Podstawy biotechnologii żywności

Ćwiczenie 3

Antyoksydacyjne właściwości niektórych witamin

Oznaczenie zawartości witaminy C w wybranych sokach owocowych

Witaminy

Witaminy obecnie powszechnie dodaje się do żywności i pokarmu, a zatem produkuje się je w ogromnych ilościach. Chociaż wiele witamin otrzymuje się w drodze syntezy chemicznej, to ryboflawinę, witaminę B_l2 i witaminę C (kwas askorbinowy) nadal produkuje się przy współudziale drobnoustrojów. Ryboflawina jest wydzielana przez przedstawicieli Ascomycetes (Ashbya gossypi i Eremothecium ashbyii) oraz przez drożdże (Candida) i bakterie (Clostridium) w ilościach gramowych na litr podłoża.

Niezbędna dla zwierząt witamina B₁₂ jest syntetyzowana wyłącznie przez drobnoustroje. Zwierzęta muszą ją zdobywać z pokarmem lub jako witaminowe uzupełnienie diety. Witamina wytwarzana przez drobnoustroje (łącznie z E. coli) w jelicie nie jest wchłaniana przez zwierzę. Często spotykane pożeranie własnych odchodów przez gryzonie (koprofagia) można uważać za zachowanie adaptatywne w celu uzyskania witamin z treści jelita. Najbardziej przydatne w przemysłowej produkcji witaminy B₁₂ są te bakterie, dla których ważną rolę w metabolizmie odgrywają korynoidy (bakterie propionowe, klostridia, promieniowce i bakterie metanogenne).

Kwas L-askorbinowy (witamina C)

Kwas askorbinowy to oficjalna, uznawana przez IUPAC nazwa witaminy C. Został on po raz pierwszy znaleziony w 1928 roku, w ekstrakcie z papryki przez Szent-Gyórgyiego. Najbardziej znaczącą właściwością kwasu askorbinowego jest jego odwracalne utlenienie do kwasu dehydro-L-askorbinowego, z którym tworzy znany układ redoks.

Enzymy stymulowane przez kwas askorbinowy to np. zawierające żelazo dioksygenazy oraz zawierające miedź monooksygenazy. Szkorbut, będący najbardziej znanym skutkiem niedoboru kwasu askorbinowego, jest spowodowany wadliwym funkcjonowaniem tych enzymów, niezbędnych do biosyntezy kolagenu. Kwas askorbinowy chroni organizm przed tworzeniem rakotwórczych nitrozoamin oraz rodników tlenowych oraz odgrywa ważną rolę w przyswajaniu żelaza. Wymienione wyżej właściwości, jak również wartość odżywcza i niska toksyczność sprawiają, że witamina C ma liczne zastosowania w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.

Przemysłowa metoda wytwarzania kwasu askorbinowego stanowi kombinację pięciu etapów chemicznych i jednej biotransformacji, określanych łącznie jako synteza Reichsteina. Surowcem jest D-glukoza, która podlega redukcji przy C-l i utlenieniu przy C-5 oraz C-6, z zachowaniem chiralności przy C-2 i C-3. Schemat obrazujący półsyntetyczne drogi otrzymywania kwasu askorbinowego jest przedstawiony na ryc.

Procesy fermentacji na skalę przemysłową przebiegają w temperaturze 30-35 °C, przy pH 4-6. Każdy z sześciu etapów syntezy Reichsteina przebiega z wydajnością ponad 90%, co oznacza, że sumaryczna wydajność procesu wynosi ok. 60%. Roczna produkcja przemysłowa kwasu askorbinowego sięga obecnie 80 000 ton, a jej globalna wartość przekracza 600 mln USD, przy czym roczny wzrost wynosi 3-4%. Związek jest produkowany jako wolny kwas.

W literaturze opisano wiele prób wytwarzania kwasu askorbinowego wyłącznie metodą fermentacyjną, jednak żadna z opracowanych metod nie jest stosowana do produkcji przemysłowej. Mikro- glony rodzaju Chlorella są zdolne do bezpośredniej konwersji D-glukozy w kwas L-askorbinowy, jednak z bardzo małą wydajnością. Ich biomasa wzbogacona w kwas askorbinowy jest aktualnie stosowana jako karma dla ryb lub dodatek do tej karmy.

W konsekwencji, mimo że metoda Reichsteina wymaga stosowania dużych ilości energii, wysokiej temperatury i ciśnień, znacznych ilości organicznych i nieorganicznych rozpuszczalników, oraz wysokich kosztów związanych z usuwaniem i neutralizacją ścieków, do dziś nie znaleziono dla niej realnej alternatywy. Trwają jednak próby zmniejszenia liczby etapów, prowadzonych dotąd metodą syntezy chemicznej, przez mikrobiologiczne wytwarzanie bardziej wygodnych substratów.

