Laktony

Przykłady laktonów jako ważnych składników smakowych zestawiono w tabeli 11.

Naturalnie występujące laktony to głównie nasycone i nienasycone gamma- i delta-laktony o bardzo niskich progach zapachowych. Szereg substratów zostało wykorzystanych do wykazania mikrobiologicznego tworzenia laktonów, na przykład kwas rycynolowy, kwas oleinowy, trioleina, lecytyna, olej rycynowy, glicerol, gamma-ketokwasy, kwas 12-hydroksystearynowy i kwas 14-hydroksy-11-eikozanowy. Laktony są zwykle otrzymywane z hydroksykwasów tłuszczowych poprzez β-oksydację, po której następuje laktonizacja. Rodzaj substratu i mikroorganizmu decyduje o strukturze produktu. Na przykład, dziki szczep grzyba brunatnicowego Piptoporus soloniensis wytwarza gamma-dekalakton, gdy obecne są kwasy rycynolowy i 12-hydroksystearynowy. Jednak po dodaniu do hodowli kwasów takich jak mirystynowy, palmitynowy, stearynowy i oleinowy, wykrywa się powstawanie gamma-oktalaktonu. Dodanie do hodowli kwasu heksanowego, kwasu oktanowego, kwasu dekanowego, kwasu laurynowego, kwasu linolowego i kwasu linolenowego zmniejszyło wzrost P. soloniensis i wytwarzanie gamma-dekalaktonu i gamma-oktanolaktonu.

Naturalne laktony jako składniki smakowe są wytwarzane w procesach opartych na wykorzystaniu szczepów drożdży przekształcających kwas rycynolowy. Niektóre drożdże, na przykład Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta i C. moniliformis, wytwarzają dekalakton w drodze syntezy de novo z wydajnością interesującą z handlowego punktu widzenia.

Beta-oksydacja jest stosowana przez Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica, R. glutinis, A. n. glutinis, A. niger, Sporobolomyces odorus, Cladosporium suaveolens i Mucor miehei do przekształcenia kwasu rycynolowego, rycynolanu metylu i oleju rycynowego w mieszaninę gamma- i delta-dekalaktonu (Rysunek 7).

Rysunek 7. Biokonwersja oleju rycynowego poprzez kwas rycynolowy do gamma-dekalaktonu.

Jest to doskonały przykład wieloetapowej biotransformacji. Kwas rycynolowy (C18) jest najpierw uwalniany z oleju rycynowego przez działanie lipazy. Powstały kwas (R)-12-hydroksy-9-oktadecenowy musi mieć prawidłową konformację, aby uniknąć toksyczności i umożliwić wzrost wybranych mikroorganizmów. Następnie zachodzą cztery cykle β-oksydacji, podczas których C18 jest redukowany do C10, kwasu 4-hydroksydecenowego. Ponadto, grupa hydroksylowa zapobiega beta-oksydacji. Ogrzewanie w kwaśnym pH pozwala na laktonizację kwasu hydroksydekenowego w celu otrzymania (R)-gamma-dekalaktonu. Do tworzenia enancjomeru (S) gamma-dekalaktonu z kwasu dekenowego wykorzystywane są komórki Mortierella sp. Wszystkie wymienione drożdże i grzyby dobrze rosną na podłożach hydrofobowych, dzięki wydajnym i licznym lipazom, cytochromowi P450, oksydazom acylo-CoA oraz zdolności do produkcji biosurfaktantów. Zasugerowano, że regulacja biotransformacji u Y. lipolytica odbywa się na poziomie genomu i polega na indukcji proliferacji peroksysomów oraz peroksysomalnej β-oksydacji. Laktony w stężeniu powyżej 150 mg l-1 typowo hamują wzrost komórek, depolaryzują żywe komórki i zwiększają płynność błon; dlatego proces musi zapewniać wydajny odzysk produktu końcowego w celu zwiększenia produktywności.

Inny mikroorganizm C. moniliformis tworzy gamma-dekalakton z glicerolu jako substratu. Dodatkowym sposobem biologicznego generowania laktonów jest redukcja gamma-ketokwasów do gamma-hydroksykwasów, które następnie cyklizują do gamma-laktonów.

Klasycznym przykładem syntezy de novo delta-laktonu jest synteza przez grzyb Trichoderma viride. Ten lakton typu kokosowego, 6-pentyl-2-piron, jest produkowany podczas fazy stacjonarnej. Jak wspomniano dla innych laktonów, ciągłe usuwanie produktu 6-pentyl-2-pironu z bulionu hodowlanego przez adsorpcję XAD pomaga wyeliminować inhibicję produktu końcowego i poprawić wydajność.

Redukcja laktonów przez laktonazy i monooksygenazy o szerokiej specyficzności z bakterii Pseudomonas i Acinetobacter powoduje powstanie ich odpowiednich hydroksykwasów.

Produkty mleczarskie są zwykle bogate w gamma-laktony, 10- i 12-węglowe. Różne laktony, takie jak gamma-butyrolakton, bursztynian dietylu, gamma-etoksy-gamma-butyrolakton, gamma-lakton kwasu 4-hydroksy-5-oksoheksanowego i (4R,5S:4S,5R) gamma-lakton kwasu 4,5-dihydroksy-heksanowego znajdują się w bulionie hodowlanym Saccharomyces fermentati, gdy są hodowane na kwasie glutaminowym w sherry.

Lakton o smaku masła stosowany w margarynach to (R)-gamma-dodekanolid i jest on przygotowywany z kwasu 5-ketododekanowego przez S. cerevisiae. Inny cenny lakton – sklareolid może być otrzymywany ze sklareolu szałwii muszkatołowej w procesie biotransformacji mikrobiologicznej przy użyciu Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata lub Cryptococcus laurentii.

Mikrobiologiczne utlenianie Bayer-Villigier (keto-laktonizacja) cyklicznych ketonów przez komórki Acinetobacter lub P. putida prowadzi do tworzenia aromatów laktonowych.