Производство витамина А

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Производство витамина А

Витамины - группа органических веществ разнообразной химической природы, объединенная по признаку абсолютной необходимости их для организмов в качестве составной части пищи (в общем случае - из окружающей среды).

Витамин А - название группы веществ, которая имеет в составе ретинол и другие ретиноиды. К ним относят: дегидроретинол (витамин А₂), ретиналь (альдегид витамина А₁) и ретиноевую кислоту. Витамин А играет важную роль в биохимических процессах в организме человека и животных. Ретинол является структурным компонентом клеточных мембран, ретиналь является компонентом родопсина (основной зрительный пигмент), а в форме ретиноевой кислоты витамин А стимулирует рост и развитие.

К провитаминам А относятся каротиноиды, являющиеся метаболическими предшественниками витамина А. Наиболее важным среди таких предшественников считается в-каротин. В данной работе рассматривается способ получения витамина А с использованием в-каротина, который является продуктом микробного синтеза.

2. Природные источники в-каротина и его применение

Каротиноиды обнаружены во многих животных и растительных тканях. Ежегодно в природе образуется около 100 млн. т каротиноидов, и большая часть их содержится во фруктах, овощах, морских и молочных продуктах, чем объясняется их разнообразная окраска от ярко-красного до ярко-жёлтого.

Получают каротиноиды исключительно из растений или микроорганизмов. Микробиологическое получение в-каротина имеется в России, во Франции, США, Польше и в других странах. в-каротин - провитамин А, превращается в витамин А в мукозных мембранах тонкого кишечника человека и хранится в печени в виде эфира пальмитата. Потребность человека в витамине А - 1,5-2 мг/день; при его дефиците развивается ночная слепота, появляются изменения в коже и мукозных мембранах.

Главным образом в-каротин используется как пищевой краситель. Другая важная область применения в-каротина - кормопроизводство; его используют как кормовую добавку в индустриальном птицеводстве и животноводстве.

каротин биосинтез химический витамин

3. Физико-химические свойства ретинола

Молекулярная формула: С₂₀Н₃₀О.

Структурная формула

Молекулярная масса: 286,5 г / моль. С (83,86%), Н (10,56%), О (5,59%).

Ретинол - жирорастворимый витамин. Внешне представляет собой желтые кристаллы (кристаллизуется очень трудно) или твёрдое вещество оранжевого цвета. Практически нерастворим в воде. Температура плавления 62-64°С.

Структура каротиноидов

Каротиноиды - высоко ненасыщенные производные изопрена, встречаются в природе - тетратерпеноиды, состоящие из 4 изопреновых остатков и имеющие скелет из 40 атомов углерода. На сегодня известно более 400 природных каротиноидов; биологически активны лишь 10.

Рис.1 Структура в-каротина

На обоих концах в-каротиновой молекулы имеются в-ионовые кольцевые структуры, обуславливающие провитаминную активность в-каротина. Из в-каротина можно получить две молекулы витамина А (С-20).

Продуценты в-каротина

в-каротин и родственные каротиноиды образуют главным образом микроскопические грибы и водоросли. Среди них активные продуценты каротиноидов - Neurospora crassa, Phycomyscs blakesleeanus, Blakeslea trispora, дрожжеподобные грибы рода Rhodotorula, особенно Rh. glutinis, ряд актиномицетов (желтая, оранжевая и оранжево-красная группы): Str. chesiomyceticus, Sir. mediolani, Act. subflavus. Галобактерии, кроме каротиноидного пигмента бактериоруберина, образуют витамин А -- ретиналь (в составе бактериородопсина) и в этом отношении представляют собой исключение среди прокариот, как правило, витамин А не синтезирующих. Миксоксантофиллы характерны для цианобактерий, бициклические ксантофиллы обнаружены у всех водорослей. Самые активные продуценты каротиноидов среди водорослей встречаются в родах Dunaliella, Chlorella, Scenedesmus.

4. Биосинтез в-каротина и механизмы получения

В биосинтезе каротиноидов различают 4 этапа: 1 - образование С₄₀-углеводорода (УГВ); 2 - последовательное дегидрирование с образованием ненасыщенных ациклических каротиноидов; 3 - образование ациклических и ароматических каротиноидов; 4 - окисление каротиноидов (иногда сопровождаемое модификацией углеродного скелета) с образованием ксантофиллов.

Первые два этапа относят к ранним ступеням биосинтеза, они общие для различных каротиноидов и достаточно хорошо изучены, другие два этапа -- «поздние реакции» до конца не расшифрованы.

Основная субъединица каротиноидов -- пренильный (изопреноидный) (С₅) остаток. Образование С_40-УГВ происходит в результате димеризации соединений с более короткой углеродной цепью и в следующей последовательности:

С₅ -- субъединица -- представлена пренильным остатком, который образуется из ацетата.

Три молекулы ацетата в виде ацетил-СоА конденсируются с образованием З-окси-З-метилглутарил-СоА (ОМГ-СоА).

ОМГ-СоА может синтезироваться и иным путем, а именно из лейцина.

