Lactonas

Lactonas

Las lactonas son ésteres cíclicos de ácidos orgánicos. Es un producto de condensación de un grupo alcohol y un grupo ácido carboxílico en la misma molécula de ácido hidroxicarbónico. Las estructuras más estables son las lactonas de cinco miembros (gamma-lactona) y de seis miembros (delta-lactona). Las lactonas pueden producirse comercialmente por medios biotecnológicos utilizando levaduras. Se reconocen más de 100 lactonas diferentes como ingredientes de sabor.

Lactonas de origen natural son principalmente gamma- y delta-lactonas saturadas e insaturadas con umbrales de olor muy bajos. Se han utilizado varios sustratos para demostrar la formación microbiana de lactonas, por ejemplo, el ácido ricinoleico, el ácido oleico, la trioleína, la lecitina, el aceite de ricino, el glicerol, los gamma-cetoácidos, el ácido 12-hidroxiesteárico y el ácido 14-hidroxi-11-eicosanoico. Las lactonas suelen derivarse de los hidroxiácidos grasos por β-oxidación, a la que sigue la lactonización. El tipo de sustrato y el microorganismo determinan la estructura del producto. Por ejemplo, una cepa salvaje del basidiomiceto Piptoporus soloniensis produce gamma-decalactona cuando están presentes los ácidos ricinoleico y 12-hidroxiesteárico. Sin embargo, cuando se añaden al cultivo ácidos como el mirístico, palmítico, esteárico y oleico, se detecta la formación de gamma-octalactona. La adición de ácido hexanoico, ácido octanoico, ácido decanoico, ácido láurico, ácido linoleico y ácido linolénico al cultivo redujo el crecimiento de P. soloniensis y la producción de gamma-decalactona y gamma-octanolactona.

Las lactonas naturales como ingredientes de sabor se fabrican mediante procesos que se basan en el uso de cepas de levadura que transforman el ácido ricinoleico. Algunas levaduras, por ejemplo, Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta y C. moniliformis, producen decalactona mediante síntesis de novo con rendimientos comercialmente interesantes.

La β-oxidación es empleada por Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica, R. glutinis, A. niger, Sporobolomyces odorus, Cladosporium suaveolens y Mucor miehei para transformar el ácido ricinoleico, el ricinoleato de metilo y el aceite de ricino en una mezcla de gamma y delta-decalactona (Figura 7).

Figura 7. Bioconversión del aceite de ricino a través del ácido ricinoleico a gamma-decalactona.

Este es un excelente ejemplo de biotransformación de varios pasos. El ácido ricinoleico (C18) se libera primero del aceite de ricino por la acción de la lipasa. El ácido (R)-12-hidroxi-9-octadecenoico resultante debe tener la conformación correcta para evitar la toxicidad y permitir el crecimiento del microorganismo seleccionado. Posteriormente, tienen lugar cuatro ciclos de β-oxidación durante los cuales el C18 se reduce a C10, ácido 4-hidroxidecenoico. Además, el grupo hidroxilo impide la beta-oxidación. El calentamiento a pH ácido permite la lactonización del ácido hidroxidecenoico para producir (R)-gama-decalactona. La formación del enantiómero (S) gamma-decalactona a partir del ácido decenoico emplea células de Mortierella sp. Todas las levaduras y hongos mencionados crecen bien en los sustratos hidrofóbicos, gracias a sus eficientes y numerosas lipasas, al citocromo P450, a las acil-CoA oxidasas y a su capacidad de producir biosurfactantes. Se sugirió que la regulación de la biotransformación en Y. lipolytica se produce a nivel del genoma e implica la inducción de la proliferación de los peroxisomas y la β-oxidación peroxisomal. Las lactonas a una concentración superior a 150 mg l-1 suelen inhibir el crecimiento celular, despolarizar las células vivas y aumentar la fluidez de la membrana; por lo tanto, el proceso debe proporcionar una recuperación eficiente del producto final para aumentar la productividad.

Otro microorganismo C. moniliformis forma gamma-decalactona a partir de glicerol como sustrato. Una forma adicional de generar lactonas biológicamente es reducir los gamma-ceto-ácidos a gamma-hidroxi-ácidos, que luego ciclan a gamma-lactonas.

Un ejemplo clásico de síntesis de novo de delta-lactona es el del hongo Trichoderma viride. Esta lactona de tipo coco, la 6-pentil-2-pirona, se produce durante su fase estacionaria. Como se ha mencionado para otras lactonas, la eliminación continua del producto 6-pentil-2-pirona del caldo de cultivo mediante la adsorción de XAD ayuda a eliminar la inhibición del producto final y a mejorar la productividad.

La reducción de las lactonas por parte de las lactonasas y la monooxigenasa con amplia especificidad de las especies de bacterias Pseudomonas y Acinetobacter dan lugar a sus respectivos hidroxiácidos.

Los productos lácteos son típicamente ricos en gamma-lactonas, de 10 y 12 átomos de carbono. Varias lactonas como la gamma-butirolactona, el dietil succinato, la gamma-etoxi-gamma-butirolactona, la gamma-lactona del ácido 4-hidroxi-5-oxoxanoico y la gamma-lactona del ácido (4R,5S:4S,5R) 4,5-dihidroxi-hexanoico se encuentran en el caldo de cultivo de Saccharomyces fermentati cuando se cultiva con ácido glutámico en jerez.

Una lactona con sabor a mantequilla utilizada en las margarinas es el (R)-gamma-dodecanolide y se prepara a partir del ácido 5-cetododecanoico por S. cerevisiae. Otra lactona valiosa, el esclareólido, puede obtenerse a partir del esclareol de la salvia romana en una biotransformación microbiana utilizando Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata o Cryptococcus laurentii.

La oxidación microbiana Bayer-Villigier (ceto-lactonización) de cetonas cíclicas por células de Acinetobacter o P. putida conduce a la formación de sabores de lactona.