ACIDO GLUCONICOD-glucono-S-lactona, el ms simple de los productos de deshidrogenacin directa de D-glucosa, y su forma libre - cido glucnico - son producidas por una gran variedad de bacterias y hongos. El equilibrio de la lactona y el cido libre en solucin depende del pH y de la temperaturaI 4.3.1 Biologa y bioqumica de la acumulacin de cido glucnico Acumulacin microbiana de cido glucnico fue observado por primera vez en cultivos de bacterias de cido actico, y un parsito bacteriano de olivos, Pseudomonas savastanoi. Con respecto a los hongos, la formacin de cido glucnico por A. niger se observ en 1922 Posteriormente, el cido glucnico se ha demostrado que puede ser producido por varios procariota, as como microorganismos eucariotas, tales como los miembros de los gneros de bacterias Psmdomonas, Vibrio, Acetobacter y Gluconobacter, as como especies de los gneros de hongos Aspergillus, Penitillium y Gliodadium.La formacin de cido glucnico bacteriana se produce principalmente por una enzima, D-glucosa deshidrogenasa, que utiliza PQ.Q. (pirroloquinolina quinona) como coenzima (Fig. 14.7a), y convierte la glucosa en cido glucnico extracelular. Otra enzima, NADP-dependiente de la glucosa deshidrogenasa, no parece estar implicado en la acumulacin de cido glucnico. El cido glucnico no es generalmente un producto final, pero normalmente se transporta en la clula y se cataboliza a travs de las reacciones de la ruta de las pentosas fosfato. Sin embargo, la va de las pentosa fosfato es reprimida por las concentraciones de glucosa extracelular > 15 mm y un pH inferior a 3,5 (este ltimo tambin previene la formacin de 2-oxogluconato), y por lo tanto el cido glucnico se acumula cuando se aplican estas condiciones.La formacin de cido glucnico fngica es catalizada por la enzima glucosa oxidasa. La enzima es extracelular, es decir, parcialmente la pared celular atado en Penicillium spp., Pero secretada en el medio por Aspergillus spp. Adems, A. niger tambin produce una lactonasa. Y por tanto su producto es casi exclusivamente cido glucnico. La glucosa oxidasa es un tetrmero, flavoprotena glicosilada, que utiliza O2 en su reaccin (fig, 14.7b). La enzima se induce ms activamente por las altas concentraciones de glucosa, aireacin y a un pH superior 4. Se inactiva por debajo de pH 3,0 (vase la seccin 14.2.1). Fisiolgicamente, la formacin de glucosa oxidasa puede estar implicado en la reaccin antagnica de A. niger contra otros microorganismos, lo que resulta en la retirada de la glucosa y la formacin de perxido de hidrgeno. Para protegerse contra el perxido de hidrgeno derivada, A. niger tambin secreta mltiples formas de catalasa.14.3.2 Procesos de fermentacin para la produccin de cido glucnico. Varios procesos para la produccin de cido glucnico se han desarrollado, de los cuales se puede utilizar cualquiera de A. niger o G. oxydans como organismos productores. La produccin de cido glucnico con A. niger se desarroll en la l930s y se logra tradicionalmente mediante el proceso de gluconato de calcio. Este nombre se deriva del uso de carbonato de calcio para la neutralizacin del caldo de fermentacin; salvo que se realice; la disminucin de los pH sera inactivar la glucosa oxidasa y por lo tanto, detener la acumulacin de cido glucnico. El medio de produccin contiene hasta 120-150 g / l de glucosa (ms frecuentemente derivado del maz); nuevos aumentos en la concentracin de glucosa se ven obstaculizados por la solubilidad limitada de gluconato de calcio, que precipitara en el micelio e inhibira el O2 y la captacin de sustrato por el hongo. En la dcada de 1950 la solubilidad de gluconato de calcio se increment por la adicin de cido brico a las soluciones de fermentacin. Sin embargo, la Borogluconato formado se encontr que era perjudicial para los vasos sanguneos de animales, y el producto fue retirado del mercado. Otros componentes del medio en particular para el suministro de sal de fsforo y nitrgeno se aaden en cantidades limitantes con el fin de restringir el crecimiento del hongo. Aplicacin de aumento de la presin de oxgeno ha demostrado ser ventajoso, que es fcilmente comprensible teniendo en cuenta la estequiometra de la reaccin (ver Fig. 14.7b). Fermentaciones con rendimientos casi cuantitativos (correspondientes a 90% en una base molar) suelen ser completado en menos de 24 h.Gluconato de sodio se ha utilizado como una alternativa superior al proceso de gluconato de calcio, ya que permite la fermentacin de las concentraciones de glucosa incluso mayores (hasta 350 g/l). En este proceso, el pH se mantiene cerca de pH 6,5 mediante la adicin de NaOH en otros aspectos, el proceso es similar al proceso de gluconato de calcio. Este proceso ha sido empleado para el desarrollo de