Lactonen

Voorbeelden van lactonen als belangrijke smaakstoffen zijn samengevat in Tabel 11.

Natuurlijk voorkomende lactonen zijn voornamelijk verzadigde en onverzadigde gamma- en delta-lactonen met zeer lage geurdrempels. Een aantal substraten is gebruikt om microbiële vorming van lactonen aan te tonen, bijvoorbeeld ricinolzuur, oliezuur, trioleïne, lecithine, ricinusolie, glycerol, gamma-keto-zuren, 12-hydroxystearine, en 14-hydroxy-11-eicosaanzuur. Lactonen worden gewoonlijk afgeleid van hydroxyvetzuren door β-oxidatie, die wordt gevolgd door lactonisatie. Het type substraat en het micro-organisme bepalen de structuur van het product. Zo produceert een wilde stam van de bruinrotbasidiomycet Piptoporus soloniensis gamma-decalacton wanneer ricinolzuur en 12-hydroxystearinezuur aanwezig zijn. Wanneer echter zuren als myristinezuur, palmitinezuur, stearinezuur en oliezuur aan de cultuur worden toegevoegd, wordt de vorming van gamma-octalacton waargenomen. Toevoeging van hexaanzuur, octaanzuur, decaanzuur, laurinezuur, linolzuur en linoleenzuur aan de cultuur verminderde de groei van P. soloniensis en de productie van gamma-decalacton en gamma-octanolacton.

Natuurlijke lactonen als smaakstof worden vervaardigd met behulp van processen die zijn gebaseerd op het gebruik van giststammen die ricinolzuur omzetten. Sommige gisten, bijvoorbeeld Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta, en C. moniliformis, produceren decalacton door de novo synthese met commercieel interessante opbrengsten.

β-oxidatie wordt toegepast door Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica, R. glutinis, A. niger, Sporobolomyces odorus, Cladosporium suaveolens, en Mucor miehei om ricinolzuur, methylricinolaat, en ricinusolie om te zetten in een mengsel van gamma- en delta-decalacton (figuur 7).

Figuur 7. Bioconversie van ricinusolie via ricinolzuur tot gamma-decalacton.

Dit is een uitstekend voorbeeld van biotransformatie in meerdere stappen. Het ricinolzuur (C18) wordt eerst vrijgemaakt uit ricinusolie door de werking van lipase. Het resulterende (R)-12-hydroxy-9-octadecenoic zuur moet de juiste conformatie hebben om de toxiciteit te voorkomen en het geselecteerde micro-organisme te laten groeien. Daarna vinden vier cycli van β-oxidatie plaats waarbij C18 wordt gereduceerd tot C10, 4-hydroxydecendoëzuur. Verder wordt beta-oxidatie voorkomen door de hydroxylgroep. Verhitting bij een zure pH maakt lactonisatie van hydroxydecendoëzuur mogelijk, waarbij (R)-gamma-decalacton ontstaat. Enantiomeer (S) gamma-decalactonvorming uit decenneenzuur maakt gebruik van cellen van Mortierella sp. Alle bovengenoemde gisten en schimmels groeien goed op de hydrofobe substraten, dankzij hun efficiënte en talrijke lipases, cytochroom P450, acyl-CoA oxidases, en hun vermogen om biosurfactanten te produceren. Er werd gesuggereerd dat de biotransformatie in Y. lipolytica op genoomniveau wordt gereguleerd en dat dit gepaard gaat met de inductie van peroxisomenproliferatie en peroxisomale β-oxidatie. Lactonen in een concentratie van meer dan 150 mg l-1 remmen typisch de celgroei, depolariseren de levende cellen en verhogen de membraanfluïditeit; daarom moet het proces een efficiënte recuperatie van het eindproduct mogelijk maken om de productiviteit te verhogen.

Een ander micro-organisme C. moniliformis vormt gamma-decalacton uit glycerol als substraat. Een andere manier om lactonen biologisch te genereren is de reductie van gamma-keto-zuren tot gamma-hydroxyzuren, die vervolgens cycliseren tot gamma-lactonen.

Een klassiek voorbeeld van de novo synthese van delta-lacton wordt gevormd door de schimmel Trichoderma viride. Dit lacton van het kokosnoot-type, 6-pentyl-2-pyron, wordt geproduceerd tijdens zijn stationaire fase. Zoals vermeld voor andere lactonen, helpt continue verwijdering van het product 6-pentyl-2-pyron uit de kweekbouillon door XAD-adsorptie om de remming van het eindproduct te elimineren en de productiviteit te verbeteren.

Aftrekking van lactonen door lactonases en monooxygenase met brede specificiteit van bacteriën Pseudomonas en Acinetobacter-soorten resulteert in hun respectieve hydroxyzuren.

Zuivelproducten zijn typisch rijk aan gamma-lactonen met 10- en 12-koolstofatomen. Verschillende lactonen zoals gamma-butyrolacton, diethylsuccinaat, gamma-ethoxy-gamma-butyrolacton, 4-hydroxy-5-oxohexaanzuur gamma-lacton, en (4R,5S:4S,5R) 4,5-dihydroxy-hexaanzuur gamma-lacton worden gevonden in de kweekbouillon van Saccharomyces fermentati wanneer gekweekt op glutaminezuur in sherry.

Een lacton met botersmaak dat in margarines wordt gebruikt is (R)-gamma-dodecanolide en wordt door S. cerevisiae bereid uit 5-ketododecanoic zuur. Een ander waardevol lacton sclareolide kan worden afgeleid van saliesclareol in een microbiële biotransformatie met behulp van Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata, of Cryptococcus laurentii.

Microbiële Bayer-Villigier oxidatie (keto-lactonisatie) van cyclische ketonen door cellen van Acinetobacter of P. putida leidt tot de vorming van lactonensmaken.