תגובות כימיות בתסיסה של הידרוקסיפרופיל מתיל -סלולוזה

Hydroxypropyl Methylcellulose (HPMC)הוא תרכובת פולימרית מסיסה במים הנפוצה בתחומים התעשייתיים והרפואיים, ובעלת מגוון רחב של ערכי יישום, כמו למשל בשחרור מבוקר תרופות, עיבוד מזון וחומרי בניין. התגובות הכימיות בתהליך התסיסה שלה קשורות בעיקר להשפלה ולשינוי של התאית ולפעילות המטבולית של מיקרואורגניזמים. על מנת להבין טוב יותר את התגובות הכימיות של HPMC בתהליך התסיסה, ראשית עלינו להבין את המבנה הבסיסי שלו ואת תהליך ההשפלה של התאית.

1. המבנה והתכונות הבסיסיות של הידרוקסיפרופיל מתיל -סלולוזה

HPMC הוא נגזרת המתקבלת על ידי שינוי כימי של תאית טבעית (תאית). עמוד השדרה של השרשרת המולקולרית שלה הוא מולקולות גלוקוזיות (C6H12O6) המחוברות על ידי קשרים גליקוזידים β-1,4. קשה להתמוסס את התאית עצמה במים, אך על ידי הצגת קבוצות מתיל (-och3) והידרוקסיפרופיל (-C3H7OH), ניתן לשפר מאוד את מסיסות המים שלה ליצירת פולימר מסיס. תהליך השינוי של HPMC כולל בדרך כלל את התגובה של תאית עם מתיל כלוריד (CH3CL) ואלכוהול פרופילן (C3H6O) בתנאים אלקליין, ולמוצר המתקבל יש הידרופיליות חזקה ומסיסות.

2. תגובות כימיות במהלך התסיסה

תהליך התסיסה של HPMC תלוי בדרך כלל בפעולה של מיקרואורגניזמים, המשתמשים ב- HPMC כמקור פחמן ומקור תזונתי. תהליך התסיסה של HPMC כולל את השלבים העיקריים הבאים:

2.1. השפלה של HPMC

התאית עצמה מורכבת מיחידות גלוקוז המחוברות, ו- HPMC תושפל על ידי מיקרואורגניזמים במהלך תהליך התסיסה, שתפרק תחילה לסוכרים שמישים קטנים יותר (כמו גלוקוז, קסילוז וכו '). תהליך זה כרוך בדרך כלל בפעולה של אנזימים משפילים של תאית מרובה. תגובות ההשפלה העיקריות כוללות:

תגובת הידרוליזה תאית: הקשרים הגליקוזידים β-1,4 במולקולות תאית יישברו על ידי הידרולאזים תאית (כמו תאית, אנדוצולולאז), וייצור שרשראות סוכר קצרות יותר (כמו אוליגוסכרידים, דיסכרידים וכו '). סוכרים אלה יוחללו מטבוליזם נוסף וישתמשו בהם על ידי מיקרואורגניזמים.

הידרוליזה והשפלת HPMC: תחליפי המתיל וההידרוקסיפרופיל במולקולת HPMC יוסרו חלקית על ידי הידרוליזה. המנגנון הספציפי של תגובת ההידרוליזה עדיין לא מובן לחלוטין, אך ניתן להעלות השערה כי בסביבת תסיסה, תגובת ההידרוליזה מנותזת על ידי אנזימים המופרשים על ידי מיקרואורגניזמים (כמו הידרוקסיל אסתרז). תהליך זה מוביל לשבירה של שרשראות מולקולריות HPMC והסרת קבוצות פונקציונליות, ובסופו של דבר יוצרים מולקולות סוכר קטנות יותר.

2.2. תגובות מטבוליות מיקרוביאליות

ברגע שה- HPMC מושפל למולקולות סוכר קטנות יותר, מיקרואורגניזמים מסוגלים להמיר סוכרים אלה לאנרגיה באמצעות תגובות אנזימטיות. באופן ספציפי, מיקרואורגניזמים מתפרקים גלוקוז לאתנול, חומצה לקטית או מטבוליטים אחרים דרך מסלולי תסיסה. מיקרואורגניזמים שונים עשויים לחילוף חומרים של מוצרי השפלה של HPMC דרך מסלולים שונים. מסלולי מטבוליות נפוצים כוללים:

מסלול גליקוליזה: גלוקוז מתפרק לפירובט על ידי אנזימים ומומר עוד יותר לאנרגיה (ATP) ומטבוליטים (כמו חומצה לקטית, אתנול וכו ').

ייצור מוצרי תסיסה: בתנאים אנאירוביים או היפוקסיים, מיקרואורגניזמים ממירים גלוקוז או מוצרי השפלה לחומצות אורגניות כמו אתנול, חומצה לקטית, חומצה אצטית וכו 'דרך מסלולי תסיסה, הנמצאים בשימוש נרחב בתהליכים תעשייתיים שונים.

2.3. תגובת redox

במהלך תהליך התסיסה של HPMC, מיקרואורגניזמים מסוימים עשויים לשנות עוד יותר מוצרי ביניים באמצעות תגובות redox. לדוגמה, תהליך הייצור של אתנול מלווה בתגובות redox, גלוקוז מתחמצן לייצור פירובט ואז פירובט מומר לאתנול באמצעות תגובות הפחתה. תגובות אלה חיוניות לשמירה על האיזון המטבולי של התאים.

3. גורמי בקרה בתהליך התסיסה

בתהליך התסיסה של HPMC, גורמים סביבתיים משפיעים על התגובות הכימיות. לדוגמה, pH, טמפרטורה, תכולת חמצן מומסת, ריכוז מקור התזונה וכו 'ישפיעו על קצב חילוף החומרים של מיקרואורגניזמים וסוג המוצרים. במיוחד טמפרטורה ו- pH, פעילותם של אנזימים מיקרוביאליים עשויה להשתנות באופן משמעותי בתנאי טמפרטורה ו- pH שונים, ולכן יש לשלוט במדויק בתנאי התסיסה כדי להבטיח השפלה של HPMC וההתקדמות החלק של התהליך המטבולי של מיקרואורגניזמים.

תהליך התסיסה שלHPMCכרוך בתגובות כימיות מורכבות, כולל הידרוליזה של תאית, השפלה של HPMC, חילוף החומרים של סוכרים וייצור מוצרי תסיסה. הבנת התגובות הללו לא רק עוזרת לייעל את תהליך התסיסה של HPMC, אלא גם מספקת תמיכה תיאורטית לייצור תעשייתי קשור. עם העמקת המחקר, ניתן לפתח בעתיד שיטות תסיסה יעילות וחסכוניות יותר כדי לשפר את יעילות השפלה של HPMC ותשואת המוצרים, ולקדם את היישום של HPMC בביו -טרנספורמציה, הגנה על הסביבה ושדות אחרים.