Hidroksipropil metilceluloza (HPMC)je vodotopna polimerna spojina, ki se običajno uporablja na industrijskem in medicinskem področju, in ima široko paleto vrednosti uporabe, na primer pri sproščanju, predelavi hrane in gradbenih materialih, ki jih nadzira zdravila. Kemične reakcije v njegovem fermentacijskem procesu so povezane predvsem z razgradnjo in spreminjanjem celuloze ter s presnovnimi aktivnostmi mikroorganizmov. Da bi bolje razumeli kemijske reakcije HPMC v procesu fermentacije, moramo najprej razumeti njegovo osnovno strukturo in proces razgradnje celuloze.
1. Osnovna struktura in lastnosti hidroksipropil metilceluloze
HPMC je derivat, ki ga dobimo s kemično spreminjanjem naravne celuloze (celuloze). S hrbtenišče njene molekularne verige so molekule glukoze (C6H12O6), povezane z β-1,4 glikozidnimi vezmi. Celulozo je težko raztopiti v vodi, vendar z uvedbo metil (-och3) in hidroksipropil (-C3H7OH) skupin lahko močno izboljšamo njegovo topnost vode, da tvori topni polimer. Proces modifikacije HPMC na splošno vključuje reakcijo celuloze z metil kloridom (CH3Cl) in propilen alkoholom (C3H6O) v alkalnih pogojih, nastali produkt pa ima močno hidrofilnost in topnost.
2. Kemične reakcije med fermentacijo
Fermentacijski postopek HPMC je običajno odvisen od delovanja mikroorganizmov, ki HPMC uporabljajo kot vir ogljika in hranil. Fermentacijski postopek HPMC vključuje naslednje glavne faze:
2.1. Degradacija HPMC
Celuloza sama je sestavljena iz priključenih glukoznih enot, HPMC pa se mikroorganizmi razgradijo med postopkom fermentacije, ki se najprej razgradi na manjše uporabne sladkorje (kot so glukoza, ksiloza itd.). Ta postopek običajno vključuje delovanje več encimov, ki razgrajujejo celulozo. Glavne reakcije razgradnje vključujejo:
Celulozna reakcija hidrolize: β-1,4 glikozidne vezi v celuloznih molekulah bodo lomljene s celuloznimi hidrolazami (kot so celulaza, endocelulaza), ki proizvajajo krajše sladkorne verige (kot so oligosaharidi, disaharidi itd.). Ti sladkorji bodo mikroorganizmi nadalje presnavljali in uporabili.
Hidroliza in razgradnja HPMC: metil in hidroksipropil substituente v molekuli HPMC se delno odstranita s hidrolizo. Specifični mehanizem reakcije hidrolize še ni popolnoma razumljeni, vendar ga je mogoče ugibati, da v fermentacijskem okolju reakcija hidrolize katalizirajo encimi, ki jih izločajo mikroorganizmi (kot je hidroksilna esteraza). Ta postopek vodi do razpada molekularnih verig HPMC in odstranjevanja funkcionalnih skupin, ki na koncu tvorijo manjše molekule sladkorja.
2.2. Mikrobne presnovne reakcije
Ko se HPMC razgradi na manjše molekule sladkorja, lahko mikroorganizmi z encimskimi reakcijami pretvorijo te sladkorje v energijo. Zlasti mikroorganizmi razgradijo glukozo v etanol, mlečno kislino ali druge presnovke skozi fermentacijske poti. Različni mikroorganizmi lahko presnavljajo produkte razgradnje HPMC po različnih poteh. Pogoste presnovne poti vključujejo:
Pot glikolize: glukoza se razgradi v piruvat z encimi in nadalje pretvori v energijo (ATP) in presnovke (kot so mlečna kislina, etanol itd.).
Nastajanje produktov fermentacije: V anaerobnih ali hipoksičnih pogojih mikroorganizmi pretvorijo glukozo ali njegove produkte razgradnje v organske kisline, kot so etanol, mlečna kislina, ocetna kislina itd.
2.3. Redoks reakcija
Med fermentacijskim procesom HPMC lahko nekateri mikroorganizmi z redoks reakcijami še dodatno preoblikujejo vmesne produkte. Na primer, proizvodni proces etanola spremljajo redoks reakcije, glukoza se oksidira, da nastane piruvat, nato pa se piruvat pretvori v etanol z redukcijskimi reakcijami. Te reakcije so bistvene za vzdrževanje presnovne ravnovesja celic.
3. Nadzorni dejavniki v procesu fermentacije
Med fermentacijskim procesom HPMC imajo okoljski dejavniki pomemben vpliv na kemične reakcije. Na primer, pH, temperatura, vsebnost raztopljenega kisika, koncentracija virov hranil itd. Bodo vplivali na hitrost mikroorganizmov in vrsto izdelkov. Zlasti temperatura in pH, aktivnost mikrobnih encimov se lahko v različnih temperaturnih in pH pogojih znatno razlikuje, zato je treba natančno nadzorovati pogoje fermentacije, da se zagotovi razgradnja HPMC in gladek napredek presnovnega procesa mikroorganizmov.
Fermentacijski postopekHPMCvključuje zapletene kemijske reakcije, vključno s hidrolizo celuloze, razgradnjo HPMC, presnovo sladkorjev in nastajanjem fermentacijskih produktov. Razumevanje teh reakcij ne pomaga samo optimizaciji fermentacijskega procesa HPMC, temveč zagotavlja tudi teoretično podporo za povezano industrijsko proizvodnjo. S poglabljanjem raziskav se lahko v prihodnosti razvijejo učinkovitejše in ekonomične fermentacijske metode za izboljšanje učinkovitosti degradacije HPMC in donosa izdelkov ter spodbujajo uporabo HPMC pri biotransformacijah, varstvu okolja in drugih področjih.
Čas objave: februar-17-2025