Дорошко О.В., Антонюк М.М.

Национальный университет пищевых технологий

Выделение ароматических соединений в процессе их биосинтеза in situ

Современные исследования биотехнологий получения ароматических соединений диктуются в первую очередь потребностями пищевой, парфюмерной, фармацевтической и других отраслей промышленности. Однако их промышленное внедрение сталкивается с рядом проблем, основной из которых является низкая концентрация целевого продукта в культуральной жидкости [3].

Селекция новых продуктивных штаммов продуцентов ароматических веществ не всегда оказывается эффективной, так как большинство из них (лактоны, терпены, эфиры, кетоны, спирты, альдегиды) имеют токсическое действие на клетки микроорганизмов. Например, 2-фенилэтанол (2-ФЕ), при достижении определенной концентрации (2,0 г / л – для Kluyveromyces marxianus; 4,0 г / л – для Saccharomyces cerevisiae ) приводит к угнетению роста продуцента [1].

Повысить продуктивность производства многих ароматических веществ биотехнологическим способом можно путем выделения продукта с культуральной среды во время проведения ферментации (in situ), используя различные физико-химические процессы разделения, например, экстракцию, сорбцию, первапорацию, ионообмен и т.д [3].

Выделение ингибирующего продукта в результате экстракции является самым простым и распространенным способом. Известно, что большинство ароматических соединений характеризуются гидрофобными свойствами и поэтому лучше растворяются в органических растворителях, таких как этанол, бензил бензоат, жирные кислоты, глицерин, пропиленгликоль и т.д., которые поглощают целевые продукты из водной культуральной среды снижая их концентрацию до уровня, что не является токсичным для функционирования клеток. При этом экстрагент можно вносить непосредственно в ферментер. На выбор растворителя влияют биосовместимость с продуцентом, а также способность к экстракции конкретного ароматического соединения [2].

Методы выделения продуктов in situ были исследованы группами ученых для таких ароматических компонентов как фенилацетат, терпены, декалактон, ванилин, 2-фенилэтанол, геранилацетат, бензальдегид [3].

В частности, жидкостная экстракция оказалась эффективной для процессов биотрансформации 2-фенилэтанола. В таблице 1 приведены некоторые растворители, применяемые в данной технологии [1].

Таблица 1

Эффективность жидких экстрагентов для выделение 2-фенилэтанола

Экстрагент	Продуцент	Общая концентрация 2-ФЕ, г/л	Концентра-ция 2-ФЕ в водной фазе, г/л	Концентра-ция 2-ФЕ в растворителе, г/л
Олеиловый спирт	Saccharomyces cerevisiae	3,0	0,89	данные отсутсвуют
Олеиновая кислота	Saccharomyces cerevisiae	12,6	2,10	24,0
Полипропилен- гликоль 1200	Kluyveromyces marxianus CBS 600	10,2	0,30	26,5

С использованием полипропиленгликоля 1200 становится возможным повысить продуктивность производства до 0,33 г/л-час (сравнительно с обычной ферментацией – 0,05 г/л-час) [1]. Однако, образование эмульсий приводит к накоплению слоя экстрагента вокруг клеток и ухудшению диффузии питательных веществ в клетку. Кроме того, остаточные концентрации экстрагента могут влиять на органолептические показатели и качество ароматических веществ [2].

Для обеспечения чистоты продукта и его безопасности можно провести иммобилизацию растворителя в полимерных матрицах. Oднако, построение иммобилизованных систем – сложный, энергозатратный и дорогостоящий процесс, и в промышленных условиях вызывает сложности в реализации [3] .

Поэтому применение адсорбентов или абсорбентов является альтернативой органическим растворителям. Хотя их стоимость, которая варьирует в зависимости от функционирования и производительности, выше по сравнению с органическими растворителями. Однако, сорбенты могут использоваться многократно после соответствующей регенерации. Твердые пористые адсорбенты с чрезвычайно большой площадью поверхности, начиная от активированного угля до полимерных смол, используются для удаления метаболитов из культуральной жидкости. Они могут быть внесены непосредственно в ферментер или быть размещены в отдельной колонне, через которую циркулирует культуральная среда [2].

Синтетические полимеры (в основном представлены органическими полимерами гидрофобной природы) являются перспективными носителями для абсорбции целевых продуктов. В частности, полимерный препарат Hitrel ® (сополимер полибутилен эфира и полиэфира), характеризуется высокими коэффициентами разделения для многих ароматических веществ, что объясняется их природой и селективностью по отношению к соединениям различной химической природы.

Применение различных марок полимерного препарата Hitrel® оказалось перспективным в технологиях получения 2-фенилэтанола и ванилина (табл.2) [2,4].

Таблица 2

Эффективность применения препарата Hitrel®

Целевой продукт	Продуцент	Марка Hitrel®	Количество внесеного твердого полимера, г	Общая концентрация целевого продукта, г/л
Ванилин	Amycolatopsis sp. ATCC 39116	G4078W	300	19,5
2-фенил-этанол	Kluyveromyces marxianus CBS 600	8206	500	13,7

Учеными исследовано, что твердые полимерные гранулы не усваиваются микроорганизмами в процессе биосинтеза и не вызывают изменение аромата конечного продукта [2,4].

Таким образом, выделение ароматических соединений непосредственно в процессе их биосинтеза (in situ) является относительно новым и перспективным биотехнологическим способом получения целевого продукта. Технология конкретного ароматического вещества основана на индивидуальном подходе к выбору соответствующего метода разделения, обеспечивая экономическую целесообразность и эффективность процесса.

Литература:

1. Etschmann M.M.W, Schrader J. An aqueous-organic two-phase bioprocess for efficient production of the natural aroma chemicals 2-phenylethanol and 2-phenylethylacetate with yeast // Appl. Microbiol. Biotechnol. –2006. – Vol.72, №2 – P. 440-443.

2. Gao F., Daugulis A.J. Bioproduction of the aroma compound 2-phenylethanol in a solid-liquid two-phase partitioning bioreactor system by Kluyveromyces marxianus // Biotechnol. Bioeng. – 2009. – Vol. 104, № 2. – P. 332-339.

3. Gounaris Y. Biotechnology for the production of essential oils, flavours and volatile isolates // Flavour Frag. J. – 2010. – Vol. 25, № 7 – P. 365-387.

4. Ma X.K, Daugulis A.J. Transformation of ferulic acid to vanillin using a fed-batch solid-liquid two-phase partitioning bioreactor // Biotechnol Prog. – 2014. – Vol. 30, №1. – P. 207-214.