Янтарна киселина - биология
Янтарна киселина, също Сукцинилова киселина или Бутандиоена киселина, Е 363, е безцветна, кристална алифатна дикарбоксилна киселина. Кристалите са лесно разтворими във вряща вода.
история
Янтарна киселина е открита през 1546 г. от Георгиус Агрикола по време на суха дестилация чрез нагряване на кехлибар. Николас Лемери е първият, който разпознава киселинната природа на веществото през 1675 г. и Йонс Якоб Берцелиус открива състава (C4H6O4) на киселината. Лекарства на базата на янтарна киселина и нейните соли за употреба при катари и сифилис се използват през 20-ти век. [3]
В края на 19-ти век фармацевтът Ото Хелм, който живее в Гданск, се опитва да идентифицира произхода на кехлибара въз основа на съдържанието на янтарна киселина. Киселината, получена чрез суха дестилация и сублимирана в реторти, претегля Helm и стига до заключението, че съотношение между 3,2% и 8,2% предполага балтийски кехлибар. В същото време Хелм използва същия метод за изследване на сицилиански кехлибар и археологически находки от древен Рим. Докато той не откри следи от киселина в проби от сицилиански кехлибар, древните парчета имаха киселинност от 4,1% до 6,3%. Хелм вярва, че това отговаря на въпроса за произхода на кехлибарените находки, направени в Средиземно море, което е било проблем за археолозите от векове. Според тези открития трябва да е бил балтийски кехлибар. [4]
По-късно се оказа, че съдържанието на янтарна киселина не е надеждна характеристика на балтийския кехлибар, тъй като съответните концентрации на янтарна киселина са открити и в кехлибар от други европейски находища. R.C.A. През 1970 г. Ротландър стига до заключението, че янтарната киселина всъщност не се съдържа естествено в кехлибар, а се образува само в хода на алкалната хидролиза на кехлибар (като алкална сол) или по време на суха дестилация (като негов анхидрид). Той предположи, че янтарната киселина (като сол или анхидрид) трябва да се разглежда като естествен продукт на окисляване на кехлибар и по този начин като индикатор за процеса му на стареене.
Следователно въпросът за произхода на древния кехлибар от археологически разкопки все още е обект на научни дискусии и напоследък се правят опити да се отговори с помощта на други методи за разследване (инфрачервена спектроскопия, масова спектрометрия, газова хроматография, ядрено-магнитен резонансен спектроскоп [NMR] и други). [5] [6] [7]
Поява
Името на янтарната киселина произлиза от кехлибар, скъпоценен камък, направен от изкопаеми смоли, съдържащи янтарна киселина. Традиционно различните видове кехлибар се разграничават на базата на химични вещества в зависимост от съдържанието на янтарна киселина в сукцинитите (3% до 8%) и ретинитите (изкопаеми смоли със съдържание на янтарна киселина под 3% или без янтарна киселина). Янтарна киселина се съдържа и в много кафяви въглища. [8-ми]
В метаболизма на всички организми солта на янтарната киселина се появява по време на разграждането на глюкозата като междинен етап при регенерацията на акцепторната оксалооцетна киселина. Съответно той е междинен метаболитен продукт от цитратния цикъл и се среща и в урейния цикъл. В природата янтарната киселина се съдържа и в много растителни сокове (ревен, домати) [8], както и в водорасли и гъби. [9]
При някои анаеробно живи бактерии, янтарната киселина също може да бъде краен продукт на метаболизма, например в телешкия рубец. Това представлява система, при която редица факултативно анаеробно живи бактерии получават своята хранителна основа от хранителната каша. Β-гликозидните връзки на целулозата в храната се разрушават от флората на рубчето, особено от гъбите, които тя съдържа. Получената гроздова захар (глюкоза) служи като субстрат за микроорганизмите. Продуктите на бактериалния метаболизъм са предимно карбоксилни киселини с къса верига като оцетна киселина и янтарна киселина, както и етанол. Янтарната киселина, произведена от бактериите, от своя страна служи като източник на енергия за други бактерии, които я превръщат в пропионова киселина.
Извличане и представяне
Технически
Технически са известни различни синтетични пътища за производство на янтарна киселина. Обикновено се получава чрез каталитично хидрогениране на малеинова киселина, малеинов анхидрид или фумарова киселина, при което могат да се използват различни катализатори (Ni, Cu, NiO, CuZnCr, Pd-Al2O3, Pd-CaCO3). Освен това е възможно окисляването на 1,4-бутандиол (BDO), при което съществуват различни технически пътища. Възможно е също хидрокарбоксилиране на ацетилен гликол, катализиран от RhCl3-пентахлоротиофенол, ацетилен, акрилова киселина, 1,4-диоксан и пропиолактон. [8-ми]
Биотехнологични
Янтарна киселина може да се получи от възобновяеми суровини чрез ферментация, по-специално от нишесте и различни олигозахариди (захари С6 и С5). [10] Тук може да се използва естествената поява на янтарна киселина в метаболизма, за да бъде тя специално произведена от микроорганизми. Този синтетичен път все още се тества.
