Hidroxipropil metilcel·lulosa (HPMC)és un compost de polímer soluble en aigua que s’utilitza habitualment als camps industrials i mèdics i té una àmplia gamma de valors d’aplicació, com en l’alliberament controlat per fàrmacs, el processament d’aliments i els materials de construcció. Les reaccions químiques en el seu procés de fermentació estan principalment relacionades amb la degradació i la modificació de la cel·lulosa i les activitats metabòliques dels microorganismes. Per tal d’entendre millor les reaccions químiques de l’HPMC en el procés de fermentació, primer hem d’entendre la seva estructura bàsica i el procés de degradació de la cel·lulosa.
1. L’estructura bàsica i les propietats de la hidroxipropil metilcel·lulosa
L’HPMC és un derivat obtingut per la modificació química de la cel·lulosa natural (cel·lulosa). La columna vertebral de la seva cadena molecular és les molècules de glucosa (C6H12O6) connectades per enllaços glicosídics β-1,4. La cel·lulosa en si és difícil de dissoldre en l’aigua, però mitjançant la introducció de grups metil (-OCH3) i hidroxipropil (-C3H7OH), la seva solubilitat en aigua es pot millorar molt per formar un polímer soluble. El procés de modificació de HPMC generalment inclou la reacció de cel·lulosa amb clorur de metil (CH3CL) i alcohol propilen (C3H6O) en condicions alcalines, i el producte resultant té una forta hidrofilicitat i solubilitat.
2. Reaccions químiques durant la fermentació
El procés de fermentació de HPMC depèn generalment de l’acció dels microorganismes, que utilitzen HPMC com a font de carboni i font de nutrients. El procés de fermentació de HPMC inclou les etapes principals següents:
2.1. Degradació de HPMC
La cel·lulosa en si està composta per unitats de glucosa connectades i HPMC es degradarà per microorganismes durant el procés de fermentació, primer descomposat en sucres més petits (com ara glucosa, xilosa, etc.). Aquest procés normalment implica l’acció de múltiples enzims degradants de la cel·lulosa. Les principals reaccions de degradació inclouen:
Reacció d’hidròlisi de cel·lulosa: els enllaços glicosídics β-1,4 en molècules de cel·lulosa es trencaran per cel·lulosa hidrolases (com la cel·lulasa, l’endocel·lulasa), produint cadenes de sucre més curtes (com oligosacàrids, disacàrids, etc.). Aquests sucres seran metabolitzats i utilitzats per microorganismes.
La hidròlisi i la degradació de HPMC: els substituents de metil i hidroxipropil a la molècula HPMC seran parcialment eliminats per hidròlisi. El mecanisme específic de la reacció d’hidròlisi encara no s’entén del tot, però es pot especular que en un entorn de fermentació, la reacció d’hidròlisi està catalitzada per enzims secretats per microorganismes (com la hidroxil esterasa). Aquest procés condueix a la ruptura de les cadenes moleculars de HPMC i a l’eliminació de grups funcionals, formant finalment molècules de sucre més petites.
2.2. Reaccions metabòliques microbianes
Una vegada que el HPMC es degrada en molècules de sucre més petites, els microorganismes són capaços de convertir aquests sucres en energia mitjançant reaccions enzimàtiques. Concretament, els microorganismes es descomponen la glucosa en etanol, àcid làctic o altres metabòlits a través de vies de fermentació. Diferents microorganismes poden metabolitzar els productes de degradació de HPMC a través de diferents vies. Les vies metabòliques comunes inclouen:
Via de glicòlisi: la glucosa es descompon en piruvat per enzims i es converteix encara més en energia (ATP) i metabòlits (com l’àcid làctic, l’etanol, etc.).
Generació de productes de fermentació: en condicions anaeròbiques o hipòxiques, els microorganismes converteixen la glucosa o els seus productes de degradació en àcids orgànics com l’etanol, l’àcid làctic, l’àcid acètic, etc. mitjançant vies de fermentació, que s’utilitzen àmpliament en diferents processos industrials.
2.3. Reacció redox
Durant el procés de fermentació de HPMC, alguns microorganismes poden transformar encara més productes intermedis mitjançant reaccions redox. Per exemple, el procés de producció d’etanol s’acompanya de reaccions redox, la glucosa s’oxida per produir piruvat, i el piruvat es converteix en etanol mitjançant reaccions de reducció. Aquestes reaccions són essencials per mantenir l’equilibri metabòlic de les cèl·lules.
3. Factors de control en el procés de fermentació
Durant el procés de fermentació de HPMC, els factors ambientals tenen una influència important en les reaccions químiques. Per exemple, el pH, la temperatura, el contingut d’oxigen dissolt, la concentració de la font de nutrients, etc. afectaran la taxa metabòlica dels microorganismes i el tipus de productes. Especialment la temperatura i el pH, l’activitat dels enzims microbians pot variar significativament en diferents condicions de temperatura i pH, per la qual cosa és necessari controlar amb precisió les condicions de fermentació per assegurar la degradació de l’HPMC i el bon progrés del procés metabòlic dels microorganismes.
El procés de fermentació deHpmcImplica reaccions químiques complexes, inclosa la hidròlisi de la cel·lulosa, la degradació de l’HPMC, el metabolisme dels sucres i la generació de productes de fermentació. Comprendre aquestes reaccions no només ajuda a optimitzar el procés de fermentació de HPMC, sinó que també proporciona suport teòric per a la producció industrial relacionada. Amb l’aprofundiment de la investigació, en el futur es poden desenvolupar mètodes de fermentació més eficients i econòmics per millorar l’eficiència de degradació de l’HPMC i el rendiment de productes i promoure l’aplicació de HPMC en biotransformació, protecció ambiental i altres camps.
Posada Posada: 17-2025 de febrer