بخشی از مقاله
چکیده
هدف: اسید سیتریک مهمترین اسید آلی تولید شده بوسیله ی فرآیند تخمیر می باشد، که به طور گسترده ای در صنایع غذایی، دارویی و شیمیایی استفاده می شود. اگرچه آسپرژیلوس نایجر1 متداول ترین مخمر مورد استفاده در تهیه اسید سیتریک می باشد، اما در سال های اخیر تحقیقات زیادی برای استفاده از سایر مخمر ها در فرآیند تخمیر انجام شده است. در میان گونه های مخمر، یاروویا لیپولیتیکا2 پتانسیل خوبی در تولید اسید سیتریک دارد. به علت افزایش تقاضای سالانه برای اسید سیتریک، در این مطالعه مروری به شناسایی مخمر های تولید کننده اسید سیتریک، فاکتور های موثر بر تولید آن و بهبود گونه های مخمر بوسیله جهش زایی و انتخاب می پردازیم.
مقدمه
اسید سیتریک، اسید آلی ارزشمندی می باشد که به طور گسترده در صنایع غذایی، دارویی و تولید نوشیدنی ها بعنوان افزودنی غذایی برای ایجاد یک طعم مساعد و بوی خوب به کار گرفته می شود.همچنین در تولید بسیاری از غذاها به عنوان آنتی اکسیدان، امولسیون کننده و یا نگه دارنده فعالیت دارد.[1] نیاز روز افزون به اسید سیتریک به دلیل سمیت پایین آن در مقایسه با دیگر اسید ها است.[1] عرضه اسید سیتریک طبیعی محدود بوده و نیاز به آن تنها با فرآیند های تخمیر بیوتکنولوژیکی رفع می گردد. اسید سیتریک به عنوان مهمترین اسید آلی تولید شده در تناژ بالا به وسیله تخمیر شناخته شده است و یکی از محصولات پر مصرف بیوشیمیایی می باشد.
[1,2] تولید سالانه اسیدسیتریک به میزان 1.4 میلیون تن در سال [1] 2004و 1.6 میلیون تن در سال 2008گزارش شده است . تعداد زیادی از تک سلولی های زنده برای تولید اسید سیتریک به کار می روند، ولی تعداد کمی ازآنها قادر به تولید در مقیاس صنعتی هستند. Aspergillus niger تقریبا برای مقیاس صنعتی تولید اسید سیتریک به کار می رود. ولی در طول 30 سال اخیر تحقیقات بیشتر روی بکار گیری مخمر به عنوان تولید کننده اسید سیتریک تمرکز داشته اند. تعدادی از نژاد ها، که بیشتربه Candida تعلق دارند برای تولید اسید سیتریک بکار گرفته میشوند. [4] گونه های مخمر تولید کننده اسید سیتریک شامل: Candida - Yarrowia - lipolytica، Candida guilliermondii, Candida oleophila, Candida intermediates, Candida paratropicalis, Candida zeylanoides, Candida catenulata, Candida parapsilosis, Pichia anomala و برخی از گونه های Rhodotorula میباشند.
[3] در بین گونه های مخمر، Yarrowia lipolytica بعنوان تولید کننده بالقوه اسید سیتریک شناخته می شود.مزیت بکار گیری مخمر هاعبارتند از اینکه:مخمر ها مقاومت بیشتری در برابر غلظت بالای سوبسترا نسبت به سایر قارچ ها دارند،دارای میزان قابل ملاحظه ای تبدیل بوده و آستانه تحمل بالاتری نسبت به یون های فلزی دارندکه بکار گیری مواد پالایش شده کمتر را مجاز می نمایند .بکارگیری مخمر به دلیل طبیعت مولکولی شان امکان کنترل بهتر فرآیند را فراهم می آورند. تولید اسیدسیتریک به وسیله مخمر میتواند درآینده یک جایگزین مناسب برای A. Niger باشد،خصوصا اگر توده های زیستی مخمری به عنوان یک افزودنی به غذای حیوانات بدل شوند.
