19. produzione di metaboliti primari- gli acidi organici (acido citrico, lattico e gluconico)

ACIDI ORGANICI

Gli acidi carbossilici (o acidi organici) sono composti organici che contengono il gruppo carbossilico o carbossile (-COOH), ovvero un gruppo ossidrilico (-OH) legato a un gruppo carbonilico (C=O).

Gli acidi organici sono ottenuti sia dal metabolismo aerobio sia da quello anaerobio. Quelli derivanti dal metabolismo aerobio sono dei prodotti intermedi del ciclo di Krebs, quindi, non vengono spontaneamente accumulati. Anche l'acido gluconico che si ottiene per ossidazione diretta del glucosio rientra tra gli acidi organici che si possono ottenere con il metabolismo aerobio. Nel caso degli acidi organici derivanti dal metabolismo anaerobio si annoverano tutti i prodotti finali delle varie fermentazioni.

Se si vuole produrre su larga scala un certo acido organico, derivante dal metabolismo anaerobio, si può fornire il metabolita da fermentare al microrganismo selezionato e l'accumulo dell'acido organico avverrà spontaneamente; nel caso in cui si...

vogliaprodurre su larga scala un acido organico che deriva, invece, dal metabolismo aerobio,bisogna, ad esempio, intervenire a livello genetico (cioè inibire, ad esempio, la produzione di un dato enzima che è implicato nella regolazione della sintesi di quel determinato acido organico) per ottenere l'accumulo dell'acido organico desiderato. DI ACIDO CITRICO→PRODUZIONE L'acido citrico, non essendo un prodotto tossico, viene spesso aggiunto ad alimenti, quali bevande, marmellate, ecc. allo scopo di acidificare l'ambiente e prevenire la proliferazione di batteri patogeni per l'uomo. Quindi viene utilizzato per permettere una conservazione più prolungata degli alimenti ai quali viene aggiunto. Quest'acido viene anche utilizzato come esaltatore degli aromi. A livello industriale trova impiego per la produzione di detergenti. Esso è presente in grosse quantità negli agrumi ma tuttavia per la sua produzione attualmente sipreferisce ricorrere ad altre tecniche, la principale consiste nellosfruttare organismi come l'Aspergillus niger o l'Aspergillus wentii. L'acido citrico è stato prodotto per la primo volta a livello industriale nel 1826 (dal citrato proveniente dal succo di limone). Nel 1880 è stato poi sintetizzato a partire da glicerolo. Nel 1893 è stato poi scoperto che alcuni ceppi di penicillum accumulassero acido citrico al loro interno se fatti crescere su carboidrati. Nel 1917 si scopre che è Aspergillus niger adare i migliori rendimenti. Infine, nel 1965, vengono impiegati anche lieviti per la produzione di acido citrico a partire da n-alcani. I microrganismi come A. niger elaborano gli zuccheri che vengono loro somministrati, trasformandoli in grosse quantità di acido citrico (diventa acido citrico circa l'80-90% dello zucchero) che successivamente viene separato, raccolto e purificato. Per produrre acido citrico a livello industriale si

Può utilizzare una coltura in superficie o produzione di acido citrico con una coltura sommersa di A. niger. Per la fermentazione in superficie si usano dei grossi vassoi in alluminio nel quale viene disposto il terreno di coltura e il substrato che verrà fermentato con ottenimento di acido citrico. Il substrato in questione è il melasso di barbabietola, che viene diluito fino a contenere il 15-20% di zuccheri (circa 150g/l di zuccheri). Dopo aver preparato il terreno, si procede inoculando spore di A. niger. Le spore sono delle cellule riproduttrici che germinando producono un nuovo "individuo". Quindi si attendono circa due giorni affinché le spore germinino. A tal proposito bisogna precisare che il pH deve essere mantenuto a valori compresi tra 5 e 7, perché le spore di A. niger non germinano in presenza di valori di pH particolarmente bassi. La temperatura deve essere, invece, mantenuta a un valore di circa 30°C e deve essere insufflata aria.

