Laktonit

Laktonit

Laktonit ovat orgaanisten happojen syklisiä estereitä. Se on alkoholiryhmän ja karboksyylihapporyhmän kondensaatiotuote samassa molekyylissä olevasta hydroksikarbonihaposta. Vakaimpia rakenteita ovat viisirunkoiset (gammalaktonit) ja kuusirunkoiset laktonit (delta-laktonit). Laktoneja voidaan tuottaa kaupallisesti bioteknisin keinoin hiivoja käyttäen. Yli 100 erilaista laktonia on tunnustettu aromiainesosiksi.

Naturaalisesti esiintyvät laktonit ovat pääosin tyydyttyneitä ja tyydyttymättömiä gamma- ja deltalaktoneita, joilla on hyvin matala hajukynnys. Laktonien mikrobiologisen muodostumisen osoittamiseksi on käytetty useita substraatteja, esimerkiksi risiiniöljyhappoa, öljyhappoa, trioleiinia, lesitiiniä, risiiniöljyä, glyserolia, gamma-ketohappoja, 12-hydroksisteariinihappoa ja 14-hydroksi-11-eikosanohappoa. Laktonit johdetaan tyypillisesti hydroksirasvahapoista β-oksidaatiolla, jota seuraa laktonisaatio. Substraatin tyyppi ja mikro-organismi määräävät tuotteen rakenteen. Esimerkiksi ruskeamätäisen basidiomykeetin Piptoporus soloniensis luonnonvarainen kanta tuottaa gamma-dekalaktonia, kun läsnä on risiinolihappoa ja 12-hydroksisteariinihappoa. Kun viljelyyn kuitenkin lisätään myristiini-, palmitiini-, steariini- ja öljyhappoja, havaitaan gamma-oktalaktonin muodostumista. Heksaanihapon, oktaanihapon, dekaanihapon, lauriinihapon, linolihapon ja linoleenihapon lisääminen viljelmään vähensi P. soloniensiksen kasvua ja gamma-dekalaktonin ja gamma-oktanoliaktonin tuotantoa.

Luonnollisia laktoneja aromiaineksina valmistetaan prosesseilla, jotka perustuvat risiinolihappoa muuttavien hiivakantojen käyttöön. Jotkin hiivat, esimerkiksi Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta ja C. moniliformis, tuottavat dekalaktonia de novo -synteesin avulla kaupallisesti mielenkiintoisilla tuotoksilla.

Tämä on erinomainen esimerkki monivaiheisesta biotransformaatiosta. Risiinihappo (C18) vapautuu ensin risiiniöljystä lipaasin vaikutuksesta. Syntyvän (R)-12-hydroksi-9-oktadekeenihapon on oltava oikeassa konformaatiossa myrkyllisyyden välttämiseksi ja valitun mikro-organismin kasvun mahdollistamiseksi. Tämän jälkeen tapahtuu neljä β-hapetussykliä, joiden aikana C18 pelkistyy C10-4-hydroksidekeenihapoksi. Lisäksi hydroksyyliryhmä estää beta-oksidaation. Kuumentaminen happamassa pH:ssa mahdollistaa hydroksidekeenihapon laktonisaation, jolloin saadaan (R)-gamma-dekalaktonia. Enantiomeerin (S)-gamma-de-dekalaktonin muodostuminen dekeenihaposta työllistää Mortierella sp. Kaikki edellä mainitut hiivat ja sienet kasvavat hyvin hydrofobisilla substraateilla tehokkaiden ja lukuisten lipaasiensa, sytokromi P450:n, asyyli-CoA-oksidaasiensa ja biopinta-aktiivisten aineiden tuotantokykynsä ansiosta. Ehdotettiin, että Y. lipolytican biotransformaation säätely tapahtuu genomitasolla, ja siihen liittyy peroksisomien proliferaation ja peroksisomaalisen β-oksidaation induktio. Yli 150 mg l-1:n pitoisuuksissa olevat laktonit estävät tyypillisesti solujen kasvua, depolarisoivat eläviä soluja ja lisäävät kalvojen juoksevuutta, joten prosessin on tarjottava tehokas lopputuotteen talteenotto tuottavuuden lisäämiseksi.

Toinen mikro-organismi C. moniliformis muodostaa gamma-dekalaktonia glyserolista substraattina. Toinen tapa tuottaa laktoneja biologisesti on pelkistää gamma-ketohappoja gammahydroksihapoiksi, jotka sitten syklisoituvat gammalaktoneiksi.

Klassinen esimerkki delta-laktonin de novo -synteesistä on sieni Trichoderma viride. Tämä kookostyyppinen laktoni, 6-pentyyli-2-pyroni, syntyy sen stationaarisen vaiheen aikana. Kuten muiden laktonien kohdalla mainittiin, tuotteen 6-pentyyli-2-pyronin jatkuva poistaminen viljelyliemestä XAD-adsorptiolla auttaa poistamaan lopputuotteen inhibitiota ja parantamaan tuottavuutta.

Laktonien pelkistäminen Pseudomonas- ja Acinetobacter-lajin bakteereista peräisin olevilla laktonaaseilla ja laaja-alaisella spesifisyydellä varustetuilla monooksygenaaseilla johtaa niiden vastaaviin hydroksiinihappoihin.

Miljelytuotteissa on tyypillisesti runsaasti gammalaktoneja, jotka koostuvat 10- ja 12-hiiliatomisista.

Margariineissa käytetty voinmakuinen laktoni on (R)-gamma-dodekanolidi, jota S. cerevisiae valmistaa 5-ketododekaanihaposta. Toinen arvokas laktoni sclareolidi voidaan saada kirsikkapensaan sclareolista mikrobiologisessa biotransformaatiossa käyttäen Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata tai Cryptococcus laurentii.

Syklisten ketoneiden mikrobiologinen Bayer-Villigier-hapettaminen (ketolaktonisointi) Acinetobacter- tai P. putida -soluilla johtaa laktonimakuisten aromeiden muodostumiseen.