Kyselina jantárová - biológia
Kyselina jantárová, tiež Kyselina sukcinylová alebo Kyselina butándiová, E 363, je bezfarebná kryštalická alifatická dikarboxylová kyselina. Kryštály sú ľahko rozpustné vo vriacej vode.
príbeh
Kyselinu jantárovú objavil v roku 1546 Georgius Agricola počas suchej destilácie zahriatím jantáru. Nicolas Lémery ako prvý rozpoznal kyslú povahu látky v roku 1675 a Jöns Jakob Berzelius zistil zloženie (C4H6O4) kyseliny. Lieky na báze kyseliny jantárovej a jej solí používané pri kataroch a syfilisoch sa používali až do 20. storočia. [3]
Na konci 19. storočia sa lekárnik Otto Helm, ktorý žil v Gdansku, pokúsil zistiť pôvod jantáru na základe jeho obsahu kyseliny jantárovej. Kyselina získaná suchou destiláciou a sublimovaná v retortách vážila Helma a dospela k záveru, že podiel medzi 3,2% a 8,2% naznačuje baltský jantár. Rovnakou metódou zároveň Helm skúmal sicílsky jantár a archeologické nálezy zo starovekého Ríma. Zatiaľ čo vo vzorkách sicílskeho jantáru nezistil žiadne stopy kyseliny, starodávne kúsky mali kyslosť od 4,1% do 6,3%. Helm veril, že to odpovedalo na otázku pôvodu jantárových nálezov nájdených v Stredozemnom mori, ktorá je pre archeológov večným problémom. Podľa týchto zistení to musel byť baltský jantár. [4]
Neskôr sa ukázalo, že obsah kyseliny jantárovej nie je spoľahlivou charakteristikou baltského jantáru, pretože zodpovedajúce koncentrácie kyseliny jantárovej boli nájdené v jantári aj z iných európskych ložísk. R.C.A. V roku 1970 dospel Rottländer k záveru, že kyselina jantárová nebola v skutočnosti v jantári prirodzene obsiahnutá, ale iba v priebehu alkalickej hydrolýzy jantáru (ako alkalická soľ) alebo počas suchej destilácie (ako anhydrid). Navrhoval, aby sa kyselina jantárová (ako soľ alebo anhydrid) považovala za prírodný oxidačný produkt jantáru, a teda za ukazovateľ jeho procesu starnutia.
Otázka pôvodu starodávneho jantáru z archeologických vykopávok je preto stále predmetom vedeckých diskusií a v poslednom čase sa ho pokúšame zodpovedať pomocou ďalších vyšetrovacích metód (infračervená spektroskopia, hmotnostná spektrometria, plynová chromatografia, nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia [NMR] a ďalšie). [5] [6] [7]
Výskyt
Názov kyseliny jantárovej je odvodený od jantáru, drahokamu vyrobeného z fosílnej živice obsahujúcej kyselinu jantárovú. Tradične sa rozlišovali rôzne druhy jantáru na základe chemických látok v závislosti od obsahu kyseliny jantárovej v sukcinitoch (3% až 8%) a retinitoch (fosílne živice s obsahom kyseliny jantárovej menej ako 3% alebo bez kyseliny jantárovej). Kyselina jantárová sa nachádza aj v mnohých hnedých uhlíkoch. [8]
V metabolizme všetkých organizmov sa soľ kyseliny jantárovej vyskytuje počas štiepenia glukózy ako medzistupeň regenerácie akceptorovej kyseliny oxaloctovej. Je teda metabolickým medziproduktom citrátového cyklu a vyskytuje sa tiež v močovinovom cykle. Kyselina jantárová sa v prírode nachádza aj v mnohých rastlinných šťavách (rebarbora, paradajky) [8], ako aj v riasach a hubách. [9]
V niektorých anaeróbne živých baktériách môže byť kyselina jantárová tiež konečným produktom metabolizmu, napríklad v hovädzom bachore. To predstavuje systém, v ktorom množstvo fakultatívne anaeróbne živých baktérií získava svoj výživný základ z potravinovej buničiny. Β-glykozidové väzby celulózy v potravinách sú narušené bachorovou flórou, najmä hubami, ktoré obsahuje. Výsledný hroznový cukor (glukóza) slúži ako substrát pre mikroorganizmy. Produktmi bakteriálneho metabolizmu sú hlavne karboxylové kyseliny s krátkym reťazcom, ako je kyselina octová a kyselina jantárová, ako aj etanol. Kyselina jantárová produkovaná baktériami zase slúži ako zdroj energie pre ďalšie baktérie, ktoré ju premieňajú na kyselinu propiónovú.
Extrakcia a prezentácia
Technicky
Odborne sú známe rôzne syntetické spôsoby výroby kyseliny jantárovej. Spravidla sa vyrába katalytickou hydrogenáciou kyseliny maleínovej, anhydridu kyseliny maleínovej alebo kyseliny fumarovej, pričom sa môžu použiť rôzne katalyzátory (Ni, Cu, NiO, CuZnCr, Pd-Al2O3, Pd-CaCO3). Ďalej je možná oxidácia 1,4-butándiolu (BDO), pri ktorej existujú rôzne technické cesty. Je tiež možná hydrokarboxylácia acetylénglykolu, katalyzovaná RhCl3-pentachlórtiofenolom, acetylénom, kyselinou akrylovou, 1,4-dioxánom a propiolaktónom. [8]
Biotechnologické
Kyselina jantárová sa môže vyrábať z obnoviteľných surovín fermentáciou, najmä zo škrobu a rôznych oligosacharidov (cukry C6 a C5). [10] Tu sa dá využiť prirodzený výskyt kyseliny jantárovej v metabolizme, aby sa mohla špecificky produkovať mikroorganizmami. Táto syntetická cesta sa stále testuje.