sterile che serve a controllare la temperatura e anche la quantità diossigeno. La durata del processo è di circa 7-15 giorni con produzione di prodottiproduzione di acidoindesiderati come l'acido gluconico e ossalico. Lacitrico con coltura in sommersione prevede l'impiego di fermentatori a3torre agitati con pale meccaniche con capacità fino a 1000 m . Anche in questo caso ilterreno è addizionato di melasso di barbabietola diluito. In Giappone la crescita vieneanche effettuata su crusca di grano. Una volta pronto il terreno si procede conl'inserimento delle spore di A. niger. La temperatura va mantenuta a 30°C.Il saccarosio contenuto nel melasso di barbabietola viene scisso in glucosio e fruttosioattraverso una reazione catalizzata dall'enzima saccarasi. Entrambi i monosaccaridipossono entrare nella via glicolitica fino a formare acido piruvico, che subisce unadecarbossilazione ossidativa fino a formare acetil-CoA, che entra nelciclo di Krebs. Una cosa molto importante da dire è che l'acido citrico si forma per condensazione dell'acetil-CoA con l'ossalacetato. Questa condensazione è la prima fase del ciclo di Krebs, che continuerebbe, poi, con l'isomerizzazione del citrato a isocitrato attraverso una reazione catalizzata dall'enzima aconitasi. Quest'enzima, per funzionare, ha bisogno di un cofattore, quale lo ione ferro. Per la produzione industriale di acido citrico, però, si vuole che avvenga l'accumulo di questo prodotto ed è per questo che viene aggiunto EDTA, o rame, che sequestrano gli ioni ferro. In questo modo viene bloccato il ciclo degli acidi tricarbossilici e viene evitata la conversione del citrato a isocitrato. Una volta che il prodotto da noi desiderato è stato sintetizzato, bisogna estrarlo. Per prima cosa bisogna separare le cellule dal terreno. Il terreno verrà poi trattato con idrossido di calcio (Ca(OH)2) che

determina la precipitazione del citrato. Il precipitato viene lavato e trattato con acido solforico (H₂SO₄) in soluzione acquosa. Si forma così un precipitato di solfato di calcio (CaSO₄) e una soluzione di acido citrico. La soluzione di acido citrico è sottoposta a decolorazione, filtrazione e cristallizzazione.

DI ACIDO LATTICOPRODUZIONE

L'acido lattico è un sottoprodotto del metabolismo anaerobio; presenta formula bruta C₃H₆O₃. La struttura chimica dell'acido lattico è la seguente:

L'atomo di carbonio in posizione due è asimmetrico (chirale), cioè legato a quattro sostituenti diversi (un gruppo metile, un gruppo ossidrile, un atomo di idrogeno e un gruppo carbossilico). Per questo motivo esistono due modi (configurazioni) diversi per stabilire la geometria della molecola. Queste diverse configurazioni esistono perché se consideriamo l'immagine speculare di una molecola come quella dell'acido lattico, le due molecole non possono sovrapporsi perfettamente.

L'acido lattico è un acido organico che presenta due forme enantiomeriche: L-acido lattico e D-acido lattico (o acido-R-lattico e acido-S-lattico). Queste due forme non sono sovrapponibili e vengono chiamate enantiomeri.

L'acido lattico è stato il primo acido organico ad essere prodotto a livello industriale mediante fermentazione nel 1880. Si presenta come un liquido sciropposo e igroscopico, cioè capace di assorbire molecole di acqua.

Viene utilizzato in diversi settori industriali, come ad esempio nell'industria tessile, dove viene impiegato come mordente per la lana. Inoltre, viene utilizzato come additivo per cibi, sia come acidulante che per la produzione della pasta. Trova anche impiego come trattamento intestinale e per preparazioni igieniche.

Per la sua produzione vengono utilizzati principalmente lattobacilli a fermentazione omolattica. La resa teorica si aggira su 1 Kg di acido lattico per kilogrammo di esoso usato come substrato di fermentazione. Il glucosio usato per la produzione di acido lattico può derivare dall'idrolisi dell'amido; dall'idrolisi del saccarosio contenuto nel melasso; dall'idrolisi del lattosio contenuto nel siero del latte. Quindi i substrati di partenza per la produzione di acido lattico sono vari.

Per la produzione su larga scala si procede preparando innanzitutto il terreno di coltura in cui far crescere i batteri lattici, il quale terreno conterrà sicuramente una fonte di carbonio (una tra quelle citate prima) con una quantità compresa tra 120 e 180 g/l di terreno di coltura; inoltre il terreno dovrà contenere anche una fonte di azoto (che può essere ammoniaca, solfato di ammonio, estratti di lievito, peptoni ecc.) con una quantità compresa

tra 1 e 10 g/l di terreno; si aggiungono al terreno anche Saliminerali, aminoacidi (sotto forma di germogli di malto) e fosfato. Il terreno così preparato verrà inserito all'interno di fermentatori in acciaio inox dal momento che l'acido lattico è corrosivo. Questi fermentatori sono, inoltre, dotati di agitatori meccanici che mettono in atto una blanda agitazione; al tempo stesso mancano di un sistema di areazione. La temperatura viene impostata a un valore superiore ai 45°C.