Поради възможността за биотехнологично производство на янтарна киселина с помощта на бактерии, тя се подсилва с Basfia succiniciproducens, [11] Mannheimia succiniciproducens [12] и Anaerobiospirillum succiniciproducens [13] изследван. Също така моделния организъм Ешерихия коли, което трябва да бъде оптимизирано чрез метаболитно инженерство за производството на големи количества янтарна киселина е във фокуса на изследванията. [14]
Химични свойства
Кога Сукцинира един описва солите и естерите на янтарната киселина. Терминът „сукцинат“ произлиза от латинската дума suc (c) inum за кехлибар. В кристалните си решетки те съдържат сукцинатния йон като отрицателно зареден анион. Общата формула на алкален сукцинат е MOOC - CH2 - CH2 - COOM, M особено означава натриеви и калиеви йони. Алкалните сукцинати се разтварят лесно във вода. Алкалоземните сукцинати са трудни, другите сукцинати изобщо не са разтворими във вода. Така че човек намира Калциев сукцинат в неузрели плодове или водорасли. Подобните на естери сукцинати могат да бъдат описани с полуструктурната формула R-O-CO-CH2-CH2-CO-O-R.
Ако янтарната киселина се нагрее, тя се отделя от водата и образува янтарна анхидрид със затваряне на пръстена. [9]
използване
Употреба в хранителния сектор
Янтарна киселина е номер едно в ЕС като хранителна добавка Е 363 одобрен и поради леко киселия и в същото време леко солен вкус се използва като подобрител на вкуса за десерти, сухи супи и напитки на прах. Различни соли на янтарна киселина се използват като заместители на трапезната сол в диетичните храни (Fe, Mg, Ca, K). [15] Поради собственото производство на организма и метаболизма на янтарна киселина, което е около 1 кг на ден при хората, янтарната киселина се счита за безвредна. [9]
По време на алкохолна ферментация и когато виното по-късно отлежава в съдове като дървени бъчви или съдове от неръждаема стомана, централните киселини във виното (винена киселина, ябълчена киселина и лимонена киселина) също образуват янтарна киселина, оцетна киселина, маслена киселина и млечна киселина. Янтарна киселина се образува главно по време на мацерацията на въглена киселина и има леко горчив и солен вкус, естерификацията до монометил сукцинат внася мек, плодов компонент във виното.
Технически приложения
Янтарна киселина е химикал на платформа с годишно потребление от около 15 000 тона и пазарна стойност от шест до девет евро за килограм. [13] Б. се използва за производството на полиестерни и алкидни смоли. [15] Някои сукцинати, естерифицирани с полиалкохоли, се използват като разтворители и пластификатори за пластмаси и восъци, други естери се използват в производството на парфюми. Под формата на естери на сулфоянтарна киселина янтарната киселина също се използва като важна група повърхностноактивни вещества, но те обикновено се правят на базата на малеинова киселина.
Янтарната киселина също е една от основните надежди за индустриалната биотехнология като химикал на платформа и по този начин като суровина за различни индустриално произведени химикали и полимери. Може да се използва като суровина за биотехнологично производство. на 1,4-бутандиол (BDO), 1,4-бутандиамин, тетрахидрофуран (THF), N-метил-2-пиролидон (NMP), у-бутиролактам, у-бутиролактон (GBL) и някои други продукти. [10] Като основа за различни продукти в химическата и фармацевтичната промишленост, както и за пластмаси на биологична основа като полиамиди (PA), полиестери и съполиестери, както и полиестерамиди, янтарната киселина представлява интерес като биотехнологично произведен продукт и се прогнозира пазарен потенциал от няколкостотин хиляди тона. [16] [13]
Заедно с други представители на С4-дикарбоксилните киселини като фумарова и ябълчена киселина, янтарната киселина е идентифицирана от Министерството на енергетиката на САЩ през 2004 г. като един от дванадесетте химикали на платформа със специфичен биотехнологичен производствен потенциал. [17] При преразглеждане на списъка от 2010 г., янтарната киселина също е един от десетте продукта на технологията за биорафиниране с най-голям потенциал. [18]