fermentaciones continuas en Japn, que reivindica la conversin de 35% (w / v} soluciones de glucosa con 95% de rendimiento. Varios diferentes procesos de fermentacin cido glucnico bacteriana se han descrito pero slo unos pocos de ellos son realmente realizados a escala industrial. Como ya se ha mencionado, una alta concentracin de glucosa (> 15%, w / v) y un pH inferior a 3,5 son necesarios para altos rendimientos. Varios trabajadores han demostrado tambin la posibilidad de utilizar clulas inmovilizadas para la produccin de cido glucnico.Los mtodos para la recuperacin del producto son similares para ambas fermentaciones fngicas y bacterianas sino que dependen del tipo de fuente de carbono utilizada y el mtodo de neutralizacin del caldo. El gluconato de calcio es la precipitacin de soluciones sobresaturadas en el fro y se libera posteriormente mediante la adicin de cantidades estequiomtricas de cido sulfrico. Por repeticin de este paso, el lquido claro es concentrado un 50% (w / v) Solucin de cido glucnico. Gluconato de sodio se precipita por Concentracin a un 45% (w / v) de solucin y aumentando el pH a 7,5. Hoy en da, gluconato de sodio es la forma principal fabricada de cido glucnico, por lo tanto libre y D-gluconolactona se preparan de la misma por intercambio inico. Como cido glucnico y su lactona estn en una de pH y el equilibrio depende de la temperatura, cualquiera o ambos se pueden preparar mediante el ajuste apropiado de estas dos condiciones.14.3.3 Las aplicaciones comerciales de cido glucnico El cido glucnico se caracteriza por una toxicidad extremadamente baja, baja corrosividad y la capacidad de formar complejos solubles en agua con una variedad de iones metlicos di y trivalentes. El cido glucnico est bien adaptado excepcionalmente para su uso en la eliminacin de depsitos calcreos y de xido de los metales u otras superficies, como la leche o la escala de la cerveza en hierro galvanizado o de acero inoxidable. Debido a sus propiedades fisiolgicas se utiliza como un aditivo en las industrias de alimentos, bebidas y farmacuticas, donde es el vehculo preferido utilizado en la terapia de calcio y hierro. En varias aplicaciones de alimentos dirigidos, cido glucnico 1,5-lactona es ventajoso con respecto a cido glucnico o gluconato, ya que permite condiciones cidas para llegar gradualmente durante un perodo ms largo, por ejemplo, en la preparacin de mercancas en vinagre, curar salchichas frescas o de fermentacin durante la coccin. Las mezclas de gelatina y gluconato de sodio se utilizan como agentes de encolado en la industria del papel. Fabricantes textiles emplean gluconato de tejido desencolado de polister o poliamida. Fabricantes de hormign utilizan 0,02-0,2% en peso de gluconate sodico para producir hormign altamente resistente a las heladas y el agrietamiento. De acuerdo con estimaciones recientes, la produccin anual mundial es> 60 000tonnes. 14.4 ACIDO LACTICOEl cido lctico (Fig. 14.8) se aisl primero a partir de leche agria en 1798, y posteriormente demostrado que se producen en dos formas isomricas, es decir, L (+) y D (-) ismeros, y como una mezcla racmica de estos. La letra mayscula prefijo a los nombres indican la configuracin en relacin con los ismeros de gliceraldehdo, y el (+) y (-) smbolos indican la direccin de rotacin de un plano de luz polarizada. La mezcla de ismeros se llama cido DL-lctico. 14.4.1 organismos de produccin y las rutas bioqumicas El cido lctico fue el primer cido orgnico que se fabrica industrialmente por 5 fermentaciones (alrededor de l880 en Massachusetts, EE.UU). La biologa y bioqumica de las bacterias lcticas se han revisado extensamente.Tradicionalmente, las bacterias estn funcionalmente clasificadas en hetero y homofermentativas, cada una de las cuales a su vez se pueden dividir de acuerdo a su forma o cocoides en forma de barra. Aplicacin de tcnicas de gentica molecular para determinar la relacin de las bacterias del cido lctico relacionados con los alimentos ha dado lugar a cambios significativos en su clasificacin taxonmica. Las bacterias de cido lctico asociados con los alimentos ahora incluyen especies de los gneros Carnobacterium, Enterococcus, Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc. Oenococcus, Pediococcus, Streptococcus, Tetragenococcus, Vagococcus y Weisela.El gnero Lactobacillus sigue siendo heterogneo, con ms de 60 especies, de las cuales un tercio es hetero fermentativas. Bacterias del cido lctico heterofermentativas estn implicadas en la mayora de las fermentaciones tpicas que conducen a la conservacin y transformacin de alimentos, mientras que las bacterias homofermentativas se utilizan para la produccin de cido lctico a granel. En general, las cepas que funcionan a una temperatura ms alta (45-62 C) se prefieren a este ltimo, ya que esto reduce los requisitos de energa necesarios para medio de esterilizacin. Lactobadllus spp. ( por ejemplo, L. delbrueckii) se utilizan con glucosa como fuente de carbono, mientras que L delbrueckii spp. bulgaricums y L helvecios se utilizan con medios que contienen lactosa (suero de leche). L. dellbrueckii spp. lactis puede fermentar la maltosa, mientras que L. amylophilus incluso puede fermentar almidn. La mayora de los microorganismos productores de cido lctico producen slo un ismero de cido lctico; sin embargo, algunas bacterias, que desgraciadamente pueden ocurrir como infecciones durante fermentaciones de cido lctico, se sabe que contienen racematos y por tanto son capaces de convertir una forma isomrica a la otra. Adems de bacterias de cido lctico, otros microorganismos pueden producir cido lctico, por ejemplo, Rhizopus nigricans y Bacillus coagulans. Estos organismos no se utilizan con fines comerciales, sin embargo. La ruta bioqumica para la formacin de cido lctico por las bacterias del cido lctico homofermentativas u hongos se produce por el catabolismo de la glucosa o de otras hexosas a travs de la va glucoltica bisfosfato hexosa, y la regeneracin sub-secuente del NADH obtenida por reduccin de piruvato (vase la pgina 35). En consecuencia, el cido lctico 2 mol tericamente puede formarse a partir de 1 mol de hexosa, resultando en un rendimiento terico de 1 kg cido lctico/kg hexosa.El cido lctico se produce clsicamente como su sal de calcio. La mayora de los protocolos de fermentacin en uso hoy en da son slo ligeras modificaciones de las desarrolladas a principios del 1950s. Se llevan a cabo en volmenes de reactor hasta 100 m3, utilizando la fuente de carbono entre 120 y 180 g /l, y las concentraciones apropiadas de nitrgeno, sales y micronutrientes que contiene fosfato. Como las bacterias del cido lctico mostraron las necesidades de nutrientes complejos de vitaminas B y algunos aminocidos, suplementos adecuados (materiales vegetales crudos, tales como brotes de malta) que aadir. Las fermentaciones se realizan en > 45 C con agitacin suave (bacterias del cido lctico son organismos anaerbicos y la introduccin de oxgeno, por lo tanto debe evitarse). El pH se mantiene entre 5,5 y 6,0 mediante la adicin de carbonato de calcio estril. Como una alternativa a la neutralizacin con carbonato de calcio, amoniaco se puede utilizar, lo que tambin ayuda en la recuperacin de cido lctico por esterificacin (ver abajo), pero esto resulta en un proceso ms caro. Debido a las propiedades corrosivas de cido lctico, madera u hormign se utilizan como materiales para la construccin de los fermentadores en el pasado. Hoy, sin embargo, el acero inoxidable se utiliza en la mayora de los casos, en particular en los volmenes de produccin mayores. Rendimientos de conversin de 85-95% del mximo terico se obtienen generalmente despus de 4 -6 das. Las variantes del procedimiento utilizando cultivo continuo o clulas inmovilizadas se han descrito en la literatura de investigacin, pero hasta ahora aplicaciones industriales no se han dado cuenta. Varias tcnicas para purificar el cido lctico han sido desarrolladas que son necesarios para los diferentes requisitos de suficiente pureza. Es muy importante que la concentracin de azcar residual se ha reducido por debajo del 0,1% (w / v) cuando mayor cido lctico pureza se va a obtener. Un procedimiento estndar para la recuperacin de los medios de nutrientes en lugar puro se da en la fig. 14.9. Caldos de la fermentacin de materias primas de baja calidad requieren etapas de purificacin incluso ms extensos, incluyendo pre-purificacin por filtracin de la solucin de lactato de calcio caliente, y su recristalizacin repetida. Alternativas utilizadas son de extraccin con disolvente (por ejemplo, usando ter isoproplico, isobutanol o trialquil aminas terciarias en disolventes orgnicos), o esterificacin con metanol y subsiguiente destilacin.14.4.3 APLICACIONES El cido lctico es un lquido altamente higroscpico, con aspecto de jarabe que es tcnicamente disponible en varios grados, es decir, grado tcnico, de calidad alimentaria, grado farmacologico y grado de plstico. Las propiedades de estos grados y sus respectivas aplicaciones se dan en la Tabla 14.4. Las estimaciones recientes sobre el volumen actual de cido lctico en el mercado son alrededor de 50 000 toneladas al ao, 70% de los cuales es de la fermentacin, y el resto, de fabricacin de productos qumicos.14.5 OTROS CIDOS Adems de cido ctrico, cido glucnico y cido lctico, una serie de otros cidos son producidos comercialmente por la fermentacin en cantidades menores.Fig. 14.9 Esquema para la recuperacin de cido lctico a partir de caldos de fermentacin

