Lactone

Lactone

Lactone sind cyclische Ester von organischen Säuren. Es handelt sich um ein Kondensationsprodukt aus einer Alkoholgruppe und einer Carbonsäuregruppe im gleichen Molekül der Hydroxycarbonsäure. Die stabilsten Strukturen sind die fünfgliedrigen (gamma-Lacton) und die sechsgliedrigen Lactone (delta-Lacton). Lactone können auf biotechnologischem Wege mit Hilfe von Hefen kommerziell hergestellt werden. Mehr als 100 verschiedene Lactone sind als Aromastoffe bekannt.

Natürlich vorkommende Lactone sind hauptsächlich gesättigte und ungesättigte Gamma- und Delta-Lactone mit sehr niedrigen Geruchsschwellen. Eine Reihe von Substraten wurde verwendet, um die mikrobielle Bildung von Lactonen nachzuweisen, z. B. Ricinolsäure, Ölsäure, Triolein, Lecithin, Rizinusöl, Glycerin, gamma-Ketosäuren, 12-Hydroxystearin und 14-Hydroxy-11-Eicosansäure. Lactone werden in der Regel aus Hydroxyfettsäuren durch β-Oxidation und anschließende Lactonisierung gewonnen. Die Art des Substrats und des Mikroorganismus bestimmt die Struktur des Produkts. Ein Wildstamm des Braunfäule-Basidiomyceten Piptoporus soloniensis beispielsweise produziert Gamma-Decalacton, wenn Ricinolsäure und 12-Hydroxystearinsäure vorhanden sind. Werden der Kultur jedoch Säuren wie Myristin-, Palmitin-, Stearin- und Ölsäure zugesetzt, wird die Bildung von Gamma-Octalacton festgestellt. Die Zugabe von Hexansäure, Octansäure, Decansäure, Laurinsäure, Linolsäure und Linolensäure zur Kultur verringerte das Wachstum von P. soloniensis und die Produktion von Gamma-Decalacton und Gamma-Octanolacton.

Natürliche Lactone als Geschmackszutaten werden mit Verfahren hergestellt, die auf der Verwendung von Hefestämmen beruhen, die Ricinolsäure umwandeln. Einige Hefen, zum Beispiel Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta und C. moniliformis, produzieren Decalacton durch De-novo-Synthese mit kommerziell interessanten Ausbeuten.

β-Oxidation wird von Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica, R. glutinis, A. niger, Sporobolomyces odorus, Cladosporium suaveolens und Mucor miehei zur Umwandlung von Ricinolsäure, Methylricinoleat und Rizinusöl in ein Gemisch aus Gamma- und Delta-Decalacton eingesetzt (Abbildung 7).

Abbildung 7. Biokonversion von Rizinusöl über Ricinolsäure zu Gamma-Decalacton.

Dies ist ein hervorragendes Beispiel für eine mehrstufige Biotransformation. Die Ricinolsäure (C18) wird zunächst durch die Wirkung von Lipase aus Rizinusöl freigesetzt. Die dabei entstehende (R)-12-Hydroxy-9-octadecensäure muss die richtige Konformation aufweisen, um die Toxizität abzuwenden und das Wachstum ausgewählter Mikroorganismen zu ermöglichen. Danach finden vier Zyklen der β-Oxidation statt, in denen C18 zu C10, 4-Hydroxydecensäure reduziert wird. Außerdem wird die Beta-Oxidation durch die Hydroxylgruppe verhindert. Das Erhitzen bei saurem pH-Wert ermöglicht die Lactonisierung der Hydroxydecensäure unter Bildung von (R)-Gamma-Decalacton. Die Bildung des Enantiomers (S)-Gamma-Decalacton aus Decensäure erfolgt mit Zellen von Mortierella sp. Alle oben genannten Hefen und Pilze wachsen gut auf den hydrophoben Substraten, dank ihrer effizienten und zahlreichen Lipasen, Cytochrom P450, Acyl-CoA-Oxidasen und ihrer Fähigkeit, Biotenside zu produzieren. Es wurde vermutet, dass die Biotransformation in Y. lipolytica auf der Ebene des Genoms reguliert wird und eine Induktion der Proliferation der Peroxisomen und der peroxisomalen β-Oxidation beinhaltet. Lactone in einer Konzentration von über 150 mg l-1 hemmen typischerweise das Zellwachstum, depolarisieren die lebenden Zellen und erhöhen die Membranfluidität; daher muss der Prozess eine effiziente Rückgewinnung des Endprodukts ermöglichen, um die Produktivität zu steigern.

Ein anderer Mikroorganismus, C. moniliformis, bildet Gamma-Decalacton aus Glycerin als Substrat. Eine weitere Möglichkeit, Lactone biologisch zu erzeugen, ist die Reduktion von gamma-Ketosäuren zu gamma-Hydroxysäuren, die dann zu gamma-Lactonen cyclisieren.

Ein klassisches Beispiel für die de novo-Synthese von delta-Lacton ist der Pilz Trichoderma viride. Dieses kokosnussartige Lacton, 6-Pentyl-2-Pyron, wird während seiner stationären Phase produziert. Wie bei anderen Lactonen hilft die kontinuierliche Entfernung des Produkts 6-Pentyl-2-Pyron aus der Kulturbrühe durch XAD-Adsorption, die Hemmung des Endprodukts zu beseitigen und die Produktivität zu verbessern.

Die Reduktion von Lactonen durch Lactonasen und Monooxygenase mit breiter Spezifität aus Bakterien der Spezies Pseudomonas und Acinetobacter führt zu ihren jeweiligen Hydroxysäuren.

Milchprodukte sind typischerweise reich an Gamma-Lactonen mit 10 und 12 Kohlenstoffatomen. Verschiedene Lactone wie Gamma-Butyrolacton, Diethylsuccinat, Gamma-Ethoxy-Gamma-Butyrolacton, 4-Hydroxy-5-Oxohexansäure-Gamma-Lacton und (4R,5S:4S,5R) 4,5-Dihydroxy-Hexansäure-Gamma-Lacton werden in der Kulturbrühe von Saccharomyces fermentati gefunden, wenn sie auf Glutaminsäure in Sherry wachsen.

Ein in Margarinen verwendetes Lacton mit Buttergeschmack ist (R)-Gamma-Dodecanolid und wird von S. cerevisiae aus 5-Ketododecansäure hergestellt. Ein weiteres wertvolles Lacton, Sclareolid, kann aus Muskatellersalbei-Sclareol in einer mikrobiellen Biotransformation mit Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata oder Cryptococcus laurentii gewonnen werden.

Die mikrobielle Bayer-Villigier-Oxidation (Ketolaktonisierung) von zyklischen Ketonen durch Zellen von Acinetobacter oder P. putida führt zur Bildung von Lacton-Aromen.