Получение и применение янтарной кислоты в промышленности и сельском хозяйстве

Получение и применение янтарной кислоты в промышленности и сельском хозяйстве

Янтарная кислота - интермедиат цикла Кребса, была известна с древних времён, когда кусочки янтарной смолы, растёртые в порошок, считались эффективным средством от многих недугов. О них упоминал немецкий химик Агрикола, живший в 16 веке. Однако серьёзному изучению он подвергся лишь в 20 веке. Наиболее широко янтарная кислота применяется в виде пищевой добавки(E363), которая, несмотря на то, что может быть получена из природных источников, является синтетической.[1] Натуральная пищевая добавка с учётом затрат на добычу имеет довольно высокую стоимость.
Получение янтарной кислоты.

4
Существует три метода получения янтарной кислоты: биотехнологический (с помощью бактерий и дрожжей) и химический.

Таблица 1. Методы получения янтарной кислоты

Методы	Преимущества	Недостатки
Микробиологический С использованием бактерий (Actinobacillus succinogenes, Succcinimonas amylolytica, Succinivibrio dextrinisolvens)	Способны ассимилировать CO2 наряду с сахарами	В ходе ферментации происходит накопление кислоты и необходим эквимолярный расход щёлочи, так как ферментацию ведут при нейтральных значениях PH
	Накапливает янтарную кислоту в количестве 100 г/л
Микробиологический С использованием дрожжей (Y. lipolytica, S.cerevisae, С. Zeylanoides)	Процесс ферментации ведётся при низких значениях PH.	Низкий выход продукта и низкая конверсия продукта из субстрата
	Устойчивы к высокой концентрации кислоты
Химический: Окисление фурфурола пероксидом водорода	Позволяет получить целевой продукт с выходом, близким к теоретическому	Требует дорогих катализаторов, высоких температур и давления

Целью нашего исследования являлось оптимизация биосинтеза янтарной кислоты с помощью микробиологического метода культурой дрожжей Yarrowia lipolytica (ВКПМ Y4297) при глубинном культивировании на минеральных средах различного состава.
Сравнение количества накопления янтарной кислоты при культивировании на богатой и минеральной питательных средах.
Нами была проведена сравнительная оценка роста, скорости потребления субстрата и биосинтеза янтарной кислоты при культивировании дрожжей в колбах на богатой и минеральной средах. В результате было выяснено, что скорость роста дрожжей не зависит от состава питательной среды, однако накопление янтарной кислоты на богатой среде выше, чём на минеральной, что связано с более быстрым снижением pH минеральной среды.



Рис 1. Сравнение количества накопления янтарной кислоты при культивировании на богатой (YP)и минеральной(Min) питательных средах

Дальнейшая оптимизация состава минеральной среды с увеличением её буферной ёмкости позволит добиться таких же высоких результатов как и при культивировании в богатой среде.

Культивирование в лабораторном ферментёре и сравнение с результатами культивирования в колбе на минеральной среде.
Также проводилось пробное культивирование в лабораторном ферментёре, с целью сравнить с культивированием в колбе, используя минеральную среду такого же состава. В результате эксперимента выяснилось, что к 70-му часу концентрация янтарной кислоты в ферментере достигла такого же значения, как и в колбе. Несмотря на то, что в ферментёре установилось более низкое значение pH (2,2), чем в колбе (3,9), рост дрожжей и накопление янтарной кислоты продолжались, в отличие от колбы. В дальнейшем будет проводится подбор оптимальных условий и сравнение различных режимов культивирования в лабораторном ферментёре с целью увеличения эффективности биосинтеза янтарной кислоты.



Рис 2. Сравнение концентраций глюкозы, янтарной кислоты, оптической плотности и PH, выращенной на минеральной среде в ферментёре в сравнении с культивированием в колбе

Основные производители янтарной кислоты.

