biotechnologia


 
 

Biotechnologiczna produkcja kwasu mlekowego przez grzyby z rodzaju Rhizopus i jego wykorzystanie

Autor: Michał Pałys
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie


Historia i charakterystyka kwasu mlekowego

Badania nad kwasem mlekowym mają długą i ciekawą historię. Po raz pierwszy został odkryty w kwaśnym mleku przez szwedzkiego chemika Schelle w 1780 roku i uznany za składnik mleka. W 1890 roku Lavoisier nazwał ten składnik mleka „Lactique acide” co przyczyniło się do obecnej terminologii kwasu mlekowego. Jednak w 1857 roku Pasteur odkrył, że nie jest on elementem mleka lecz jego metabolitem. W 1839 roku Fremmy wyprodukował kwas mlekowy na drodze fermentacji różnych węglowodanów, takich jak sacharoza, laktoza, mannitol, skrobia i dekstryny. Pierwsza mikrobiologiczna komercyjna produkcja kwasu mlekowego rozpoczęła się w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej w 1881 roku.

Kwas mlekowy wg. numerycznych oznaczeń UE jest oznakowany symbolem E270. Jest najprostszym karboksylowym kwasem z asymetrycznym atomem węgla (CH3CHOHCOOH). Kwas mlekowy jest substancją bezbarwną o łagodnym lekko kwaśnym smaku i swoistym zapachu. Występuje w wielu owocach, warzywach, winie oraz produktach fermentowanych. W przyrodzie można go spotkać w postaci dwóch izomerów optycznych, L(+) i D (-) i racemicznej DL. Podwyższona zawartość D izomeru jest szkodliwa dla ludzi. Produkowany jest przez ludzi, zwierzęta w czasie wysiłku oraz mikroorganizmy w procesie fermentacji.
Komercyjnie dostępne gatunki kwasu to techniczny, do celów spożywczych, farmakopoealny i do produkcji polimerów.

Otrzymywanie kwasu mlekowego z udziałem mikroorganizmów

Obecnie roczną światową produkcję kwasu mlekowego szacuje się na 80 000 ton z czego 90% wytwarza się w procesach fermentacyjnych z udziałem mikroorganizmów a 10% na drodze syntezy chemicznej z ropy naftowej. Głównymi producentami kwasu mlekowego są bakterie homo- i heterofermentatywne. Bakterie homofermentatywne wytwarzają głównie kwas mlekowy, natomiast bakterie heterofermentatywne oprócz kwasu mlekowego produkują inne kwasy jak octowy, mrówkowy oraz etanol. Bakterie fermentacji mlekowej wymagają dość bogatego podłoża hodowlanego zawierającego witaminy z grupy B. To z kolei utrudnia wydzielenie, oczyszczenie i otrzymanie czystego kwasu mlekowego. Do produkcji kwasu mlekowego z substratów takich jak serwatka, melasa, skrobia kukurydziana, ziemniaczana wykorzystuje się głównie bakterie z rodzaju Lactobacillus, Loctococcus i Streptococcus.

Oprócz bakterii inne mikroorganizmy również wytwarzają kwas mlekowy. Do takich należą grzyby z gatunku Rhizopus oryzae, które są dobrymi producentami kwasu mlekowego. W porównaniu do bakterii, grzyby mają niskie potrzeby żywieniowe i są bardziej tolerancyjne na warunki środowiskowe, jak pH i temperatura. Ponadto mają właściwości amylolityczne i mogą bezpośrednio z surowców wytwarzać kwas mlekowy. Szczepy grzybów Rhizopus oryzae, takie jak: NRRL 395 i ATCC 52311, NBRC 5414, NBRC 4785 cechuje wysoka produktywność kwasu mlekowego podczas fermentacji zarówno cukrów, surowców skrobiowych i odpadów przemysłowych. Do innych dobrych producentów kwasu mlekowego należą gatunki Rhizopus arrhizus.