При восстановлении ОМГ-СоА образуется мевалоновая кислота (МВК) -- обязательный предшественник каротиноидов и других терпеноидов. МВК далее фосфорилируется с образованием монофосфо-МВК и пирофосфо-МВК. Из последнего соединения при его декарбоксилировании и отщеплении молекулы воды получается изопентенилпирофосфат (ИППФ: С₅). ИППФ изомеризуется в диметилаллилпирофосфат (ДМАПФ), и при их конденсации образуется геранилпирофосфат (ГПФ: С₁₀). Последующее присоединение ИППФ приводит к образованию фарнезилпирофосфата (ФПФ: С₁₅) и затем геранилгеранилпнрофосфата (ГГПФ: С₁₀).

С₄₀-каротиноиды образуются при димеризации ГГПФ с образованием фитоина -- предшественника окрашенных каротиноидов.

Фитоин подвергается далее серии дидегидрирований, каждое из которых образует новую двойную связь. Соединения образуются в следующей последовательности: фитоин - фитофлуин - в-каротин -нейроспорин-ликопин.

Превращение ликопина в в-каротин и другие циклические каротиноиды связано с циклизацией предшественника.

Таким путем образуются каротиноиды у растений и грибов, в том числе у активных продуцентов в-каротина. Тем не менее они не являются универсальными. Пути синтеза каротиноидов могут различаться в зависимости от физиолого-биохимических особенностей микроорганизма и условий его культивирования. Роль фитоина как интермедиата в синтезе каротиноидов окончательно еще не доказана.

При введении в каротиноиды кислородсодержащих групп: окси, кето, альдегидо, метокси и других -- образуются ксантофиллы. Установлено, что оксигруппа включается после циклизации и происходит из молекулярного кислорода, а не из воды.

В зависимости от места включения кислорода возникают разные каротиноиды, например эхиненон (кислород в С--4), лютеин и зеаксантин (ОН-группа в С--3 положении).

В случае некоторых бактерий и грибов для превращения каротинов в ксантофиллы необходимо освещение.

5. Промышленный микробиологический способ получения в-каротина

Самый высокий выход в-каротина получают с грибом Blakeslea trispora. Это гетероталличный гриб, образующий (+) и (-) мицелий, в-каротин образует (-)-штамм, но в гораздо меньшем количестве, чем при смешивании (-) и (+)-штаммов. Образование в-каротина индуцируют триспоровые кислоты, которые действуют, видимо, как половые гормоны, но не как предшественники в-каротина. Они образуются из в-каротина. При добавлении триспоровых кислот к (-)-штамму выход в-каротина сильно увеличивается.

Другой активатор биосинтеза -- изониазид -- особенно в комбинации с в-иононом. Только один в-ионон токсичен для грибов, но в присутствии растительных масел он действует как стимулятор каротиногенеза. Сам в-ионон не включается в молекулу в-каротина и может быть заменен рядом веществ, как терпены, циклогексанон с его триметильными производными. Выход в-каротина в два раза увеличивается при добавлении к среде очищенного керосина, положительное действие которого может быть связано с индукцией некоторых ферментов или с изменением (увеличением) проницаемости клеточной мембраны, что предотвращает ингибирование синтеза конечным продуктом. Поскольку в-каротин малостабилен вне клеток, к мицелию добавляют антиоксиданты: б-нафтол, аскорбиновую кислоту, лецитин.

в-каротин получают в погруженной культуре (+)- и (-)-штаммов гриба. Поскольку в-каротин образует (-)-штамм, его количество должно превалировать над (+)-штаммом. Двустадийный процесс разработан на фирме Farmaceutici (Италия). 1-я стадия -- накопление биомассы, 2-я -- образование каротина. В период роста культура должна быть полностью обеспечена необходимым количеством азота, а в период накопления каротина количество азота в среде снижают. Углерод должен присутствовать в избытке и в 1-й, и во 2-й стадиях. На 1-й стадии проводят совместное культивирование (+) и (-)-штаммов Вl. trispora в среде, содержащей растворимый крахмал, хлопковое масло и керосин. При этом образуется 3,5 г/л триспоровых кислот, которые экстрагируют из биомассы и добавляют к культуре (-)-Вl. trispora, выращиваемой в среде того же состава, но дополнительно содержащей 0,5 г/л в-ионона. При таком культивировании получают до 1,2 г/л в-каротина. Более высокий выход в-каротина можно получить при использовании способа, представленного на следующей схеме (по Ninet, Renaut, 1979):

По окончании ферментации грибной мицелий отделяют, высушивают и стабилизируют. Он может быть непосредственно использован как добавка в корм животным. Для извлечения каротиноидов из высушенного под вакуумом и размельченного мицелия используют гидрокарбоновые или хлоргидрокарбоновые растворители. Затем проводят переосаждение и кристаллизацию в растворителях (этанол, смесь бензина и этанола 1: 1-4). 75--92% каротиноидов приходится на в-каротин. Иногда экстракцию каротиноидов проводят очищенными растительными маслами и получают масляные растворы.

В России в-каротин получают микробиологическим путем также с использованием Вl. trispora ((штаммы +/- 8-А). В качестве посевного материала используют взвесь в воде 7-суточных спор (+), (-) форм гриба.

