background image

Mikrobiologia przemysłowa ćw 12 

BIOSYNTEZA KWASU CYTRYNOWEGO 

 

Charakterystyka kw. cytrynowego: 

trójkarboksylowy 

M = 192 g 

T topnienia = 150 st. C 

Wyizolowany po raz pierwszy z cytryn (zawierają 7 – 9 % kwasu cytrynowego) 

Produkowany  w  niewielkich  ilościach  przez  wszystkie  organizmy  żywe  (powstaje  w 
cyklu Krebsa = cyklu kwasu cytrynowego) 

Posiada walory organoleptyczne – dobry smak, ładny zapach 

80% produkcji kw. cytrynowego zużywana w przemyśle spożywczym 

dobra rozpuszczalność w wodzie 

mała  toksyczność  (może  być  dodawany  do  produktów  spożywczych  w 
nielimitowanych ilościach) 

produkcja głównie we Włoszech (z 40 kg cytryn – 1 kg kwasu) 

jest to metabolit pierwotny!!! 

 

 
Metody mikrobiologiczne – pierwszy raz zastosowane w Belgii, w latach 20 XX wieku 
Metody  chemiczne  –  są  mało  opłacalne  finansowo.  Zbyt  złożony  proces  biosyntezy,  mała 
wydajność. 
 
PRODUCENCI  kw.  cytrynowego  (produkujący  go  w  większej  ilości  niż  zwyczajne 
organizmy) 

pewne gatunki pleśni, głównie z rodzaju Aspergillus (jako substrat : cukier) 

Aspergillus niger 

Aspergillus wenti 

Penicillum luteum 

Trichoderma viridae

 

Drożdże z rodzaju Candida 

Candida tropicalis 

Candida  lipolytica

  –  badana  potem  przez  Yarrowa  –  który  odkrył  szczep 

zdplny  do  procesu  płciowego  i  nazwał  go  Yarrowia  lipolytica  (jako  substartu 
wymaga n – alkanów lub n-parafin) 

Bakterie z rodzaju Arthrobacter 

 
Głównie wykorzystywany jest Asergillus niger. Dlaczego? 

powszechny w przyrodzie, występuje w glebie, wodzie, na owocach  

szczepy do produkcji łatwo pozyskać ze środowiska naturalnego 

kwas cytrynowy – jest zw. pierwotnych, produkowanym w niewielkich ilościach  

Pobieranie i przygotowanie: 

izolacja  

ulepszanie szczepu : dwie możliwości : (mutageneza lub rekombinacja) 

aktywacja  przez  mutagenezę  (metodami  fizycznymi  –  UV,  chemicznymi  lub 
kombinacja obu ) 

background image

Mikrobiologia przemysłowa ćw 12 

 selekcja  szczepu  po  działaniu  czynnika  mutagennego  według 

warunków, w jakich będziemy potem prowadzić hodowlę 

 mutanty  głównie  w  poszczególnych  enzymach  z  cyklu  przemian, 

otrzymamy szczep z zaburzonymi szlakami metabolicznymi 

•  1. dehydrogenaza akonitynowa 
•  2. dehydrogenaza izocytrynianowa 
•  3. dehydrogenaza 2 –ketoglutaranowa 

rekombinacja  genetyczna  (wykorzystanie  cyklu  paraseksualnego)  na  drodze 
fuzjo  protoplastów.  Mogą  być  też  fuzje  między  różnymi  rodzinami  (np.  A.  
Niger

 z Trichoderma). Fuzjant otrzyma :  

 od Aspergillus – duża wydajność procesu produkcji kwasu 
 od  Trichoderma  :  nie  jest  czuły  na  obecność  glukozy  (normalne 

działanie  :  produkcja  kw.  cytrynowego  –  powstają  analogi  glukozy  – 
hamują produkcje kw. cytrynowego)  

 
CECHY DOBREGO SZCZEPU PRZEMYSŁOWEGO 

nie patogenny (ale Aspergillus jest /może być patogenny, powoduje tzw. aspergilozę – 
ale przy zbyt częstym kontakcie przy jednocześnie obniżonej odporności organizmu) 

niskie  koszty  (w  sensie  składu  podłoża)  –  łatwo  pozyskiwalne  i  łatwo  dostępne 
surowce 

wysoka wydajność procesu syntezy przy niezbyt obfitym wytwarzaniu grzybni 

duża stabilność genetyczna szczepu 

odpowiednie przechowywanie (stosowania liofilizacja) 

przechowywanie konidiów w jałowych pojemn. z cytrynianem wapnia 

otrzymywanie konidiów w odpowiedni sposób (pożywki sporulacyjne) 

nie  wytwarzać  /  wytwarzanie  w  niewielkich  ilościach  inne  kwasy  organiczne  (np. 
szczawiooctan – obniżają one wydajność produkcji)  

 
BIOSYNTEZA 
Działają dwa szlaki –  

EMP (glikoliza) (głównie gdy grzybnia jest w fazie stacjonarnej) 

Lub / i pentozofosforanowy (dominuje przy intensywnym rozwoju grzybni) 

 
Szybkość  biotransformacji  reguluje  fosfofruktokinaza  (jednocześnie  reguluje  glikolizę  i 
biotransformację  kwasu  cytrynowego),  hamowana  jest  przez  cytrynian  i  ATP  (więc  jest 
korzystne  ich  „obejście”  w  mutagenezie)  czyli  poprzez  skład  podłoża    (parametr)  możemy 
manipulować aby zahamować / wzmocnić działalność enzymów. 
 
