有機酸工藝學(xué)-曲酸

1、1曲曲 酸酸2p 曲酸的性質(zhì)與應(yīng)用p 曲酸的歷史與生產(chǎn)p 案例分析主要內(nèi)容主要內(nèi)容3性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用4p 曲酸( Kojic Acid)是一種與葡萄糖結(jié)構(gòu)相似的有機酸，其化學(xué)名稱是2-羥甲基-5-羥基-1,4-吡喃酮，分子式為C6H6O4。p 曲酸外觀為白色棱柱形、針狀晶體或粉末，熔點為151154，易溶于水、甲醇、乙醇和丙酮，微溶于醚、乙酸乙酯、氯仿和吡啶，難溶于苯等大部分其他溶劑。曲酸雖然溶于水但溶解度不大，在水中溶解度2.88 g（20），在乙醇中溶解度稍小于水。性質(zhì)性質(zhì)5性質(zhì)性質(zhì)p 曲酸分子結(jié)構(gòu)中羰基附近存在一個醇羥基，能與多種金屬生成鹽，其他羥基可以生成醚、酯類衍生物；同時曲酸具

2、有酚羥基和烯醇結(jié)構(gòu)，所以曲酸也是一種具有還原性的有機物弱酸，可還原斐林試劑和硝酸銀氨等。p 曲酸由于含有烯醇式結(jié)構(gòu)而穩(wěn)定性差，對光和熱敏感，在空氣中易被氧化，把濃度為0.5%的曲酸溶液在不同pH下100處理3 h或太陽光照射5 h，結(jié)果在pH 57范圍溶液變成淡黃或黃褐色，而在pH 4變化不大。p 曲酸能螯合金屬離子，如可與Fe3+絡(luò)合作用呈特殊的紅色，也可以與Cu2+、Mn2+等其他金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)。6性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用- -抑菌活性抑菌活性p 曲酸對大部分細菌和某些酵母有較好的抑制作用。p 曲酸濃度為0.20.4時能對細菌起到良好的抑制效果，尤其是對大腸桿菌等革蘭氏陰性細菌有明顯的抑

3、制效果，因而常用曲酸及其衍生物作為革蘭氏陰性菌的抑制劑。p 曲酸對真核微生物的抑制作用弱于原核細菌，可能與曲酸的抑菌機制有關(guān)。7性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用- -抑菌活性抑菌活性p 與苯甲酸鈉只能在酸性條件下才有抑菌作用不同，pH對曲酸的抑菌效果沒有較大影響，所以可能是曲酸對細菌抑制作用主要是抑制DNA復(fù)制所需的一些酶的活力。與相同濃度的苯甲酸鈉相比，曲酸抑菌能力明顯強于苯甲酸鈉。p 曲酸的熱穩(wěn)定性良好，經(jīng)熱處理后仍有良好的抑菌效果，并在食品加工中是安全無害的，因此廣泛應(yīng)用在食品防腐劑。8性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用- -抑制酪氨酸酶活性p 酪氨酸酶，又稱多酚氧化酶（PPO），是一種活性中心含雙核Cu2+的氧

4、化還原酶， Cu2+直接參與催化作用。p 酪氨酸酶催化L-酪氨酸羥基化轉(zhuǎn)變?yōu)長-多巴（單酚酶活性）和氧化L-多巴形成多巴醌（二酚酶活性），多巴醌經(jīng)一系列反應(yīng)后，形成黑色素。p 酪氨酸酶具有獨特的雙重催化功能，是生物體內(nèi)黑色素合成的關(guān)鍵酶，與人的衰老有密切關(guān)系。其異常過量表達可導(dǎo)致人體的色素沉著性疾病。9性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用- -抑制酪氨酸酶活性p 曲酸對酪氨酸酶活性的抑制是通過多種途徑控制完成的。p 首先，曲酸結(jié)構(gòu)與L-多巴比較相似，環(huán)上有1/2親水性的羥基結(jié)構(gòu)，可與游離酶結(jié)合而與酚類物競爭酶的活性中心，有效阻隔酪氨酸酶與酚類物的結(jié)合從而抑制酶促氧化反應(yīng)的發(fā)生，表現(xiàn)為競爭性抑制。p 其次，曲酸