مهمترین مشکل بکار گیری مخمر،تولید هم زمان اسید سیتریک و ایزوسیتریک اسید میباشد. نسبت عددی سیتریک:ایزو سیتریک می تواند بین 1:1 تا 20:1 بر اساس نژاد های مخمر، منابع کربنی و میزان تجمع مواد ریز مغذی تغییر کند.انتخاب نژاد مخمر باتولید بالای اسید سیتریک و ایجاد نسبت بالای سیتریک:ایزوسیتریک گامی مهم درفرایند تولید اسید سیتریک است.بیش از 90 درصد از تولیدات اسید سیتریک درجهان به وسیله تخمیر به دست می آیند.تولید صنعتی اسید سیتریک می تواند به سه شیوه مختلف صورت گیرد: تخمیر غوطه وری،تخمیر سطحی وتخمیر جامد یا فرایند کوجی.[1]حدودا 80 درصد ازتولید سیتریک اسید در جهان به وسیله نوع اول تخمیر در تانکر های همزن دار ذخیره با ظرفیت 40 تا 200 مترمکعب یا تخمیر کنده های بزرگتر با 200 تا 900 متر مکعب ظرفیت به دست می آیند.
فرآیند تخمیر میتواند به صورت غیر پیوسته یا پیوسته صورت گیرد که حالت غیر پیوسته بیشتر کاربرد دارد.تخمیر درحالت جامد به صورت رایج برای A. Niger بکار گرفته می شود.[1]اولین مرحله تولید و شکل گیری این اسید درسلول ها شامل شکست هگزوسیس به پیرووات در گلیکولیز میباشد،که به وسیله شکست پیوند کربوکسیلی از آن برای تولید استی CoA-1 ادامه پیدا مینماید.گاز CO2 آزاد شده از این واکنش ازبین نمی رود، بلکه به وسیله کربوکسیلاز پیرووات در یک قالب اگزالو استات تجدید می گردد.عموما اگزالواستات بصورت گسترده ازطریق تکامل چرخه تری کربوکسیلیک اسید TCA عرضه می گردد و امکان شروع مجدد چرخه را با تراکم با استیCoA-1 برای شکل گیری سیترات، می دهد که با سنتز سیترات کاتالیز می گردد. برای تجمع سیترات، متابولیسم درونی آن باید بسته شود. این مورد با جلوگیری از aconitase، انجام می گیرد، آنزیمی که گام بعدی را در چرخه TCA کاتالیز مینماید.
این کار با تنظیم شرایط محیطی،مانند حذف آهن،که فعال کننده aconitase است،صورت می گیرد.در نتیجه،طی تجمع سیترات،چرخه TCAبه شدت درکنار شکل گیری سیترات غیر فعال میباشد، ازاینرو اهمیت anaplerotic - مسیر های خارج از چرخه - نشان دهنده شکل گیری اگزالواستات می باشد. تولید سیتریک اسید به وسیله مخمر تنها بعد از اینکه منابع نیتروژن خالی شوند شروع می شود،یعنی در پایان فاز رشدتصاعدی و با محیط تولید خالی از نیتروژن و منابع آن.[2]
مواد وروش ها
در این مطالعه فاکتور های موثر بر تولید اسید سیتریک شامل نوع و غلظت کربن محیط تخمیر، محدودیت های فسفات و نیتروژن، هوادهی، عناصر جزئی، pH اولیه، دما و همچنین بهبود گونه های مخمر تولید کننده اسید سیتریک بوسیله جهش زایی و انتخاب انجام شده است.[2]
نتایج وبحث
.2 تاثیر شرایط تخمیر بر تولید اسید سیتریک به وسیله مخمر بازدهی تولید سیتریک اسید بیشتر به نوع مواد و موجودات زنده تک سلولی و شرایط کشت بستگی دارد.عوامل موثر بر تولید اسید سیتریک: نوع و میزان تجمع منابع کربنی محیط تخمیر، محدودیت نیتروزنی و فسفات،موجودات هوازی،عناصر سمی،PH اولیه و دما می باشند .
-1-2 تاثیر منابع کربی
میزان تجمع سیتریک اسید به وسیله نوع و میزان تجمع منابع کربنی تحت تاثیر واقع می گردد .مواد A. niger و مخمر مورد استفاده برای تولید سیتریک اسید می توانند متفاوت باشند. برای A. niger ساکروز یکی از مطلوب ترین مواد در بین کربوهیدرات هایی می باشدکه به سادگی متابولیزه می گردد،که به دنبال آن گلوکز،فروکتوز و گالاکتوز می باشند.ملاس اغلب به عنوان یک ماده خام برای تولید اسید سیتریک از A. niger به کار گرفته می شود. برخی از مخمر ها قادر به تولید سیتریک اسید از بازه گسترده ای از منابع کربنی نسبت به قارچ ها می باشند. بحران نفتی جهان در -1974 1973 کلا اکتشافات n الکان ها را به عنوان سهام اصلی برای تولید صنعتی سیتریک اسید،پایان بخشید.
