Laktoner

Laktoner

Laktoner är cykliska estrar av organiska syror. Det är en kondensationsprodukt av en alkoholgrupp och en karboxylsyregrupp i samma molekyl av hydroxikolsyra. De mest stabila strukturerna är de femledade (gamma-lakton) och sexledade laktonerna (delta-lakton). Laktoner kan framställas kommersiellt på bioteknisk väg med hjälp av jäst. Mer än 100 olika laktoner är erkända som smakämnen.

Naturligt förekommande laktoner är huvudsakligen mättade och omättade gamma- och deltalaktoner med mycket låga lukttrösklar. Ett antal substrat har använts för att påvisa mikrobiell bildning av laktoner, t.ex. ricinolsyra, oljesyra, triolein, lecitin, ricinolja, glycerol, gamma-ketosyror, 12-hydroxistärsyra och 14-hydroxi-11-eikosansyra. Laktoner framställs vanligen från hydroxifettsyror genom β-oxidation, som följs av laktonisering. Typ av substrat och mikroorganism bestämmer produktens struktur. Till exempel producerar en vild stam av den brunrötade basidiomyceten Piptoporus soloniensis gamma-dekalakton när ricinolsyra och 12-hydroxistärsyra är närvarande. När syror som myristik-, palmitin-, stearin- och oljesyror tillsätts till kulturen upptäcks dock bildning av gamma-oktalakton. Tillsats av hexansyra, oktansyra, dekansyra, laurinsyra, linolsyra och linolensyra till kulturen minskade tillväxten av P. soloniensis och produktionen av gamma-dekalakton och gamma-oktanolakton.

Naturliga laktoner som aromingredienser tillverkas med hjälp av processer som bygger på användning av jäststammar som omvandlar ricinolsyra. Vissa jästsvampar, till exempel Phlebia radiate, Polyporus durus, Fusarium pore, B. adusta och C. moniliformis, producerar decalakton genom de novo-syntes med kommersiellt intressanta utbyten.

β-oxidation används av Candida lipolytica, Yarrowia lipolytica, R. glutinis, A. niger, Sporobolomyces odorus, Cladosporium suaveolens och Mucor miehei för att omvandla ricinolsyra, metylrikinoleat och ricinolja till en blandning av gamma- och deltadekalakton (figur 7).

Figur 7. Biokonversion av ricinolja genom ricinolsyra till gamma-dekalakton.

Detta är ett utmärkt exempel på biotransformation i flera steg. Ricinolsyra (C18) frigörs först från ricinolja genom lipasets verkan. Den resulterande (R)-12-hydroxi-9-octadecensyran måste ha rätt konformation för att undvika toxicitet och möjliggöra tillväxt för utvalda mikroorganismer. Därefter sker fyra cykler av β-oxidation under vilka C18 reduceras till C10, 4-hydroxidecenonsyra. Vidare förhindras beta-oxidation av hydroxylgruppen. Uppvärmning vid surt pH möjliggör laktonisering av hydroxydedecenonsyra för att ge (R)-gamma-dekalakton. Bildning av enantiomer (S)-gamma-dekalakton från decenolsyra använder celler av Mortierella sp. Alla ovan nämnda jäst- och svampar växer bra på hydrofoba substrat, tack vare deras effektiva och talrika lipaser, cytokrom P450, acyl-CoA-oxidaser och deras förmåga att producera biosurfaktanter. Det föreslogs att regleringen av biotransformationen i Y. lipolytica sker på genomnivå och inbegriper induktion av peroxisomernas proliferation och peroxisomal β-oxidation. Laktoner i koncentrationer över 150 mg l-1 hämmar vanligtvis celltillväxt, depolariserar de levande cellerna och ökar membranvätska; därför måste processen ge effektiv återvinning av slutprodukten för att öka produktiviteten.

En annan mikroorganism C. moniliformis bildar gamma-dekalakton från glycerol som substrat. Ytterligare ett sätt att generera laktoner biologiskt är att reducera gamma-ketosyror till gamma-hydroxysyror, som sedan cykliserar till gamma-laktoner.

Ett klassiskt exempel på de novo-syntes av delta-lakton är av svampen Trichoderma viride. Denna lakton av kokosnötstyp, 6-pentyl-2-pyron, produceras under dess stationära fas. Som nämnts för andra laktoner bidrar ett kontinuerligt avlägsnande av produkten 6-pentyl-2-pyron från kulturbuljongen genom XAD-adsorption till att eliminera slutproduktinhiberingen och förbättra produktiviteten.

Reduktion av laktoner med hjälp av laktonaser och monooxygenas med bred specificitet från bakterier av arterna Pseudomonas och Acinetobacter resulterar i deras respektive hydroxysyror.

Mjölkprodukter är typiskt sett rika på gammalaktoner, med 10 och 12 kolatomer. Olika laktoner såsom gamma-butyrolakton, dietylsuccinat, gamma-etoxi-gamma-butyrolakton, 4-hydroxi-5-oxohexansyra gamma-lakton och (4R,5S:4S,5R) 4,5-dihydroxihexansyra gamma-lakton finns i odlingsbuljongen från Saccharomyces fermentati när den odlas på glutaminsyra i sherry.

En smörsmakande lakton som används i margariner är (R)-gamma-dodekanolid och framställs från 5-ketododekansyra av S. cerevisiae. En annan värdefull lakton, sclareolid, kan framställas från sclareol i en mikrobiell biotransformation med hjälp av Cryptococcus albidus, Bensingtonia ciliata eller Cryptococcus laurentii.

Mikrobiell Bayer-Villigier-oxidation (keto-laktonisering) av cykliska ketoner med hjälp av celler av Acinetobacter eller P. putida leder till bildning av laktonaromer.