Hodowla na odpowiedniej pożywce wyłączającej dehydrogenazy : 

dla dh. Akonitowej : deficyt jonów manganu i żelaza 

dla dh. Izocytrynianowej : wysokie stężenie cytrynianu 

dla dh.  2 – ketoglutaranowej : wysokie stężenie cukrów i jonów amonu 

 
Cykl  glioksolowy  –  reakcje  pomocnicze,  wzmacniające  (prowadzi  do  powstania  m.in. 
szczawiooctanu – metabolit bezpośredni cytrynianu) 

background image

Mikrobiologia przemysłowa ćw 12 

 

 
METODY PRODUKCJI 
 

1.  powierzchowna LSF (liquid surface fermentation) 
 
Stosowane  płytkie  tace  jako  kadzie  (taca  o  odpowiednio  napowietrzonej,  jałowej 
komorze), inokulum to konidia, wzrost 2-3 dni, potem synteza w odp. Warstwie grzybni 
stykajacej się z pożywką. Fermentacja trwa 8 –9 dni, Aspergillus rośnie jako zwarta grupa 
komórek, w postaci kożucha (na powierzchni zarodnikuje – czarne konidia). 
Wady : duze prawdopodobieństwo zanieczyszczenia hodowli (mimo jałowosci powietrza 
np.  zakażenie  gatunkiem  Penicilium  –  które  hydrolizują  grzybnię,  możliwa  obecność 
bakterii Bacillus, E. Coli w melasie ) 
 
2.  wgłębna SmF (submerged fermentation) 
 
Efektywniejsza. Stosowane duże fermentory wypełnione pożywką. Grzybnia jest rozbita – 
występuje  w  postaci  grudek  /  strzępek  (dzięki  ciągłemu  mieszaniu  przez  turbiny,  lub 
systemowi napowietrzania air lift), tak, że są zawieszone w obrębie pożywki. Bioreaktory 
są  zautomatyzowane,  jako  substrat  stosowana  Sacharoza.  Aspergillus  rośnie  w  całej 
pożywce równomiernie. 
Problemem jest dość trudne oddzielenie kwasu cytrynowego od biomasy. 
Spływ pofermentacyjny : najpierw oddzieleni grzybni (w małych ilościach – np. u nas na 
ć

wiczeniach  przesączenie)  proces  wieloetapowego  strącania  (dodanie  Ca(OH)2  – 

otrzymujemy  strącony  cytrynian  wapnia.  Dodajemy  to  do  kwasu  siarkowego 
(przeprowadza  kwas  cytrynowy  z  osadu  do  roztworu),  przeprowadzamy  filtrację  ).  Przy 
okazji powstaje nam gips – CaSO4, ale niestety nie jest na tyle czysty, by mógł być  użyty 
– wymaga oczyszczenia. 
 

background image

Mikrobiologia przemysłowa ćw 12 

3.  na stałych pożywkach SSF (solid state fermentation) 

 

w ten sposób produkuje się 20 % kwasu cytrynowego w Japonii (500 ton). Ekologiczna – 
jako  substrat  stosowane  odpady  głównie  z  przemysłu  spożywczego,  cukrowni  (np. 
otręby).  Wymaga 70 % wilgotności, proces fermentacji trwa 90 h, niska wydajność, kwas 
oddziela się od podłoża przez ekstrakcję z ciepłą wodą. 
 
PROWADZENIE HODOWLI 
 

ź

ródło  węgla  i  energii  to  cukry  (stężenie  10  –22  %  w  zależności  od  szczepu 

Aspergillusa 

i wybranej metody) 

przy  metodzie  powierzchniowej  –  melasa  buraczana  (produkt  odpadowy,). 
Wady  :  melasa  może  być  zanieczyszczona  bakteriami  które  mogą  hamować 
proces stymulując enzymy (co w met. Powierzchownej nie przeszkadza) 

Metoda wgłębna – sacharoza ( melasa hamuje wydajność) 

kwasowość  pożywki  (2,  3  pH),  powyżej  3  wydajność  spada,  produkowane  są  inne 
kwasy 

eliminacja  jonów  metali,  głównie  Fe,  Zn,  Mn  (np.  dodając  żelazocjanek  potasowy 
stymulujemy syntezę kwasu cytrynowego i wzrost grzybni) 

niskie stężenie soli fosforanowych i amonowych 

intensywne napowietrzanie podłoża 

 
ZASTOSOWANIE KWASU CYTRYNOWEGO 
 

przemysł spożywczy (jako E330) 

regulator  kwasowości  (produkcja  cukierków,  różnych  słodyczy,  owoców 
kandyzowanych, napojów) 

antyutleniacz 

(inaktywator 

oksydaz 

– 

hamuje 

utlenianie 

kwasów 

tłuszczowych, zapobiega psuciu się żywności) 

dżemy, marmolady, galaretki, miód sztuczny 

stabilizacja  barwy,  smaku  i  zapachu  produktów  przechowywanych  w  chłodni 
(ryby, owoce morza, warzywa) 

wino 

przemysł farmaceutyczny 

w preparatach krwi, aby zapobiec krzepnięciu, wytwarza cytrynian trójsodowy 
i trójpotasowy 

zapewnia musujący charakter tabletek 

przemysł kosmetyczny 

wyrób błon fotograficznych, papierów światłoczułych 

chemia  gospodarcza  (dodawany  do  proszków  do  prania  aby  ograniczyć  ilość 
fosforanów,), łatwo degraduje 

oczyszczanie kadzi mlekowych (w których powstaje kamień mleczanu – oczyszcza z 
niego) 

ś

rodki czyszczące przewody z rdzy 

estry kwasu cytrynowego stosowane jako plastyfikatory w masach plastycznych 

folie do pokrywania żywności