Технологическая схема получения в-каротина

Посевной материл выращивают на качалках при 28...30 °С в течение 44 - 48 ч.

Состав питательной среды, %: соевая мука - 4,7; кукурузная мука - 2,3; КН₂РO₄ - 0,05; витамин В₁ - 0,0002. Соевую и кукурузную муку предварительно гидролизуют в 0,1 н. Н₂SO₄ в течение 30 - 45 мин при 120 °С.

Регламентная (производственная) среда имеет следующий состав, %: соевая мука - 4,0; кукурузная мука - 1,7; подсолнечное масло - 4,0; КН₂РO₄ - 0,05; витамин В₁- 0,0002.

6. Химический синтез витамина А в промышленности

Промышленно витамин А (содержащий в своей молекуле 20 атомов углерода) получают, постепенно наращивая углеродную цепь с использованием на разных стадиях простых исходных соединений - ацетилена, ацетона, дикетена, хлоруксусной кислоты и метилвинилкетона. Однотипные реакции нуклеофильного присоединения ацетилена к ацетону (первая стадия) и к ацилпроизводному (4) используются для синтеза третичных ацетиленовых спиртов (1) и (5). Ацетиленовую связь спиртов (1) и (13) восстанавливают водородом на палладии до винильной группы - соединения (2) и (14). Реакцию ацилирования спиртов до эфиров (3) и (6) с последующей термической перегруппировкой ацетонильного фрагмента этих эфиров, сопровождающейся декарбоксилированием, также проводят дважды. Кетотриен (7) (псевдоионон) циклизуют в серной кислоте в в-ионон (8). В присутствии щелочного агента в-ионон (8) превращают присоединением эфира хлоруксусной кислоты в хлоргидрин (9), который затем дегидрохлорируют с получением оксирана (10). При нагревании в щелочной среде оксиран (10) гидролизуется с отщеплением диоксида углерода, раскрытием гетероцикла и образованием альдегида (11), содержащего 14 атомов углерода. Последующая стадия заключается в синтезе спирта (13), содержащего 20 углеродноых атомов, взаимодействием альдегида (11) с димагнийбромидом винилацетиленого спирта (12). Синтезированное таким образом ацетиленовое производное (13) селективно гидрируют до тетраендиола (14), который на последних двух стадиях ацилируют уксусным ангидридом (ацилируется только первичный гидроксил) и обработкой йодом дегидратируют с образованием полностью сопряженной транс-системы двойных связей молекулы витамина А в виде О-ацетата(15):

7. Образование витамина А из в-каротина

Из в-каротина образуются 2 молекулы ретинола:

в-каротин +2NAD(P)H•H⁺ - 2 all - транс - ретинол + 2NAD⁺

Реакция катализируется двумя ферментами: каротиндиоксигеназой, расщепляющей молекулу в-каротина в центральной его части, и редуктазой с участием коферментов NADH•H⁺ либо NADPH•H⁺. Одновременный приём с пищей антиоксидантов, препятствующих окислению каротина по периферическим двойным связям, а также витамина В₁₂, повышающего активность каротиндиоксигеназы, увеличивает количество молекул каротина, расщепляющегося по центру, и эффективность витамина А вследствие этого возрастает в 1,5-2 раза. Также усвоению каротина способствуют флаваноиды.

Главным местом превращения каротина в витамин А является стенка кишечника. Поскольку каротины являются жирорастворимыми соединениями, их усвоение происходит вместе с липидами.

Каротины легко окисляются кислородом воздуха, чувствительны к свету. Процесс их окисления идёт аутокаталитически с образованием свободных радикалов.

Заключение

В данной работе были рассмотрены как химический способ получения витамина А, так и микробиологический промышленный способ получения в-каротина.

Исходя из описания процессов, можно сделать вывод, что химический синтез является достаточно сложным и требует особого контроля на каждой стадии (особенно на стадиях, требующих селективного синтеза).

Микробиологический же способ подразумевает, что все реакции происходят по механизмам, которые предусмотрены природными особенностями штаммов Blakeslea trispora. Компоненты среды являются доступными и относительно дешевыми, что также упрощает производственные процессы.

Оба метода требуют квалифицированных кадров, однако, микробиологический путь получения провитамина А сопряжен с меньшими трудозатратами и меньшим количеством опасных производственных факторов, нежели химический синтез витамина А.

Список использованных источников

1. Воробьева Л. И., Промышленная микробиология. - Москва: Издательство Московского университета, 1989 - с.283-290;

2. Мойсеенок А.Г., Морозкина Т.С., Витамины. - Минск: Асар, 2002 - с. 58-63;

3. Бекер М.Е., Введение в биотехнологию. - Рига: Звайгене, 1979 - с. 182;

4. Солдатенков А.Т., Колядина Н.М., Шендрик И.В., Основы органической химии лекарственных веществ. - Москва: Химия, 2001 - с. 47-51;

5. Хохлов А.С., Овчинников Ю.А., Химические регуляторы биологических процессов. - Москва: Знание, 1989 - с. 58.

Размещено на Allbest.ru