CH617458A5 - Use of filamentary structures containing encapsulated fumarase for the enzymatic production of l-malic acid - Google Patents
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Description
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RIVENDICAZIONI
1. Utilizzazione di strutture filamentose contenenti inglobata la fumarasi ed ottenute a partire da polimeri scelti tra polimeri cellulosici esterificati o nitrati, poliolefine, polimeri e copolimeri di acrilonitrile, acrilati, metacrilati, esteri vinilici, cloruro di vinile, cloruro di vinilidene, stirolo, poliam-mide o polivinile buttirrale per la produzione enzimatica di acido 1-malico, caratterizzata dal fatto di mettere a contatto soluzioni saline di acido fumarico con dette strutture. 1. Use of filamentary structures containing fumarate incorporated and obtained starting from polymers selected from esterified or nitrated cellulosic polymers, polyolefins, polymers and copolymers of acrylonitrile, acrylates, methacrylates, vinyl esters, vinyl chloride, vinylidene chloride, styrene, polyamide -mide or polyvinyl buttirral for the enzymatic production of 1-malic acid, characterized by the fact of bringing saline solutions of fumaric acid into contact with said structures.
2. Utilizzazione secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la struttura filamentosa è ottenuta a partire di triacetato di cellulosa. Use according to claim 1, characterized in that the filamentous structure is obtained starting from cellulose triacetate.
Oggetto della presente invenzione è un'utilizzazione di strutture filamentose contenenti in globata la fumarasi ed ottenute a partire da polimeri scelti tra polimeri cellulosici esterificati o nitrati, poliolefine, polimeri e copolimeri di acrilonitrile, acrilati, metacrilati, esteri vinilici, cloruro di vinile, cloruro di vinilidine, stirolo, poliammide o polivinile butirra-le per la produzione enzimatica di acido 1-malico. The object of the present invention is the use of filamentous structures containing fumarate in globate and obtained starting from polymers selected from esterified or nitrated cellulosic polymers, polyolefins, polymers and copolymers of acrylonitrile, acrylates, methacrylates, vinyl esters, vinyl chloride, chloride of vinylidine, styrene, polyamide or polyvinyl butyral for the enzymatic production of 1-malic acid.
L'enzima estratto da varie fonti viene utilizzato come catalizzatore in forma eterogenea in quanto viene immobilizzato in strutture filamentose dall'interno delle quali esso non può' sfuggire pur essendo tuttavia accessibile al substrato. The enzyme extracted from various sources is used as a catalyst in a heterogeneous form as it is immobilized in filamentous structures from the inside of which it cannot escape while still being accessible to the substrate.
È ormai noto l'interesse sviluppato attorno ad acidi organici quali l'acido citrico, tartarico ecc. impiegati nell'industria alimentare come acidulanti. The interest developed around organic acids such as citric acid, tartaric etc. is now known. used in the food industry as acidulants.
Si è guardato recentemente all'acido malico da impiegare in applicazioni dello stesso tipo ed anche se è stato proposto l'impiego del composto racemo è chiaro che il poter disporre dell'isomero naturale, cioè L-malico che è del resto prodotto in notevole quantità nell'organismo umano, in quanto intermedio di uno dei più importanti cicli metabolici, costituisce una sicurezza soprattutto quando gli alimenti sono destinati all'infanzia. We have recently looked at malic acid to be used in applications of the same type and even if the use of the racemic compound has been proposed, it is clear that being able to dispose of the natural isomer, i.e. L-malic which is moreover produced in considerable quantities in the human body, as an intermediate of one of the most important metabolic cycles, it constitutes a safety especially when food is intended for children.
Vari metodi sono stati proposti per la produzione di acido, malico. Da una parte ci sono metodi di sintesi chimica che conducono al composto racemo con gli svantaggi di cui si è già parlato; inoltre l'acido malico proveniente dalla sintesi chimica contiene sempre come impurezza dell'acido maleico che occorre eliminare, con procedimenti relativamente costosi, dato il forte carattere tossico. Various methods have been proposed for the production of acid, malic. On the one hand, there are chemical synthesis methods that lead to the racemic compound with the disadvantages mentioned above; moreover the malic acid coming from the chemical synthesis always contains as impurity of the maleic acid that must be eliminated, with relatively expensive procedures, given the strong toxic character.