Proces produkcji kwasów organicznych w tym mlekowego z udziałem szczepów z rodzaju Rhizopus ma charakter tlenowy. Kultury z rodzaju Rhizopus są zdolne wykorzystywać jako źródła węgla służące do ich wzrostu i rozwoju sacharydy proste, dwucukry, a także polisacharydy. Jednak do produkcji czystego kwasu mlekowego wykorzystują głównie glukozę. Liczne szczepy Rhizopus mają zdolność wykorzystywania innych cukrów jak ksyloza, fruktoza, mannoza, galaktoza zaś w mniejszym stopniu sacharoza. Grzyby z rodzaju Rhizopus są zdolne do degradacji skrobi oraz celulozy i hemicelulozy, dlatego wytwarzanie kwasu mlekowego prowadzi się często na ubocznych produktach rolniczych jak kolby kukurydzy czy słoma kukurydzy i innych zbóż. Wykorzystuje się również odpady przemysłowe. Do takich należą m. in. ścieki owocowe, warzywne lub rybne, a nawet odpady papiernicze i drzewne. Słoma zbóż i odpady papiernicze oraz drzewne wymagają wstępnej obróbki polegającej na działaniu 0,5% kwasem siarkowym w temperaturze 180-205oC, aby ułatwić enzymom dostęp do polimerów wykorzystywanej biomasy.

Produkcja kwasu mlekowego z wykorzystaniem sacharydów przez grzyby obejmuje dwa etapy. W pierwszym etapie grzyby syntetyzują enzymy, dzięki którym degradują cukry złożone do cukrów prostych. W drugim etapie cukry proste są fermentowane do kwasu mlekowego. Efektywność procesu fermentacji zależy od doboru odpowiedniego szczepu grzybów oraz od czynników środowiskowych takich jak pH, temperatura, natlenienie stężenie substratu i inne.

Proces biologiczny z udziałem grzybów i otrzymanie kwasu mlekowego może być prowadzony w hodowli wgłębnej i lub na podłożu stałym. Z reguły biokonwersję kwasu mlekowego z różnych podłoży hodowlanych prowadzi się w hodowli wgłębnej. Proces fermentacji hodowli wgłębnej przebiega w dwóch fazach. W pierwszej fazie przy niewielkich ilościach azotu i soli mineralnych następuje namnożenie biomasy grzybów. W drugiej fazie następuje zahamowanie przyrostu biomasy grzybów i rozpoczyna się produkcja kwasu mlekowego. Jako źródła azotu do produkcji kwasu stosuje się najczęściej siarczan amonu, a w mniejszym stopniu inne mineralne związki zawierających azot. Z naturalnych źródeł azotu należy wymienić peptydy i ekstrakt drożdżowy. Produktywność kwasu mlekowego i biomasy grzybów zależy od właściwie dobranego stosunku C do N w pożywce hodowlanej. O zwiększeniu ilości otrzymanego kwasu mlekowego w procesie fermentacji wgłębnej decyduje forma morfologiczna grzyba. Grzyby w hodowlach mogą rosnąć w trzech formach: nitkowej, kęp i granulek, czyli pellets. Forma grzybni regulowana jest przez pH, stężenie zarodników, wytrząsanie oraz inne czynniki środowiskowe. Najczęściej wysokie stężenie kwasu mlekowego uzyskuje się stosując granulki małych rozmiarów lub kłaczków grzybni. Do innych czynników zwiększających wydajność produkcji kwasu mlekowego należy unieruchomienie grzybni. Immobilizację grzybów dokonuje się różnymi nośnikami syntetycznymi, jak kostki poliuretanowe lub kulki alginianu wapnia. Najczęściej do spotykanych naturalnych nośników syntetycznych należy zaliczyć tkaninę bawełnianą, a w mniejszym stopniu gąbki z wysuszonych owoców. W sprzyjających warunkach hodowli unieruchomienie grzybni może zwiększyć produkcję kwasu mlekowego 2 lub 3 krotnie. Pozytywny wpływ na produkcję kwasu mlekowego wywiera temperatura hodowli. Najlepsze stężenie kwasu mlekowego uzyskuje się w temperaturze w granicach od 30 do 34oC.