14.5.1 CIDO ITACNICO El cido itacnico {fig. 14.10) fue conocido originalmente como un producto de la destilacin piroltica de cido ctrico. En la dcada de 1940s, se encontr que este cido puede ser producido por Aspergillus terreus en fermentacin. Qumicamente, es un cido metacrlico estructuralmente sustituido, y por lo tanto su uso es principalmente en la fabricacin de copolmeros de estireno butadieno, donde tiene que competir con los productos similares derivados de la petroqumica. Tabla 14.4 cido lctico grado comercial y sus aplicaciones

CualidadpropiedadAplicacin

Grado tcnicoColor marrn claroDesencalado de pieles Industria textil Fbrica de ster

Libre de hierro

20-80% cido lctico

Grado alimenticio Incoloro e inodoroAditivo alimentario, acidulante produccin de harina y la masa agria

80% cido lctico

Grado farmacolgicoIncoloro e inodoroTratamientos Intestinales. preparaciones higinicas lactatos de iones metlicos

90% cido lctico

0.1% de cenizas

Grado plsticoIncoloroLacas Barnices polmeros biodegradables

0,01% de cenizas

Comercialmente, el cido itacnico es producido por cepas de A. terreus o A. itacnico, La bioqumica de su formacin fue polmico desde hace algn tiempo, pero ahora se ha establecido que se produzca por reacciones similares a charlar involucrado en la acumulacin de cido ctrico, por ejemplo, catabolismo de carbono a travs de la va glucoltica y la formacin de oxaloacetato anaplertico por Fijacin de CO2 (Fig. 14.11). Adems y en contraste con A. niger - A. terreus contiene una enzima adicional, aconitato descarboxilasa, que forma itaconato a partir de cis-aconitato. Como esta reaccin se localiza en el citosol, se ha implicado que A. terreus transporta cis-aconitato, en lugar de citrato, en intercambio con malato de la mitocondria (Fig. 14,11). Durante la fermentacin, la formacin de cido itacnico tambin es acompaada por cantidades variables de cido succnico, cido citramlico y cido itatartrico. Los datos actualmente disponibles sugieren que no se trata de productos de degradacin de cido itacnico, sino ms bien estn formados por otras vas.La produccin por fermentacin de cido itacnico es en gran medida similar a la del cido ctrico, es decir, se requiere un exceso de una fuente de carbono fcilmente metabolizable (jarabe de glucosa, hidrolizados de almidn crudo, melaza), y una limitacin en iones metlicos con la ayuda de complejacin y / o precipitacin con hexacianoferrato o adicin de cobre (ver Seccin 14.2.2). Sin embargo, el efecto del pH es diferente: varios trabajadores informaron que el pH tiene que ser mantenido entre 2,8 y 3,1, y los valores de pH ms bajos favorecen la formacin de cido tartrico. Los rendimientos de 85% (W / W) de la mxima terica se han notificado a ser obtenida dentro de los 5 das de cultivo a temperaturas bastante altas (39-42 C). La recuperacin se realiza generalmente por evaporacin, tratamiento con carbn activo y la cristalizacin / recristalizacin. El cido itacnico se vende en dos grados: refinado, que es un color tostado plido a blanco slido cristalino, y el grado industrial que es de color ms oscuro. El principal potencial de la utilizacin de cido itacnico es la fabricacin de butadieno estireno co-polmeros, y por celosa y emulsiones de pintura.14.5.2 CIDO L-ASCRBICO (VITAMINA C) El cido ascrbico es la denominacin oficial de la IUPAC para la vitamina C. Fue descubierto en 1928 por Szent-Gyorgy. Su caracterstica ms significativa es su oxidacin reversible a dehidro-L-cido ascrbico (Fig. 14,12), con el que forma un sistema redox. Un nmero de enzimas son estimuladas por el cido ascrbico, en particular los que contienen Fe++ dioxigenasas y Cu++ que contienen monooxigenasas. Uno de los sntomas ms conocidos de deficiencia de cido ascrbico - escorbuto - se puede explicar por el mal funcionamiento de estas oxidasas requeridas para la biosntesis del colageno. Sin embargo, el cido ascrbico tambin protege el cuerpo contra la formacin de nitrosaminas cancergenas y radicales de oxgeno, y tiene funciones esenciales en la absorcin de hierro. Estas propiedades, junto con sus cualidades nutricionales y baja toxicidad, son las principales razones de las numerosas aplicaciones de la vitamina C en las industrias alimentarias y farmacuticas. Comercialmente, el cido ascrbico se produce principalmente por una combinacin de etapas sintticas orgnicas qumicas y biotransformacin, conocidos como la sntesis de Reichstein. Su principio es la reduccin del C-1 de D-glucosa, y la oxidacin en C-5 y C-6, al mismo tiempo preservar la quiralidad en C-2 y C-3. El esquema clsico se muestra en la figura. 14.13. El paso de microbios catalizada es la oxidacin de D-sorbitol a L-sorbosa, que se lleva a cabo por Acetobacter xylinum. Fermentaciones a gran escala ocurren 30-35 C y pH 4-6. Todos los pasos de la sntesis de Reichstein generalmente tienen un rendimiento > 90%, y por lo tanto el rendimiento final de cido ascrbico es de aproximadamente 60%. Las estimaciones de la produccin industrial actual son 60 000 toneladas por ao, la mayor parte de los cuales se producen como cido ascrbico libre (vase p. 426).Fig 14.13 va semi-sinttico al cido L-ascrbico. Flechas impresas en negrita indican los pasos, que se puede llevar a cabo fermentativo o bio catalticamente. Los respectivos microorganismos estn encuadrados

