DE2363285A1 - Verfahren zur herstellung von lapfelsaeure durch mikrobiologische fermentation und mittel zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung von lapfelsaeure durch mikrobiologische fermentation und mittel zur durchfuehrung des verfahrens

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    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
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Description

SNAM PROGETTI S.ρ.Α., Mailand /Italien
Verfahren zur Herstellung von !-Apfelsäure durch mikrobiologische Fermentation und Mittel zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von !-Apfelsäure (1-Monohydroxybernsteinsäure), wobei man Fumarsäure als Ausgangsmaterial verwendet und eine mikrobiologische Fermentation durchführt. Die Erfindung betrifft ebenfalls Mittel, um das Verfahren selbst durchzuführen.
Es ist bekannt, daß 1-Apfelsäure gemäß der folgenden Umsetzung
Fumarat + H2O 1-Malat
erhalten werden kann, wobei die Umsetzung durch das Enzym Fumarase (Fumarathydratase oder 1-Maiathydrolyase) katalysiert wird. Die Umsetzung kann in beiden Richtungen verlaufen, so daß es möglich ist, Fumarsäure aus !-Apfelsäure und 1-Apfelsäure aus Fumarsäure herzustellen.
Im allgemeinen wird Fumarase aus Schweineherz extrahiert und aus vielen Mikroorganismen der verschiedenen Arten wie Coryne-
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bacterium, Microbacterium, Proteous, Eseherichia, Micrococcus, Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Candida, Aspergillus, Saccharomyces gewonnen.
!-Apfelsäure, die auf solche Weise erhalten wird, muß dann einem neuen Reinigungsverfahren unterworfen werden, damit man ein Produkt erhält, das den Reinheitsgrad besitzt, der für seine Verwendung erforderlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochreine 1-Apfelsäure herzustellen, ohne daß eine Reinigungsbehandlung erforderlich ist. Überraschenderweise wurde gefunden, daß man durch ein Fermentationsverfahren 1-Apfelsäure in hoher Reinheit herstellen kann, indem man einfach Mikrobenstämme verwendet, die zuvor noch nicht als Fumarase-Quelle verwendet wurden und die zu dem Paracolobactrum-Genus gehören und die als solche ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
Die Zellen, die man gegen Ende der Fermentation gewinnt, können als solche zur Durchführung der enzymatischen Umsetzung verwendet werden. Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist somit ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Fumarase, wobei man Mikrobeustämme des Paracolobactrum-Genus verwendet. Diese Stämme, die aus gemahlenen landwirtschaftlichen Proben isoliert werden, werden durch die Zahlen 743, 745 und 746 bezeichnet und besitzen die im folgenden beschriebenen Eigenschaften. Sie wurden hinterlegt bei dem Central Bureau Voor Schimmelcultures-Baarn-Holland.
Mikroskopische Morphologie
Einzelne, kleine Stiele, 0,5 bis 0,8 χ 1,0 bis 2,0 Mikron, ohne Kapseln und Sporen, nicht mobil, gram-negativ.
Makroskopische Morphologie
Kolonien auf Nähragar (Difc-o)., dick, weiß, vollständig, feucht,
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schleimabsondernd. Kultur auf Nährmedium (Difco): trübe, mit Membranenhäutchen und reichliche Abscheidung. Schrägplatten auf Nähragar (Difco): reichlich, fließend, weiß, feucht, metallischer Glanz bzw. metallisches Leuchten. Infusion in Nährgelatine (Difco): dick, weiß, feucht, fließend auf der Oberfläche, ohne Verflüssigung.
Biochemische Eigenschaften: Säure und Gas aus Glucose, Fructose, Galactose, Arabinose, Maltose, Mannit, Stärke. Lactose wird innerhalb von 30 Tagen nicht fermentiert. Citrat wird als Kohlenstoffquelle verwendet. Methylrot-Versuch: negativ. Voges-Proskauer-Versueh; positiv. Indol: negativ. H2S: negativ. Nitrite gebildet durch Nitrate. Katalyse: positiv. Lackmusmilch: Ansäuerung unter Koagulation, keine Peptonisierung, Wachstumsbedingungen: Sie wachsen gut auf Labormedien, die optimale Temperatur beträgt ungefähr 25°C, aerob (fakultativ anaerob).
Vergleicht man die zuvor erwähnten Eigenschaften mit den Beschreibungen in "Bergey's Manual of Determinative Bacteriology", 8. Auflage, so gehören die erfindungsgemäßen Stämme zu Familie: Enterobacteriaceae Tribus : Escherichieae
Genus : Paracolobactrum
Species: Paracolobactrum aerogenoides.