W celach badawczych hodowle mikroorganizmów prowadzi się w kolbach lub mniejszych bioreaktorach, zaś w celach komercyjnych w dużych fermentorach o pojemnościach do 100m3. Bioreaktory mogą pracować w sposób okresowy, półciągły i ciągły. Czas hodowli mikroorganizmów i produkcji kwasu mlekowego zależy od stężenia cukrów w pożywce i wynosi od 4 do 10 dni. Środowisko kwasowe pożywki reguluje się węglanem wapnia i wodorotlenkiem sodu, wapnia lub amonu. Zacier szczepi się zarodnikami mikroorganizmów. W procesie fermentacji otrzymuje się kwas mlekowy z zanieczyszczeniami (białka, węglowodany, substancje barwiące, metale ciężkie). Technika oczyszczania kwasu mlekowego zależy od stopnia zanieczyszczenia. Kwas mlekowy wytwarzany z cukrów czystych jest mniej zanieczyszczony. Oczyszcza się go przez wymianę jonową oraz działanie nadtlenkiem wodoru lub nadmanganianu (VII) potasu i zatęża. Usuwa się metale ciężkie heksacyjanożelazianem (II). Natomiast kwas produkowany z różnych surowców o większym zanieczyszczeniu wymaga złożonej metody wydobycia. Z supernatantu, czyli płynu fermentacyjnego na gorąco sączy się produkt w postaci soli wapniowej (mleczanu wapnia). Następnie przeprowadza się wielokrotne krystalizowanie. Alternatywą krystalizacji jest ekstrakcja rozpuszczalnikiem lub estryfikacja metanolem i destylacja.

Wykorzystanie kwasu mlekowego w przemyśle spożywczym

W przemyśle spożywczym kwas mlekowy pełni różne funkcje technologiczne. Jest dobrym regulatorem kwasowości, substancją konserwującą czy dodatkiem poprawiającym smak. Jego działanie konserwujące polega na obniżeniu pH środowiska i hamowaniu rozwoju niepożądanych mikroorganizmów. Kwas mlekowy w marynatach przetwórstwa domowego może zastępować częściowo kwas octowy. Dodany do zalew i solanek nadaje klarowność i poprawia smak.

Stosowany jest do zakwaszania m.in. przetworów zżelowanych (dżemy, marmolady), napojów owocowych i warzywnych, serków topionych, twarogów, majonezów, koncentratów pomidorowych oraz odżywek dla dzieci. Dzięki właściwościom bakteriostatycznym stosowany jest do zakwaszania napojów gazowanych i napojów z dodatkiem soków naturalnych. Jest substancją zakwaszającą przetwory rybne, konserwy mięsne i wyroby garmażeryjne.

W piekarnictwie służy do korygowania kwasowości ciasta żytniego i pszennego w postaci 2-stroilo mleczanu wapnia oraz ogranicza rozwój niepożądanej mikroflory. W przemyśle mięsnym kwas mlekowy pełni rolę regulatora kwasowości, substancji smakowej oraz wspomaga proces peklowania. Hamuje rozwój mikroflory wywołującej psucie mięsa, podrobów i innych przetworów bez obróbki termicznej.

Kwas mlekowy w odróżnieniu od octu spirytusowego jest całkowicie przyswajalny przez organizm człowieka. Zalecany jest szczególnie w schorzeniach wątroby, nerek, trzustki i woreczka żółciowego. Ma duże właściwości przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze, przeciwpierwotniakowe i przeciwgnilne. Stymuluje prawidłowy rozwój mikroflory jelit i zapobiega nieżytom przewodu pokarmowego.

Kwas mlekowy wykorzystywany jest także w żywieniu zwierząt domowych np. trzody chlewnej i drobiu. Jest dodawany do mleka chudego lub wody, które są wykorzystywane do karmienia zwierząt. Ponadto stosowany jest do sporządzania kiszonek paszowych gdzie przyspiesza zakiszanie i zwiększa stabilność kiszonek. W kiszonkach wstrzymuje rozwój niepożądanych i szkodliwych drobnoustrojów.

Wykorzystanie kwasu mlekowego w innych branżach przemysłowych

Kwas mlekowy jest prekursorem do produkcji kwasu polimlekowego (PLA). Można wytwarzać polimery biodegradowalne, czyli ulegające rozkładowi na drodze przemian biochemicznych, które są nieszkodliwe dla środowiska i alternatywne wobec tworzyw syntetycznych pochodzących z przemysłu petrochemicznego.