Ha habido varios intentos de producir cido ascrbico directamente por fermentacin pero ninguno de ellos hasta ahora ha avanzado a un proceso comercial. Micro-algas del gnero Chlordla puede formar directamente el cido L-ascrbico a partir de glucosa, aunque a muy bajo rendimiento. Su biomasa enriquecida con cido ascrbico se utiliza como alimento para peces de acuicultura o aditivo.Como consecuencia, no se ha establecido una alternativa a la sntesis de Reichstein todava; Sin embargo, ha habido varios intentos para reducir el nmero de pasos qumicos sintticos orgnicos mediante la produccin microbiana de sustancias de partida ms apropiados. Los ms exitosos se muestran en la figura. 14.13: una posibilidad es la produccin fermentativa de cido 2-keto.-gulnico a partir de L-sorbosa con Bacillus megaterium o saccharoketogenes Pseudo Gluconobacter. Los rendimientos son en el rango de 75-90%, y sern, por lo tanto, una vez ampliada, permitan una produccin ms barata a la ruta del cido L-ascrbico. Otra va muy corta, la mayora biocataltica al cido ascrbico sera posible a travs de L-gulonolactona, que puede ser convertida directamente a cido ascrbico por L gulonolactona-deshidrogenasa. Mientras L-gulonolactona se obtiene fcilmente por hidrogenacin qumica de D-glucuronolactona, este ltimo se puede obtener a partir de glucosa o almidn slo en bajos rendimientos. 14.5.3 OTROS CIDOS Un pequeo nmero de otros cidos relacionados con el ciclo del cido tricarboxlico, se puede producir en cantidades comercialmente atractivas, ninguna de las cuales sin embargo se recibieron hasta ahora la prctica industrial. Se muestran en la Tabla 14.5. Algunas de ellas, tales como cido fumrico, en el pasado han sido producidas por la fermentacin a escala industrial, pero son actualmente incapaces de competir con las producciones qumicas.Tabla 14.5 otros cidos orgnicos, para los cuales es posible la produccin microbiana

cidoProducido porAplicacin potencial

cido tartricoGluconobacter oxidansbebidas, usos de drogas

cido FumricoRhizopus nigricansFabricacin de polister

R. arrhizusFabricacin de L-Aspartato

cido Mlico trans-2,3- cido EpoxysuccinicAspergillus wentiiBebida saborizada

Paecilomyces spp.Precursor de -lactamo

A.fumigatus

A.clavatus

cido SuccnicoA.niger

cido KjicoA.oryzaeCosmticos, insecticidas

cido GlicoA.wentiiPigmentos azules