Laktony

Laktony

Laktony jsou cyklické estery organických kyselin. Jedná se o kondenzační produkt alkoholové skupiny a skupiny karboxylové kyseliny v téže molekule kyseliny hydroxykarbonové. Nejstabilnější struktury jsou pětičlenné (gama-lakton) a šestičlenné laktony (delta-lakton). Laktony lze komerčně vyrábět biotechnologicky za použití kvasinek. Jako aromatické složky je uznáváno více než 100 různých laktonů.

Přirozeně se vyskytující laktony jsou hlavně nasycené a nenasycené gama- a delta-laktony s velmi nízkými prahovými hodnotami pachu. K prokázání mikrobiální tvorby laktonů byla použita řada substrátů, například kyselina ricinolová, kyselina olejová, triolein, lecitin, ricinový olej, glycerol, gama-ketokyseliny, 12-hydroxystearinová a 14-hydroxy-11-eikosanová kyselina. Laktony se obvykle získávají z hydroxymastných kyselin β-oxidací, po níž následuje laktonizace. Typ substrátu a mikroorganismu určuje strukturu produktu. Například divoký kmen hnědé hniloby basidiomycety Piptoporus soloniensis produkuje gama-dekalakton, pokud jsou přítomny kyseliny ricinolová a 12-hydroxystearová. Když se však do kultury přidají kyseliny, jako je myristová, palmitová, stearová a olejová, zjistí se tvorba gama-oktalaktonu. Přídavek kyseliny hexanové, oktanové, dekanové, laurové, linolové a linolenové ke kultuře snížil růst P. soloniensis a produkci gama-dekalaktonu a gama-oktanolaktonu.

Přírodní laktony jako aromatické složky se vyrábějí pomocí postupů, které jsou založeny na použití kvasinkových kmenů transformujících kyselinu ricinolovou. Některé kvasinky, například Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta a C. moniliformis, produkují dekalakton syntézou de novo s komerčně zajímavými výtěžky.

β-oxidaci využívají Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica, R. glutinis, A. niger, Sporobolomyces odorus, Cladosporium suaveolens a Mucor miehei k přeměně kyseliny ricinoleové, methylricinoleátu a ricinového oleje na směs gama- a delta-dekalaktonu (obr. 7).

Obrázek 7. Biokonverze ricinového oleje přes kyselinu ricinolovou na gama-dekalakton.

Jedná se o vynikající příklad vícestupňové biotransformace. Kyselina ricinoleová (C18) se nejprve uvolňuje z ricinového oleje působením lipázy. Vzniklá kyselina (R)-12-hydroxy-9-oktadecenová musí mít správnou konformaci, aby se odvrátila toxicita a umožnil růst vybraných mikroorganismů. Poté probíhají čtyři cykly β-oxidace, během nichž se C18 redukuje na C10, 4-hydroxydecenovou kyselinu. Dále je beta-oxidaci zabráněno hydroxylovou skupinou. Zahřívání při kyselém pH umožňuje laktonizaci kyseliny hydroxydekenové za vzniku (R)-gama-dekalaktonu. Tvorbu enantiomeru (S)gamma-dekalaktonu z kyseliny decenové využívají buňky Mortierella sp. Všechny výše uvedené kvasinky a houby dobře rostou na hydrofobních substrátech díky svým účinným a četným lipázám, cytochromu P450, acyl-CoA oxidázám a schopnosti produkovat biosurfaktanty. Bylo naznačeno, že regulace biotransformace u Y. lipolytica probíhá na úrovni genomu a zahrnuje indukci proliferace peroxizomů a peroxizomální β-oxidace. Laktony v koncentraci nad 150 mg l-1 obvykle inhibují buněčný růst, depolarizují živé buňky a zvyšují fluiditu membrán, proto musí proces zajistit účinné využití konečného produktu pro zvýšení produktivity.

Další mikroorganismus C. moniliformis tvoří gama-dekalakton z glycerolu jako substrátu. Dalším způsobem biologické tvorby laktonů je redukce gama-ketokyselin na gama-hydroxykyseliny, které pak cyklizují na gama-laktony.

Klasickým příkladem de novo syntézy delta-laktonu je houba Trichoderma viride. Tento lakton kokosového typu, 6-pentyl-2-pyron, je produkován během její stacionární fáze. Jak bylo uvedeno u jiných laktonů, průběžné odstraňování produktu 6-pentyl-2-pyronu z kultivačního bujónu pomocí adsorpce XAD pomáhá eliminovat inhibici konečného produktu a zlepšit produktivitu.

Redukce laktonů laktonázami a monooxygenázami s širokou specifitou z bakterií druhů Pseudomonas a Acinetobacter vede k jejich příslušným hydroxykyselinám.

Mléčné produkty jsou typicky bohaté na gama-laktony, 10- a 12-uhlíkové atomy. Různé laktony, jako je gama-butyrolakton, diethylsukcinát, gama-ethoxy-gama-butyrolakton, 4-hydroxy-5-oxohexanová kyselina gama-lakton a (4R,5S:4S,5R) 4,5-dihydroxy-hexanová kyselina gama-lakton, se nacházejí v kultivačním bujónu Saccharomyces fermentati při pěstování na kyselině glutamové v sherry.

Máslem ochucený lakton používaný v margarínech je (R)-gamma-dodekanolid a připravuje se z kyseliny 5-ketodekanové pomocí S. cerevisiae. Další cenný lakton sclareolid lze získat ze sclareolu šalvěje muškátové mikrobiální biotransformací za použití Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata nebo Cryptococcus laurentii.

Mikrobiální Bayer-Villigierova oxidace (keto-laktonizace) cyklických ketonů buňkami Acinetobacter nebo P. putida vede k tvorbě laktonových aromat.

.