Altri metodi sono quelli microbiologici che, se hanno il vantaggio di produrre il composto naturale levo, sono costosi e laboriosi; il mantenimento del ceppo microbico, la fermentazione che impiega impianti voluminosi e dispendiosi nonché l'utilizzazione di materie prime, aria compressa e vapore sono altrettanti svantaggi dei metodi sopra menzionati. Inoltre la separazione dell'acido malico dai brodi di fermentazione comporta qualche difficoltà dovuta al fatto che il prodotto si trova assieme a parecchie impurezze. Si poteva pensare ad un metodo enzimatico utilizzando l'enzima solubile, però ciò ha diversi svantaggi: inquinamento del prodotto finale, necessità di inattivare l'enzima, uso di quantità considerevoli di enzima che viene usato una sola volta e quindi incide fortemente sul costo. Other methods are the microbiological ones which, if they have the advantage of producing the natural levo compound, are expensive and laborious; the maintenance of the microbial strain, the fermentation that uses bulky and expensive plants as well as the use of raw materials, compressed air and steam are as many disadvantages of the methods mentioned above. Furthermore, the separation of the malic acid from the fermentation broths involves some difficulties due to the fact that the product is found together with several impurities. One could think of an enzymatic method using the soluble enzyme, however this has several disadvantages: pollution of the final product, the need to inactivate the enzyme, use of considerable quantities of enzyme that is used only once and therefore strongly affects the cost.
L'utilizzazione di strutture filamentose contenenti in globata la fumarasi per la produzione enzimatica di acido 1-malico è definita nella rivendicazione 1. The use of filamentary structures containing fumarate in globate for the enzymatic production of 1-malic acid is defined in claim 1.
L'utilizzazione di cui è oggetto la presente invenzione permette di ottenere l'idratazione enzimatica dell'acido fumarico ad acido 1-malico con notevole semplicità; l'impianto è costituito da una semplice colonna; l'enzima, essendo immobilizzato, può essere riusato per un numero imprecisato, comunque grande di volte, e non inquina il prodotto; quest'ultimo è facilmente separabile dalla miscela di reazione. The use of the present invention allows to obtain the enzymatic hydration of fumaric acid to 1-malic acid with remarkable simplicity; the system consists of a simple column; the enzyme, being immobilized, can be reused for an unknown number, however large in number of times, and does not pollute the product; the latter can be easily separated from the reaction mixture.
Le strutture filamentose impiegabili ed il metodo di inglobamento dell'enzima sono quelli descritti nel brevetto italiano n. 836 462 secondo il quale le fibre inglobanti enzima possono essere preparate a partire da soluzioni di polimero capaci di dare fibre nelle quali vengono dispersi preparati enzimatici in forma di minutissime goccioline dell'ordine di grandezza delle emulsioni. The filamentous structures that can be used and the method of incorporation of the enzyme are those described in Italian patent no. 836 462 according to which the enzyme incorporating fibers can be prepared starting from polymer solutions capable of giving fibers in which enzymatic preparations are dispersed in the form of minute droplets of the order of magnitude of the emulsions.
L'emulsione così ottenuta può essere filata a umido o a secco per dare una fibra che presenta nel suo interno piccolissime cavità nelle quali si dispongono gli enzimi che sono separati dall'ambiente da una sottilissima membrana, la quale impedisce la fuoriuscita dell'enzima e la sua dispersione nella massa di reazione e tuttavia permette che l'enzima possa esplicare la sua attività catalitica. The emulsion thus obtained can be spun wet or dry to give a fiber which has very small cavities inside which the enzymes are arranged which are separated from the environment by a very thin membrane, which prevents the enzyme from escaping and its dispersion in the reaction mass and yet allows the enzyme to carry out its catalytic activity.
Fra i polimeri che possono inglobare gli enzimi si possono citare i polimeri cellulosici esterificati, nitrati, poliolefine, i polimeri e copolimeri ottenuti da acrilonitrile, acrilati, metacrilati, esteri vinilici, cloruro di vinile, cloruro di vinilidene, stirolo, ed inoltre le poliammidi, il polivinile butirrale e simili. Among the polymers that can incorporate enzymes, the esterified cellulosic polymers, nitrates, polyolefins, the polymers and copolymers obtained from acrylonitrile, acrylates, methacrylates, vinyl esters, vinyl chloride, vinylidene chloride, styrene, and also polyamides, can be mentioned. butyral polyvinyl and the like.