Kwas PLA jest wykorzystywany w przemyśle chemicznym do produkcji wielu tworzyw sztucznych takich jak folie, pojemniki, worki oraz opakowania na produkty żywnościowe. Jest składnikiem klejów, rozpuszczalników, zmywaczy, detergentów i innych. W garbarstwie kwas mlekowy służy do odwapniania i garbowania skór. W przemyśle włókienniczym utrwala barwienie wełny i innych tkanin. Ma duże zastosowanie w produkcji tworzyw sztucznych do celów medycznych takich jak samo rozpuszczalne nici oraz implanty i wkręty do złamanych kości. W przemyśle farmaceutycznym kwas mlekowy służy do produkcji wielu maści, płynów, leków dermatologicznych a nawet jest składnikiem leków przeciwnowotworowych. Roztwory kwasu mlekowego o stężeniu 50% są stosowane w stomatologii jako środek do usuwania kamienia nazębnego. Ma działania eksfoliacyjne (złuszczające), co przyśpiesza i normalizuje odnowę naskórka. Wygładza skórę powodując jędrność i poprawia jej kolor. Wpływa na spłycenie zmarszczek, rozjaśnia przebarwienia, a także zmniejsza zaczopowywanie gruczołów łojowych, zapobiegając trądzikowi. W postaci soli sodowej stosowany jest jako środek nawilżający i uelastyczniający naskórek. Ponadto ma zastosowanie w pszczelarstwie do zwalczania roztoczy.

Przedstawione dane wskazują, że kwas mlekowy wytwarzany biologicznie z udziałem mikroorganizmów w tym grzybów z rodzaju Rhizopus odgrywa ważną rolę w rozwiązywaniu światowych problemów środowiska, ograniczając ilość odpadów z tworzyw sztucznych. Ma duży potencjał wykorzystania w produktach różnych aplikacji, które mają nieszkodliwy wpływ na środowisko w porównaniu z tworzywami chemicznymi. Jego potencjalny popyt na rynku szacuje się od 2,5 do 3,4 mln ton rocznie. Rozwój i komercjalizacja biopolimerów kwasu prowadzi do zwiększonego jego wykorzystania. Ocenia się roczny wzrost nowych tworzyw w globalnej produkcji na ok. 20-30%.


Literatura:
1. Bai D.M., Li S-Z., Liu Z.L., Cui Z-F. 2008. Enhanced L-(+)-Lactic Acid Production by an Adapted Strain of Rhizopus oryzae using Corncob Hydrolysate. Appl. Biochem. Biotechnol. 144: 79-85.
2. Carlile M.J., Watkinson S.C., Gooday G.W.: Fungal Cells and Vegetative Growth. W: The Fungi. Academic Press London, 2001, pp. 85-184.
3. Kompedium dodatków do żywności. Red.: A Rutkowski, S. Gwiazda, K. Dąbrowski. Wyd. Hortimex, Konin 2003.
4. Kubiczek C.P.: Kwasy organiczne. W: Podstawy biotechnologii. Red. C. Ratledge, B. Kristiansen. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2011, ss. 248-264.
5. Lockwood L.B., Ward G.E., May O.E. 1936. The Physiology of Rhizopus oryzae. J. Agric. Res. 53: 849-857.
6. Mitka K. 2009. Kwas mlekowy (E 270) – substancja nie tylko dla przemysłu spożywczego. Przem. Fermentacyjny i owocowo-warzywny 3: 30-32.
7. Vijayakumar J., Aravindan R., Viruthagiri T. 2008. Recent trends in the production, purification and application of lactic acid. Chem. Biochem. Eng. Quarterly 22 (2): 245-264.
8. Woiciechowski A. L., Soccol C. R, Ramos L. P., Pandey A. 1999. Experimental design to enhance the production of L(+)-lactic acid from steam-exploded wood hydrolysate using Rhizopus oryzae in a mixed-acid fermentation. Process Biochem. 34: 949–955.
9. Wu X., Jiang S., Liu M., Pan L., Zheng Z., Luo S. 2010. Production of L-lactic acid by Rhizopus oryzae using semicontinuous fermentation in bioreactor. J Ind Microbiol. Biotechnol. 38 (4): 565-571.
10. Yin P. M., Nishina N., Kosakai Y., Yahiro K., Park Y., Okabe M. 1997. Enhanced production of L(+)-lactic acid from corn starch in a culture of Rhizopus oryzae using an air-lift bioreactor. J. Ferment. and Bioeng. 84 (3): 249-253.


Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

194 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u