В настоящее время янтарная кислота на российских предприятиях не производится. Некоторые отечественные фирмы, которые предлагают добавку, работают на импортном сырье. Предполагаемый глобальный рынок янтарной кислоты составил 40,000 метрических тонн в 2011. Более чем 97% производства янтарной кислоты были основаны на бензине; только 3% биобазировались в 2011.
Наибольшее применение янтарной кислоты в химической промышленности при производстве смол, покрытий и пигментов, составляя 19.3% глобального янтарного кислотного рынка в 2011. На втором месте используется в фармацевтике при изготовлении препаратов (15.1%), на третьем - пищевой промышленности (12.6%).
Согласно данным weastra, янтарный кислотный рынок, как ожидают, достигнет приблизительно 599,449 метрических тонн в 2020, при этом совокупный среднегодовой темп роста увеличится на 33% с 2010 до 2020. Рыночная стоимость в 2011 был оценена приблизительно в $63 миллиона и, как ожидают, достигнет $539 миллионов в 2020.
В целом weastra оценил общий адресуемый объем рынка для биооснованной янтарной кислоты на уровне приблизительно 6.2 миллионов метрических тонн с ориентировочной стоимостью $14.1 миллиардов, на основе размера рынков и цены на 2011. [3]
Текущие основные производители основанной на бензине янтарной кислоты включают DSM, Gadiv Нефтехимические отрасли промышленности, Mitsubishi Chemical, Кавасаки Химический Kasel, Япония Shokubai и приблизительно несколько китайских производителей, таких как Аньцин, Химический Lixing и Аньхой Химикаты Sunsing и некоторые производители из Индии. Основные производители биооснованной янтарной кислоты до сих пор - BioAmber, Myriant, Succinity – совместное предприятие между BASF и Purac и Reverdia – совместное предприятие между DSM и Roquette. [4]
Применение янтарной кислоты в пищевой промышленности.
Янтарная кислота по своим свойствам наиболее близка к лимонной кислоте и может успешно заменять её во всех случаях применения её в пище. [9] За рубежом используют янтарную кислоту в качестве пищевой добавки для приготовления соусов, супов, прохладительных напитков. Следует отметить, что лимонная кислота, которая чаще всего содержится в газированных напитках, нежелательна для детей, так как она способствует ухудшению свёртываемости крови, а также различных заболеваниях сердца и ЦНС. Замена лимонной кислоты на янтарную способствует решению проблемы. [10]
Также возможно применение янтарной кислоты при производстве мучных кондитерских изделий. В частности добавление кислоты в тесто национального блюда Чак-Чак способствовало решению проблемы окисления липидов, приводящих к порче и сокращению сроков хранения пищи, а также к снижению их пищевой ценности и безопасности. Также было показано, что при жарении в течение 4 часов добавление янтарной кислоты улучшает показатели качества пальмового стеарина и рапсового масла по сравнению с подсолнечным маслом, так как именно эти жиры на 1 ч дольше сохраняют свои первоначальные органолептические показатели.[6]
Кроме того, янтарную кислоту можно встретить в составе ряда продуктов:
сухие кондитерские полуфабрикаты;
бульонные кубики и суповые концентраты;
мармелад;
рыба.
Янтарная кислота нейтрализует влияние этилового спирта, предупреждает похмельный синдром. Добавка E363 является одним из компонентов водки элитных сортов.
Применение янтарной кислоты в животноводстве и птицеводстве.
Так как организм животных и птиц похож по своим функциям на организм человека, то применение в качестве добавки к корму янтарной кислоты способствует снижению заболеваний и позволяет получать более экологически чистые продукты, такие как: молоко, яйца, мясо. Кроме того применение янтарной кислоты экономически выгодно, так как снижает затраты на антибиотики и откорм животных.[5]
Применение янтарной кислоты в растениеводстве.
Янтарная кислота является фактором жизнестойкости. Она всасывается при замачивании семян, а при опрыскивании поступает через листья. Действует янтарная кислота даже при очень небольших концентрациях, передозировка препарата не возможна, так как избыток используется растениями в качестве продукта питания.
Предварительная обработка посадочного материала раствором янтарной кислоты или одно-двукратная поливка растений в период роста способствует повышению устойчивости растений к действию неблагоприятных факторов, таких как: засуха, холод, избыток или недостаток влаги.
Список литературы

1. Энциклопедия биологически активных добавок к пище. Российский регистр БАД-М.: ООО «Изд-во Новая Волна», 2003. - 528 с.

2. Юзбашев Т.В. Разработка эффективного дрожжевого продуцента янтарной кислоты для ферментации при низких значениях (2011) PH– ФГУП «ГосНИИгенетика, 26.
3. Zeikus J.G., Jain M.K., Elankova P.E. Biotechnology of succinic acid production and markets for derived industrial products – Appl. Microbiol. Biotechnol., 51, (1999) 545–552.
4. WP 8.1. Determination of market potential for selected platform chemicals-23-28, weastra.
5. М.Н. Кондрашева, Ю.Г. Каминский, Е.И. Маевский. Янтарная кислота в медицине, пищевой промышленности, сельском хозяйстве-Пущино: ОНТИ РАМН, 1996-300 с.
6. Мингалёва З. Ш. Способы повышения качества мучного кондитерского изделия «Чак-Чак»/З.Ш. Мингалева [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та.-2006.-№ 1.-С. 112-117.
7. Юсупова А.И., Камзолова С.В. (2008) Скрининг дрожжевых организмов-продуцентов янтарной кислоты, Международная школа-конференция, с. 184-186.
8. http://vkusologia.ru/dobavki/antioxidanty/e363.html.
9. http://translate.academic.ru.
10. http://www.liveinternet.ru.