Kvôli možnosti biotechnologicky vyrábať kyselinu jantárovú pomocou baktérií je posilnená pomocou Basfia succiniciproducens, [11] Mannheimia succiniciproducens [12] a Anaerobiospirillum succiniciproducens [13] preskúmané. Tiež modelový organizmus Escherichia coli, výskum, ktorý sa má optimalizovať na produkciu veľkého množstva kyseliny jantárovej prostredníctvom metabolického inžinierstva. [14]
Chemické vlastnosti
Kedy Succinates jeden popisuje soli a estery kyseliny jantárovej. Termín „sukcinát“ je odvodený z latinského slova suc (c) inum za jantárovú. Vo svojich kryštálových mriežkach obsahujú sukcinátový ión ako záporne nabitý anión. Všeobecný vzorec sukcinátu alkalického kovu je MOOC-CH2-CH2-COOM, M znamená najmä sodné a draselné ióny. Sukcináty alkalických kovov sa ľahko rozpúšťajú vo vode. Sukcináty alkalických zemín sú ťažké, ostatné sukcináty nie sú vôbec rozpustné vo vode. Jeden teda nájde Sukcinát vápenatý v nezrelých plodoch alebo riasach. Ester-like sukcináty je možné opísať pomocou semštrukturálneho vzorca R-O-CO-CH2-CH2-CO-O-R.
Ak sa kyselina jantárová zahreje, oddeľuje vodu a vytvára anhydrid kyseliny jantárovej s krúžkovým uzáverom. [9]
použitie
Použitie v potravinárskom priemysle
Kyselina jantárová je v EÚ číslo jedna ako prídavná látka v potravinách E 363 schválený a vďaka svojej mierne kyslej a zároveň mierne slanej chuti slúži ako zvýrazňovač chuti dezertov, suchých polievok a práškových nápojov Rôzne soli kyseliny jantárovej sa používajú ako náhrady kuchynskej soli v dietetických potravinách (Fe, Mg, Ca, K). [15] Kvôli vlastnej produkcii a metabolizmu kyseliny jantárovej v tele, ktorá je u ľudí okolo 1 kg denne, sa kyselina jantárová považuje za neškodnú. [9]
Počas alkoholového kvasenia a keď víno neskôr dozrieva v nádobách, ako sú drevené sudy alebo nádoby z nehrdzavejúcej ocele, sa vyrábajú aj centrálne kyseliny vo víne (kyselina vínna, kyselina jablčná a kyselina citrónová), kyselina jantárová, kyselina octová, kyselina maslová a kyselina mliečna. Kyselina jantárová sa tvorí hlavne počas uhličitého macerovania a je mierne horkastá a slaná. Esterifikácia na monometyl-sukcinát dodáva vínu jemnú ovocnú zložku.
Technické použitie
Kyselina jantárová je plošná chemikália s ročnou potrebou okolo 15 000 ton a trhovou hodnotou od 6 do 9 eur za kilogram. [13] B. používané na výrobu polyesterových a alkydových živíc. [15] Niektoré sukcináty esterifikované polyalkoholmi sa používajú ako rozpúšťadlá a plastifikátory pre plasty a vosky, iné estery sa používajú pri výrobe parfumov. Vo forme esterov kyseliny sulfojantárovej sa kyselina jantárová tiež používa ako dôležitá skupina povrchovo aktívnych látok, ale zvyčajne sa vyrábajú na báze kyseliny maleínovej.
Kyselina jantárová je tiež jednou z hlavných nádejí v priemyselnú biotechnológiu ako plošná chemikália, a teda ako surovina pre rôzne priemyselne vyrábané chemikálie a polyméry. Môže sa použiť ako surovina na biotechnologickú výrobu. 1,4-butándiolu (BDO), 1,4-butándiamínu, tetrahydrofuránu (THF), N-metyl-2-pyrolidónu (NMP), y-butyrolaktámu, y-butyrolaktónu (GBL) a niektorých ďalších produktov. [10] Ako základ pre rôzne výrobky v chemickom a farmaceutickom priemysle, ako aj pre bioplasty, ako sú polyamidy (PA), polyestery a kopolyestery, ako aj polyesteramidy, je kyselina jantárová zaujímavá ako biotechnologicky vyrobený výrobok a predpokladá sa trhový potenciál niekoľkých stotisíc ton. [16] [13]
Spolu s ďalšími predstaviteľmi C4-dikarboxylových kyselín, ako je kyselina fumarová a jablčná, bola kyselina jantárová identifikovaná Ministerstvom energetiky USA v roku 2004 ako jedna z dvanástich chemických látok na platforme s osobitným biotechnologickým výrobným potenciálom. [17] Pri revízii zoznamu z roku 2010 je kyselina jantárová tiež jedným z desiatich produktov biorafinérskej technológie s najvyšším potenciálom. [18]