Con le fibre enzimatiche così ottenute, disposte in una colonna, è possibile procedere alla trasformazione di acido fumarico in 1-malico con un sistema continuo facilmente auto-matizzabile. With the enzymatic fibers thus obtained, arranged in a column, it is possible to proceed with the transformation of fumaric acid into 1-malic with a continuous system that can be easily automated.
Una pompa preleva la soluzione di fumarato di sodio, (la cui concentrazione può variare tra 0,1 e 1,2 moli/lt ed il cui pH fra 6,0 e 9,0) e la manda nella colonna contenente il catalizzatore. A seconda del flusso e della temperatura alla quale si opera, nell'effluente si ottiene una concentrazione di 1-malico che al massimo raggiunge i valori dell'equilibrio termodinamico. A pump takes the sodium fumarate solution, (whose concentration can vary between 0.1 and 1.2 moles / lt and whose pH between 6.0 and 9.0) and sends it to the column containing the catalyst. Depending on the flow and temperature at which one operates, a concentration of 1-malic is obtained in the effluent which at most reaches the values of the thermodynamic equilibrium.
Dall'effluente per acidificazione si separa l'acido fumarico non trasformato che viene rimesso in ciclo; il 1-malico può essere recuperato con vari metodi e allo stato puro cristallino o allo stato di sciroppo concentrato. The unprocessed fumaric acid is separated from the effluent by acidification and is recycled; 1-malic can be recovered with various methods and in the pure crystalline state or in the concentrated syrup state.
Gli esempi che seguono servono ad illustrare la presente invenzione, ma non sono limitativi di essa. The following examples serve to illustrate the present invention, but are not limitative of it.
Esempio 1 Example 1
Si sciolgono sotto agitazione, in un reattore, gr. 10 di triacetato di cellulosa in gr. 140 di cloruro di metilene. They are dissolved under stirring, in a reactor, gr. 10 of cellulose triacetate in gr. 140 of methylene chloride.
A parte si prepara la soluzione di enzima sciolgliendo, in tampone fosfato pH 7,2, la fumarasi ad una concentrazione di 20 mg di proteina per mi. The enzyme solution is prepared separately by dissolving the fumarase in a phosphate buffer pH 7.2 at a concentration of 20 mg of protein per ml.
10 mi di soluzione enzimatica vengono addizionati alla soluzione organica di triacetato e si favorisce l'emulsione delle due fasi con energia agitazione a 0° C per 30 min. 10 ml of enzymatic solution are added to the organic triacetate solution and the emulsion of the two phases is favored with stirring energy at 0 ° C for 30 min.
L'emulsione viene versata in un fusorino mantenuto a -6° C e si fila sotto pressione di azoto. The emulsion is poured into a small fuser kept at -6 ° C and spun under nitrogen pressure.
11 filo si coagula in toluolo a temperatura ambiente e lo si raccoglie in arroccatrice. Si essicca sotto vuoto il filo ottenuto per allontanare i solventi organici. The thread coagulates in toluene at room temperature and is collected in a winder. The yarn obtained to remove the organic solvents is dried under vacuum.
Un campione di 2 gr. di filo, dopo lavaggio con tampone fosfato, pH 7,2, viene immerso in 50 mi di soluzione 0,10 molare di fumarato sodico. A sample of 2 gr. of thread, after washing with phosphate buffer, pH 7.2, is immersed in 50 ml of 0.10 molar solution of sodium fumarate.
Si agita a temperatura controllata di 25° C. The mixture is stirred at a controlled temperature of 25 ° C.
Trascorsi 90 minuti si dosa nella miscela di reazione il 20,5 % dell'acido fumarico iniziale. Il restante 79,5 % è stato trasformato in 1-malico. After 90 minutes, 20.5% of the initial fumaric acid is dosed in the reaction mixture. The remaining 79.5% was transformed into 1-malic.
Lo stesso campione di filo dopo essere stato utilizzato per 10 volte consecutive conserva circa il 40 % dell'attività iniziale. The same sample of thread after being used for 10 consecutive times retains about 40% of the initial activity.