سپس کشف شد که مخمر های خاصی می توانند در تولید سیتریک اسید از کربوهیدرات ها موثر واقع شوند،خصوصا از گلوکز به عنوان منبع کربن. هر چند، Lipolytica تنها گونه شاخته شده به دلیل قابلیت بالای آن برای بیشینه سازی تولید سیتریک اسید می باشد ،این مورد و دیگر نژاد های candida قادر به تولید سیتریک اسید از کربوهیدرات های گوناگون می باشند،درحالیکه گلوکز در بین آنها دارای بالاترین جاذبه می باشد.دیگر منابع کربنی مانند روغن ها،اتانول،ملاس چغندرقند، کربوهیدرات های گروهی و گلیسرول خالص یا خام برای تولید سیتریک اسید از لیپولیکا به کار گرفته شده اند. گزارش شده که میزان کمتری از تجمع سیتریک اسید در محیط های دارای گلوکز نسبت به محیط های دارای -N الکان یافت شده است.
ملاس یا شربت قند می تواند برای تولید سیتریک اسید به وسیله مخمر ها به کار گرفته شود .در یک مطالعه انجام گرفته بر روی c.lipolytica گزارش شده که تولید بالای سیتریک اسید با بکارگیری گلوکز، فروکتوز، و گلیسرول به دست آمده است. در مطالعه ای که به وسیله Karasu-Yalcinو همکاران انجام گرفته است رشد و تولید سیتریک اسید از یک نژاد تولید کننده سیتریک اسید Y. lipolytica NBRC 1658 در محیط گلوکز و فروکتور در یک سیستم غیر پیوسته، مشخص شده اند.
بهترین نتایج برای تولید سیتریک اسید هنگامی به دست آمد که میزان غلظت مواد اولیه حدودا 100 g/L بود. نسبت سیتریک:ایزوسیتریک اسید نیز بین 11.20 تا 16.62 در محیط مورد بررسی تغییر داشت. بیشینه میزان غلظت سیتریک اسید به میزان 65.1 g/L در محیطی حاوی 200 g/L فروکتوز با نژادی جدید یافت شد. اصول بیوشیمیایی در رابطه بین غلظت اسید سیتریک و قند، نشان داده است که غلظت بالای قند باعث تحریک نظام انتقال گلوکز به صورت افزایشی می گردد .
مطالعه دیگر از سوی Karasu-Yalcin و همکاران نشان می دهد که قند مانیتول و گلیسرول برای تولید سیتریک اسید به وسیله دو نژاد Y.lipolytica به کار می روند و نتایج راضی کننده ای در هر دو محیط یافت شدند. قند مانیتول به عنوان پلی الکل بالقوه برای تولید سیتریک اسید شناخته شده است که بکار گیری مواد حاوی آنرا توصیه می نماید. اتیل الکل نیز انتخاب دیگری برای تولید سیتریک اسید به وسیله مخمر در سال های اخیر بوده است.Arzumanov و همکارانش بیوسنتز اسیدسیتریک را با کشت مکررY. lipolyticaدر اتانول گزارش نمودند.بالاترین غلظت سیتریک اسید - g/L 105 - و بازدهی تولید 88 - درصد - با 50 درصد تغذیه برای هر سه روز با غلظت اتانول کمتر از 1.2 g/Lدر PH برابر با 4.5 و 28 درجه سانتی گراد، تعیین شدند.
برخی از مخمر ها که -nآلکان ها را شبیه سازی کردند، می توانند برخی از ترکیبات هیدروفوبیک مانند اسید های چرب،تری گلیسرید،روغن ها وچربی ها را نیز شبیه سازی نمایند.Y. lipolytica،C. tropicalis و برخی از Rhodotorula می توانند سیتریک اسید را با استفاده از روغن تولید نمایند.برای این منظور، روغن آفتابگردان، سویا، زیتون و هسته خرما بکار گرفته میشوند.Kamazolova و همکارانش گزارش کردند که حداکثر غلظت سیتریک اسید در سیستم تخمیر غیر پیوسته که در آن غلظت روغن هسته خرما بالای g/L 5 نگه داشته شد، برابر با g/L 135بود.در مطالعه دیگری، علاوه بر این روغن، روغن آفتابگردان بعنوان ماده بالقوه برای تولید سیتریک اسید به وسیله Y. lipolytica پیشنهاد شده.