5、可以鰲合酪氨酸酶活性必需的Cu2+ ，5位羥基和4位酮基可與酪氨酸酶活性中心上的Cu2+絡(luò)合，從而抑制酶活。p 第三，曲酸能通過去除氧自由基干擾酪氨酸酶酶促反應(yīng)中對O2的吸收。p 最后，曲酸能還原將二酚酶催化的產(chǎn)物醌類化合物為二酚而阻止黑色素的形成。10p 酪氨酸酶抑制劑可以治療目前常見的色素沉著性皮膚病如雀斑、黃褐斑、老年斑。市場上流行的美白化妝品中的熊果苷、維生素C衍生物、曲酸及其衍生物、綠茶提取物、甘草提取物等中藥提取物等均為酪氨酸酶抑制劑，主要是通過抑制酪氨酸酶的活性而達到抑制黑色素合成，進而發(fā)揮美白的作用，可應(yīng)用于化妝品行業(yè)。性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用- -抑制酪氨酸酶活性11性質(zhì)與應(yīng)用性

6、質(zhì)與應(yīng)用- -抗氧化性抗氧化性p 曲酸具有酚羥基和烯醇結(jié)構(gòu)，可表現(xiàn)為抗氧化性。曲酸能抑制體內(nèi)超氧歧化酶活性，強力清除體內(nèi)自由基。p 曲酸對D-型氨基酸、L-苯丙氨酸、L-蛋氨酸的氧化酶以及黃嘌呤氧化酶等有競爭性抑制作用，因此可能會影響生物體內(nèi)某些氨基酸以及黃嘌呤的代謝。p 曲酸可有效延緩褐變，0.3%和0.5%曲酸即可使鮮切果蔬色褐變時間推遲一倍，比1%檸檬酸的效果好。12性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用p 曲酸還有保鮮作用，經(jīng)曲酸處理可有效減少鮮切西蘭花貯藏期間水分的散失，延緩TA、VC和葉綠素含量的下降，顯著提高鮮切西蘭花的貯藏品質(zhì)。p 曲酸還可以抑制甲殼類水產(chǎn)品的褐變。曲酸添加到肉類食品中時，與肌紅

7、蛋白中的鐵有血紅色反應(yīng)，減少某些有害發(fā)色劑的使用，且與VC、煙酰胺等目前使用的護色劑有很好的加成作用，曲酸還能抑制亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝胺、防止油脂變質(zhì)、防止生面褐變。p 曲酸具有抗菌防腐、抗氧化、抗癌、護色、保鮮等作用，并且無色、無味、無毒，是一種潛在的、性能優(yōu)越的食品添加劑。13p 醫(yī)藥行業(yè)中，曲酸具有抑菌活性，可以作為消炎藥和止痛藥，還具有抗癌作用。曲酸是一種天然化合物，可以作為一種較安全的抗真菌化學(xué)增敏劑，降低所必需的有效控制真菌的抗真菌藥物劑量水平，在與抗真菌劑治療選擇性地抑制真菌病原體同時減少副作用。p 曲酸的衍生物也能廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥方面，如某些曲酸的衍生物能有效抑制人中性粒細胞彈性蛋

8、白酶（HNE）的活性，從而應(yīng)用于慢性和急性炎癥性肺部疾病的治療。性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用14性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)與應(yīng)用p 在農(nóng)業(yè)中，曲酸作為殺蟲劑，也可用作殺蟲劑的螯合劑、活化劑，被廣泛用于農(nóng)業(yè)殺蟲劑的生產(chǎn)。p 曲酸對小菜蛾酚氧化酶抑制作用，發(fā)現(xiàn)曲酸與昆蟲酚氧化酶活性中心Cu2+螯合而抑制其活性，從而引起小菜蛾死亡。p 曲酸能抑制某些昆蟲的生長發(fā)育，如棉鈴蟲、草地貪夜蛾、家蠅和果蠅等，曲酸還能誘導(dǎo)某些昆蟲如斑皮蠹屬幼蟲不育。p 曲酸還可用作農(nóng)作物的生長促進劑，使糧食和蔬菜有明顯的增產(chǎn)，可以配制成低濃度噴灑到葉面。15歷史與生產(chǎn)歷史與生產(chǎn)16發(fā)現(xiàn)史發(fā)現(xiàn)史p1907年Saito首次從米曲抽提液中發(fā)現(xiàn)并分離出