Esempio 2 Example 2
Seguendo la procedura descritta nell'esempio n. 1 si ingloba in fili di triacetato di cellulosa una preparazione enzimatica grezza di fumarasi ottenuta da cellule microbiche di Pa-racolobactrum aerogenoides. Grammi 450 di cellule umide ottenute coi metodi tradizionali di fermentazione aerobica sommersa vengono sottoposti all'azione degli ultrasuoni per Following the procedure described in example no. 1 incorporates a crude enzyme fumarase preparation obtained from Pa-racolobactrum aerogenoides microbial cells into threads of cellulose triacetate. 450 grams of wet cells obtained with traditional submerged aerobic fermentation methods are subjected to the action of ultrasound for
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20'; si allontanano gli acidi nucleici con MnCl2 e si precipita l'enzima con ammonio solfato fra il 40 e 60 % di saturazione. Il precipitato viene ridisciolto in tampone fosfato 0,01 molare, pH 7,0. La soluzione contiene 49 mg di proteine per mi ed una attività corrispondente a 45 U/ml (si definisce come unità di attività la quantità di enzima che trasforma 1 jj,M di substrato al min. a 25° C). 20 '; nucleic acids are removed with MnCl2 and the enzyme is precipitated with ammonium sulphate between 40 and 60% saturation. The precipitate is redissolved in 0.01 molar phosphate buffer, pH 7.0. The solution contains 49 mg of protein per ml and an activity corresponding to 45 U / ml (the quantity of enzyme that transforms 1 jj, M of substrate at min. At 25 ° C is defined as a unit of activity).
100 mi di questa soluzione enzimatica sono inglobati in filo come descritto nell'esempio 1. 100 ml of this enzymatic solution are incorporated in thread as described in Example 1.
Un campione di filo pari a 85 gr viene posto in colonna (65 X 3 cm), termostatata a 25° C, si manda dal basso verso l'alto una soluzione di fumarato sodico 0,5 molare in tampone fosfato, pH 7,0, ad un flusso di 50 ml/h. A sample of thread equal to 85 gr is placed in a column (65 X 3 cm), thermostated at 25 ° C, a solution of 0.5 molar sodium fumarate in phosphate buffer is sent from the bottom upwards, pH 7.0 , at a flow of 50 ml / h.
Nell'effluente si ottiene la conversione del 54 % dell'acido fumarico in 1-malico. In the effluent the conversion of 54% of fumaric acid into 1-malic is obtained.
Dopo 35 giorni di uso ininterrotto della stessa fibra la conversione dell'acido fumarico in malico scende al 38 %. After 35 days of uninterrupted use of the same fiber, the conversion of fumaric acid to malic drops to 38%.
Esempio 3 Example 3
Seguendo la procedura descritta nell'esempio n. 1 si ingloba in fili di triacetato di cellulosa una preparazione enzimatica grezza di fumarasi ottenuta da cellule microbiche di Pseudomonas sp. Grammi 315 di cellule umide ottenute con i metodi tradizionali di fermentazione aerobica sommersa vengono sottoposti all'azione degli ultrasuoni per 20'; si allontanano gli acidi nucleici con protammina solfato e si precipita l'enzima fra 30 e 60 % di saturazione con solfato ammonico. Il precipitato contenente l'attività viene disciolto in tampone fosfato 0,1 molare, pH 7,0. Following the procedure described in example no. 1 incorporates a crude enzyme fumarase preparation obtained from microbial cells of Pseudomonas sp. In threads of cellulose triacetate. 315 grams of wet cells obtained with traditional submerged aerobic fermentation methods are subjected to ultrasound for 20 '; nucleic acids are removed with protamine sulfate and the enzyme is precipitated between 30 and 60% saturation with ammonium sulphate. The precipitate containing the activity is dissolved in 0.1 molar phosphate buffer, pH 7.0.
La soluzione contiene 61,5 mg di proteine per mi ed una attività corrispondente a 80 U/ml (si definisce come unità di attività la quantità di enzima che trasforma 1 jimole di substrato la min. a 25° C). 100 mi di questa soluzione enzimatica sono inglobati in filo come descritto nell'esempio 1. The solution contains 61.5 mg of protein per ml and an activity corresponding to 80 U / ml (the quantity of enzyme that transforms 1 jimole of substrate per min. At 25 ° C is defined as a unit of activity). 100 ml of this enzymatic solution are incorporated in thread as described in Example 1.
Un campione di filo pari a 70 g viene posto in colonna (60 X 3 cm), termostatata a 25° C. A 70 g wire sample is placed in a column (60 X 3 cm), thermostated at 25 ° C.