Uproszczony opis syntezy kwasu askorbinowego z D-glukozy:

Pałeczki kwasu octowego są wykorzystywane w syntezie kwasu askorbinowego z D-glukozy. Proces ten jest wieloetapowy i obejmuje zarówno etapy transformacji chemicznej, jak i biotransformacji (z wykorzystaniem mikroorganizmów- bakterii fermentacji octowej). Z D-glukozy na drodze syntezy chemicznej uzyskuje się D-sorbitol. Ten z kolei ulega transformacji mikrobiologicznej (Gluconobacter oxydans ssp. suboxy- dans) do L-sorbozy, która może być substratem dla G. oxydans ssp. melanogenes do otrzymania L-sorbozonu, a związek ten z udziałem bakterii Pseudomonas putida jest przekształacany do kwasu 2-oksogulonowego, z którego bezpośrednio syntetyzuje się kwas askorbinowy. Kwas 2-oksogulonowy w klasycznej metodzie produkcji witaminy C jest otrzymywany z L-sorbozy na drodze syntezy chemicznej.

Sorbitol jest przekształcany do sorbozy (alkoholocukry są utleniane do aldoz lub ketoz). Utlenianie to ma duże znaczenie praktyczne jako cząstkowa reakcja w preparatywnym szlaku od glukozy do kwasu askorbinowego. D-sorbitol jest otrzymywany w drodze elektrolitycznej redukcji glukozy, a Gluconobacter oxydans przekształca sorbitol w postaci 30% roztworu do sorbozy z wydajnością sięgającą 90%.

W podobny sposób przebiega utlenianie glicerolu, tetritoli, pentitoli, heksitoli i heptitoli (np. utlenianie D-mannitolu do D-fruktozy).

Ciekawostki o witaminie:
- palacze mają wyższe zapotrzebowanie na witaminę C niż osoby niepalące,
- przyjmowanie zbyt dużych dawek syntetycznej witaminy C sprzyja tworzeniu się kamieni w nerkach,
- przeterminowaną żywność rozpoznaje się po znacznie obniżonej zawartości witaminy C,
- człowiek musi pobierać witaminę C z pokarmu, natomiast zwierzęta są w stanie wytwarzać ją same (w wyjątkiem małp i świnek morskich),
- kwas askorbinowy czyli witamina C jest białym proszkiem bez zapachu, o lekko kwaśnym smaku. Syntetyczne preparaty zawierają ok. 99% tego kwasu. Rozpuszcza się łatwo w wodzie oraz rozcieńczonym alkoholu metylowym i etylowym. Nie rozpuszcza się natomiast w tłuszczach i ich rozpuszczalnikach,
- długotrwałe przyjmowanie aspiryny trzykrotnie zwiększa wydalanie witaminy C, dlatego też należy wtedy zwiększyć dawki tej witaminy,
- dzięki swoim właściwościom przeciwutleniającym witamina C znacznie zmniejsza ryzyko występowania chorób chronicznych, takich jak rak, choroby serca czy zaćma. W celu optymalnego zredukowania ryzyka wystąpienia tych schorzeń, nowe zalecenia dietetyczne sugerują spożywanie nawet do 120 mg tej witaminy dziennie, najlepiej pochodzącej z warzyw i owoców,
- cebula i czosnek, wbrew powszechnym opiniom, zawierają mało witaminy C, cebula mniej niż 10 mg, a czosnek ok. 30 mg, ich pozytywne działanie wiąże się nie tyle z obecnością witaminy C, co z zawartością w nich bioflawonoidów, a także substancji o charakterze bakteriobójczym,
- witamina C należy do najmniej trwałych. Ulega zniszczeniu w wyższej temperaturze, w obecności tlenu, enzymów typu oksydaz (takich jak askorbinaza, peroksydaza i inne) oraz niektórych jonów metali. Przy sporządzaniu potraw (gotowanie, duszenie) traci się do 75% witaminy C, przy suszeniu owoców do 90%. Procesy technologiczne, takie jak pasteryzacja, sterylizacja, a także mieszanie połączone z napowietrzaniem, niszczą witaminę C,
- surówki z pomidorów lub z kapusty długo zachowują witaminę C, natomiast dodatek świeżych ogórków, które zawierają dużo czynnej askorbinazy przyspiesza w surówce z pomidorów rozkład witaminy C,
- ponieważ witamina C umożliwia wytwarzanie rozpuszczających tłuszcz hormonów stresu, można ją uznać za skuteczny środek odchudzający.

---