. ایزو سوربید پل کربنات (Durabio) خصوصیات مشابهی با پلی کربنات های تولید شده به روش پتروشیمی دارد.

گلوکاریک اسید 

گلوکاریک اسید از طریق اکسیداسیون شیمیایی انتخابی D-گلوکز به دست می آید. در کربوکسیلیک اسید حاوی چهار مرکز کایرال می باشد و به همین دلیل امکان تولید چندین محصول کایرال را فراهم می سازد. در حال حاضر گلوکاریک اسید به عنوان یک لایه بردار آرایشی مورد استفاده قرار می گیرد.

لوولینیک اسید استرها

این ترکیبات از طریق گرمادهی D-گلوکز در اسیدهای رقیق شده در حضور الکل ها تهیه می شود. به عنوان مثال، در حضور متانول ترکیب لوولینیک اسید متیل استر تشکیل می شود و در حضور گلیسرول، ترکیب لوولینیک اسید کتال ها تولید می شوند. چنین محصولاتی پتانسیل جایگزین شدن به جای مواد پتروشیمیایی را به عنوان مثال در موردپلاستیک، حلال ها، ترکیبات پلی یورتان یا مواد شیمیاییی آلی مانند δ-آمینولوولینیک اسید را دارند.

 

 

نویسنده : طاهره صادقیان _ دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی دارویی _ علوم پزشکی اصفهان

کانال تلگرامی بیوتکنولوژی

 

تولید آسپارتام ، L- فنیل آلانین و L- آسپارتیک اسید - بیوتکنولوژی - شیرین کننده های مصنوعی

تولید آسپارتام ، L- فنیل آلانین و L- آسپارتیک اسید – بیوتکنولوژی – شیرین کننده های مصنوعی

آسپارتام ، L- فنیل آلانین و L- آسپارتیک اسید

کلیات : آسپارتام (L- α- آسپارتیل-L- فنیل آلانین- متیل استر) یک شیرین کننده ی مصنوعی کم کالری می باشد که حدودا دویست مرتبه شیرین تر از سوکروز است. این شیرین کننده در سال 1965 توسط کمپانی G. D. Searle کشف شد و در سال 1981، FDA آن را به عنوان افزودنی غذایی مجاز تائید کرد. سالانه 20000 تن آسپارتام تولید می شود (آمار مربوط به سال 2009) و غالب بازار آسپارتام در اختیار کمپانی Ajinomoto می باشد. آسپارتام از L- آسپارتیک اسید و L- فنیل آلانین تولید می شود. سنتز شیمیایی آن نیازمند استفاده از چندین گروه حفاظتی می باشد به همین دلیل قابل رقابت با سنتز آنزیمی نیست.

آسپارتام، L- فنیل آلانین و L- آسپارتیک اسید - بیوتکنولوژی

آسپارتام، L- فنیل آلانین و L- آسپارتیک اسید

L- آسپارتیک اسید :

L- آسپارتیک اسید را می توان از هیدرولیزات های پروتئینی استخراج نمود. اگرچه، از افزودن آمونیاک به فوماریک اسید توسط آنزیم آسپارتاز موجود در سلول های E. coli به عنوان سنتز ترجیحی آن استفاده می شود. در این نوع سنتز باکتری های تثبیت شده در κ-کاراجینان یا پلی آکریل آمید به عنوان راکتور سلولی به کار گرفته می شوند. بازده تولید این سیستم حدود gL-1h-1 40 می باشد و پایداری عملکردی آن (نیمه عمر کاتالیست) نهایتا 2 سال است. با استفاده از سلول های لیوفیلیزه ی القا شده، بازده به gL-1 166 رسیده است. بکارگیری پلاسمید حامل ژن کد کننده ی آسپارتاز، باعث افزایش 30 برابری بیان آنزیم آسپارتاز در سلول های E. coli K12 شده است. پروسه های فرمنتاسیون (تخمیر) قابل رقابت با راکتورهای سلولی نیستند حتی اگر در این پروسه ها از سویه های موتانت با کارایی بالا استفاده شود.

تولید L- آسپارتیک اسید بیوتکنولوژی

تولید L- آسپارتیک اسید

L- فنیل آلانین :

در گذشته معمولا برای تولید صنعتی این اسیدآمینه از راکتورهای آنزیمی و مواد اولیه ی شیمیایی در دسترس استفاده می شد. اخیرا، پروسه های فرمنتاسیون مبتنی بر موتانت های با کارایی بالا ترجیح داده می شوند. در دسترس بودن و هزینه ی تهیه ی پیش سازهای سنتتیک در مقایسه با بازده پروسه ی فرمنتاسیون از جمله عوامل مهم و تعیین کننده ی ارجحیت اقتصادی این پروسه ها است. بهترین نتایج راکتورهای آنزیمی مربوط به افزودن آمونیاک به ترانس- سینامیک اسید با استفاده از آنزیم فنیل آلانین آمونیوم لیاز باکتری Rhodotorula glutinis می باشد. در یک راکتور سلولی حاوی میکروارگانیسم های تثبیت شده، میزان بازده تولید gL-1 50 با درصد بازیابی بیوکاتالیست 83% است.