Si manda, dal basso verso l'alto, una soluzione di fumarato sodico 0,5 molare, in tampone fosfato pH 7,0, ad un flusso di 50 ml/h. Nell'effluente si ottiene la conversione del 60 % dell'acido fumarico in 1-malico. Il reattore contenente la fibra enzimatica è stato usato ininterrottamente per 60 giorni senza perdita sensibile dell'attività. A 0.5 molar sodium fumarate solution, in phosphate buffer pH 7.0, is sent from the bottom upwards at a flow of 50 ml / h. In the effluent, 60% conversion of fumaric acid to 1-malic is obtained. The enzyme fiber-containing reactor was used continuously for 60 days without appreciable loss of activity.
Dalla miscela di reazione si separa per acidificazione l'acido fumarico che viene rimesso in ciclo ottenendo un recupero del 90 %. Si concentra sotto vuoto fino a consistenza sciropposa e vengono allontanati i sali inorganici. The fumaric acid is separated from the reaction mixture by acidification, which is put back into the cycle, obtaining a 90% recovery. It is concentrated in vacuo to a syrupy consistency and the inorganic salts are removed.
Si estrae con alcool l'acido malico che viene precipitato con aggiunta di cloroformio. L'acido 1-malico ha una purezza del 100 %. La resa è del 60 %. Malic acid is extracted with alcohol and precipitated with the addition of chloroform. 1-malic acid has a purity of 100%. The yield is 60%.
10 Esempio 4 10 Example 4
Secondo la tecnica già descritta nell'esempio 1 si ingloba in filo di triacetato di cellulosa una soluzione enzimatica ottenuta da cellule microbiche di Pseudomonas sp. 500 gr di cellule umide ottenute da una fermentazione aerobica sommersa 15 vengono sottoposte all'azione degli ultrasuoni per 20'; gli acidi nucleici sono allontanati con MnCl2; la soluzione proteica • viene riscaldata per 10' a 50° C; l'enzima viene precipitatcf con solfato di ammonio al 40 % di saturazione. Il precipitato è solubilizzato con fosfato 0,01 M pH 8. According to the technique already described in example 1, an enzymatic solution obtained from microbial cells of Pseudomonas sp. Is incorporated in a cellulose triacetate thread. 500 gr of wet cells obtained from submerged aerobic fermentation 15 are subjected to ultrasound for 20 minutes; nucleic acids are removed with MnCl2; the protein solution • is heated for 10 'at 50 ° C; the enzyme is precipitated with ammonium sulphate at 40% saturation. The precipitate is solubilized with 0.01 M phosphate pH 8.
20 La soluzione contiene 60 mg/ml di proteine e una attività corrispondente a 150 U/ml. 50 mi di questa soluzione sono inglobati in triacetato di cellulosa secondo quanto già descritto. 20 The solution contains 60 mg / ml of protein and an activity corresponding to 150 U / ml. 50 ml of this solution are incorporated in cellulose triacetate according to what has already been described.
Un campione del filo pari a 80 gr è posto in colonna (60 25 x 3 cm) termostatata a 25° C. Essa è alimentata dal basso con una soluzione di fumarato di ammonio 0,5 M in tampone fosfato a pH 7,0 ad un flusso di 50 ml/h. A sample of the 80 g wire is placed in a column (60 25 x 3 cm) thermostated at 25 ° C. It is fed from below with a 0.5 M ammonium fumarate solution in phosphate buffer at pH 7.0 ad a flow of 50 ml / h.
Nell'effluente si ha una conversione del 75 % di acido fumarico in 1-malico. A 75% conversion of fumaric acid to 1-malic occurs in the effluent.
Esempio 5 Example 5
Una soluzione enzimatica, ottenuta da cellule microbiche 35 di Pseudomonas sp., secondo quanto descritto nell'esempio 2 viene inglobata in triacetato di cellulosa. An enzymatic solution, obtained from microbial cells 35 of Pseudomonas sp., As described in example 2 is incorporated in cellulose triacetate.
Un campione di 80 gr di tale filo è posto in una colonna (60 X 3 cm), termostatata a 25° C. Si fa fluire dal basso verso l'alto una soluzione di fumarato di Ca 0,06 M in tampone 40 fosfato pH 7,0 con una velocità di flusso pari a 50 ml/h. Nel-, l'effluente si dosa una quantità di 1-malato corrispondente al 70 % di conversione dell'acido fumarico. A sample of 80 g of this wire is placed in a column (60 X 3 cm), thermostated at 25 ° C. A solution of fumarate of Ca 0.06 M in buffer 40 phosphate pH flows from the bottom upwards 7.0 with a flow rate of 50 ml / h. In the, the effluent is dosed an amount of 1-malate corresponding to 70% of the conversion of fumaric acid.
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