9、曲酸。p1912年由Yabuta命名，并于1924年確定其分子式、結(jié)構(gòu)。p酒類、醬油及豆瓣醬等釀造中均可檢測到曲酸的存在，普遍認為曲酸是安全的。17生產(chǎn)生產(chǎn)- -發(fā)酵微生物發(fā)酵微生物p 自然界中廣泛存在能夠產(chǎn)生曲酸的微生物，大多數(shù)為曲霉，如米曲霉、米黃曲霉、黃曲霉、亮白曲霉、棒曲霉、巨大曲霉、煙曲霉、溜曲霉、溫特曲霉、灰綠曲霉、疏展曲霉、構(gòu)巢曲霉和寄生曲霉等。p 少數(shù)青霉如產(chǎn)蘋果青霉、曲酸青霉等，某些細菌如玫瑰葡糖桿菌、蠟狀葡糖桿菌和若干假單胞菌也可利用糖類生成曲酸。18生產(chǎn)生產(chǎn)- -產(chǎn)酸微生物篩選產(chǎn)酸微生物篩選p El-Aziz等從土壤中分離出58株霉菌，包括6種曲霉、1種毛霉和2種青霉，各

10、菌株產(chǎn)曲酸能力差異很大，篩選出米曲霉、黃曲霉、寄生曲霉、煙曲霉及產(chǎn)黃青霉產(chǎn)曲酸能力較強，其中黃曲霉曲酸產(chǎn)量最高可達到50.57 g/L。p Rashad M. Saleh等從6株木霉中篩選發(fā)現(xiàn)里氏木霉和綠色木霉在發(fā)酵過程中能合成少量曲酸，曲酸產(chǎn)量分別為3 g/L和5 g/L。p El-Kady等從278株真菌中篩出5株菌曲酸產(chǎn)量較高，包括3株黃曲霉和2株黃曲霉柱頭變種，進行發(fā)酵優(yōu)化后曲酸最高可達53.5 g/L。p 目前曲酸生產(chǎn)菌中產(chǎn)量較高的多是米曲霉和黃曲霉，但利用黃曲霉生產(chǎn)曲酸時需要檢測黃曲霉毒素。通過一定篩選手段發(fā)現(xiàn)越來越多的曲酸產(chǎn)生的優(yōu)良菌株，對曲酸工業(yè)化生產(chǎn)具有十分重要的意義。19生

11、產(chǎn)生產(chǎn)- -育種（傳統(tǒng)）育種（傳統(tǒng)）p 直接從自然界中篩選獲得的野生菌株產(chǎn)曲酸能力大部分不能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，因此可以采用理化手段（物理誘變、化學(xué)誘變及復(fù)合誘變）對曲酸生產(chǎn)菌誘變篩選，選育出曲酸產(chǎn)量高的生產(chǎn)菌株。p 目前使用物理誘變選育曲酸高產(chǎn)菌的手段有：紫外線誘變、射線誘變、微波誘變、激光誘變、N+注入誘變等。p Wan H.-M.等通過多次NTG、UV誘變米曲霉ATCC 22788的孢子及原生質(zhì)體，曲酸產(chǎn)量提高了100多倍，達到41 g/L。20生產(chǎn)生產(chǎn)- -育種（基因工程）育種（基因工程）p Ryosuke Yamada等通過基因工程手段對米曲霉 RIB40進行分子改造，構(gòu)建了可以過量表

12、達編碼轉(zhuǎn)錄因子Zn(II)2Cy6的基因kojR的重組菌NSPID1/Pis1-kojR，提高控制曲酸合成的相關(guān)基因kojR、kojA和kojT的轉(zhuǎn)錄水平。該菌利用葡萄糖合成曲酸時產(chǎn)量由原來的16.4 g/L提高到26.4 g/L，利用淀粉合成曲酸時產(chǎn)量由原來的6.2 g/L提高到19.4 g/L。p Ryosuke Yamada還將含有3個纖維素酶基因的質(zhì)粒導(dǎo)入到重組菌中，可以直接利用磷酸膨脹纖維素（PASC）合成曲酸。該研究首次利用纖維素合成曲酸，增加了合成曲酸原料的種類，并對結(jié)合發(fā)酵工程和基因工程提高曲酸產(chǎn)量具有指導(dǎo)意義。21生產(chǎn)生產(chǎn)- -發(fā)酵優(yōu)化發(fā)酵優(yōu)化p 曲酸的產(chǎn)量不僅與菌株的遺傳特性有關(guān)，還與其所處的環(huán)境有著密切的關(guān)系。微生物只有在適宜的環(huán)境生長代謝才能將其性能發(fā)揮到最優(yōu)水平，而原始條件往往不能滿足其需求，因此還需對菌株的培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件進行研究，最終使目的產(chǎn)物的產(chǎn)量有很大的提高。p 實驗室常通過單因素實驗、正交實驗、均勻?qū)嶒?、Plackett-Burman實驗、爬坡實驗和響應(yīng)面實驗等來優(yōu)化培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件，使菌株處在最適宜的環(huán)境，合成更多的曲酸。22