تولید L- فنیل آلانین بیوتکنولوژی

تولید L- فنیل آلانین

تجزیه ی D,L- 5- بنزیل هیدانتوئین توسط آنزیم های L- هیدانتوئیناز و L-N- کرباموئیلاز باکتری Flavobacterium ammoniagenes هم نتایج امیدبخشی داشته است. در حال حاضر، از موتانت های با کارایی بالای E. coli برای تولید این اسیدآمینه استفاده می شود. بیوسنتز L- فنیل آلانین از پیش سازهای اریتروز-4-فسفات و فسفو انول پیروات از طریق حد واسط های شیکیمیک اسید، کوریسمیک اسید و پرفنیک اسید انجام می شود. این مسیر بیوسنتزی انشعابات فرعی هم دارد که منجر به تولید L- تیروزین و L- تریپتوفان می شود و بسیاری از آنزیم های مسیر به شدت تنظیم شونده می باشند.

به همین دلیل، برای تولید L- فنیل آلانین از موتانت های اکسوتروف استفاده می شود. از آن جایی که تمامی سویه های مولد از نظر L- تیروزین هم اکسوتروف هستند می توان با افزودن L- تیروزین به محیط کشت رشد را هم کنترل نمود و این یک مزیت محسوب می شود. اغلب ژن های این مسیر کلون شده اند و روش های ژنتیکی هم برای ایجاد سویه های با تولید دائمی بکار گرفته شده اند. بازدهی معادل gL-1 50 بعد از h 60 توسط سویه های E. coli گزارش شده است. فرمنتاسیون به روش نیمه خوراک دهی (fed-batch) انجام می شود، سلول ها با فیلتراسیون حذف می شوند و معمولا محصول نهایی با استفاده از تغلیظ توسط اولترافیلتراسیون به همراه کروماتوگرافی جذبی و کریستالیزاسیون بازیافت می گردد.

آسپارتام :

سنتز شیمیایی آسپارتام از دو اسید آمینه ی سازنده اش، مستلزم استفاده از گروه های محافظتی و سپس حذف آن ها می باشد. در حال حاضر استفاده از پروسه ی تولید آنزیمی در مقایسه با این پروسه ی چند مرحله ای، ساده تر می باشد. در پروسه ی آنزیمی، تنها گروه آمینوی L- آسپارتیک اسید است که باید محافظت شود و یک آنزیم هم برای کاتالیز آمیداسیون گروه α- کربوکسی L-Z آسپارتیک اسید (ایزومر تلخ مزه ی L- بتا- آسپارتیل- L- فنیل آلانین- متیل استر) با L- فنیل آلانیل متیل استر به کار گرفته می شود. با استفاده از این آنزیم حتی می توان از فنیل آلانین متیل استرهای راسمیک نیز در این پروسه استفاده نمود. آنزیم ترجیحی برای این واکنش آنزیم ترمولیزین باکتری Bacillus stearothermophilus می باشد و حلال مورد استفاده هم ایزو آمیل الکل است.

تولید آسپارتام

تولید آسپارتام

ترمولیزین مقاومت حرارتی بسیار بالایی دارد و امکان انجام پروسه در دمای °C 70 را فراهم می نماید و منجر به بازده بالای g L-1 h-1 30 می شود. محصول نهایی خلوص بالایی دارد و با کروماتوگرافی تعویض یونی خالص سازی می شود. آسپارتام تنها یکی از چندین شیرین کننده ی مصنوعی کم کالری است که اخیرا وارد بازار شده اند. از جمله این شیرین کننده ها می توان به سوکرالین (تری کلرو-گالاکتوسوکروز)، استویوسید (یک دی ترپن گلیکوزیله)، تائوماتین یا مونلین (به ترتیب پروتئین ها و پپتیدهای گلیکوزیله) و ادوانتام (یک دی پپتید تغییر یافته ی آسپارتیل-فنیل-آلانین که توسط کمپانی Ajinomoto توسعه یافته است) اشاره نمود.

نویسنده : طاهره صادقیان _ دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی دارویی _ علوم پزشکی اصفهان

کانال تلگرامی بیوتکنولوژی