Erfindungsgemäß wird 1-Apfelsäure auf fermentativem Weg hergestellt, indem man einen der zuvor erwähnten Bakterienstämme verwendet und indem man als Kulturmedium eine Salzlösung, die Stickstoff- und Kohlenstoffquellen in Anwesenheit des Fumarate enthält, verwendet.
Die Mikroorganismen können unter aeroben Bedingungen in Kulturmedien kultiviert werden·, die Quellen für Kohlenstoff, Stickstoff und Mineralsalze enthalten, bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 40°C, bevorzugt im Bereich von 28 bis 30°C, während Zeiten von 18 bis 36 Stunden, bevorzugt 24 Stunden, und bei pH-
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Werten von 5,5 Ms 8, bevorzugt bei pH 7.
Als Kohlenstoff quelle kann man verwenden Glucose, Stärke, Glycerin und Melasse. Das Substrat (Fumarsäure) wird in Konzentrationen von 1 bis 5% zugegeben, bevor der pH-Wert mit Natriumhydroxyd eingestellt wird.· Als Stickstoffquelle kann man verwenden Pepton, hydrolyseerte Derivate von Casein oder Sojabohnen, Ammonium- oder Natriumnitrate, Ammoniumsulfat oder -phosphat, Getreide- oder Maiseinweichwasser (CSL) sog. corn steep liquor, Malzextrakt usw.
Die Ausbeute an !-Apfelsäure wird erhöht, wenn die Belüftung vermindert wird. Wie oben erwähnt, werden die Zellen bei der Fermentation gewonnen und sie werden als solche bei der enzymatischen Reaktion eingesetzt. Werden Bakterienzellen bei der enzymatischen Umwandlung von Fumarat in MaIa t verwendet, so werden sie in Medien, die ähnlich sind wie die des Fermentationsverfahrens kultiviert.
Als Kohlenstoffquelle kann man verwenden Glucose, Stärke, Glycerin, Melassen, Fumarat, Tartrat, Citrat oder Acetat in Konzentrationen von 1 bis 5%· Sonst kann man ebenfalls die Extrakte dieser Zellen verwenden. In einem solchen Fall werden die Zellen nach einem der bekannten Verfahren gebrochen, und man verwendet den Rohextrakt oder den teilweise gereinigten Extrakt, der das Enzym enthält.
Die Enzymdosierung kann entsprechend den in den naturwissenschaftlichen Publikationen beschriebenen Verfahren erfolgen. Eine Einheit entspricht der Enzymmenge, die in 1 Minute bei einer Temperatur von 25°C eine 0.D.-Änderung von 0,001 ergibt. Die Apfelsäure wird auf spektrometrische Weise entsprechend dem in Modern Food Analysis (Hart-Fisher 1971) beschriebenen Verfahren mit Schwefelsäure und 2,7-Naphthalindiol dosiert bzw. bestimmt (O.D. = optische Dichte).
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Die Proteine werden auf spektrophotometrisehe Weise mit · Differentialablesungen bei 224 und 233 nm gegenüber einer Standardkurve mit bekannter Albuminkonzentration bestimmt. Die spezifische Aktivität wird als Einheiten/mg Protein (nm =; Nanometer) angegeben.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie zu beschränken.
Beispiel 1
20 Il
1 It
5 Il
2 Il
0 ,5»
1 Il
Ein Kulturmedium der folgenden Zusammensetzung wird hergestellt:
Fumarsäure 20 g/l
Glucose
Hefeextrakt
NaNO3
K2HPO4
MgSO4 V 7H2O
Tween 80
Die zuvor erwähnten Produkte werden in entmineralisiertem Wasser gelöst und mit Natriumhydroxyd wird der pH-Wert der Lösung auf 7 eingestellt. Man sterilisiert während 20 Minuten bei 1100C. Das Medium wird in 500 ml-Kolben mit einem breiten Hals gegeben, wobei man 100 ml Medium in jeden Kolben füllt. Die Kolben werden mit einer Suspension der Stämme 743, die man während 24 Stunden bei 300C auf Schrägplatten mit Nähragar gezüchtet hatte, inokuliert. Die optische Dichte der Bakteriensuspension, die als Inokulierungsmittel verwendet, wird, verdünnt auf 1/10, beträgt 0,200 bei 550 nm.
Die Inkubation wird unter orbitalem Rühren bei 3°C während 88 Stunden durchgeführt.
In dem Fermentationsmedium verbleiben 4,5 g/l Fumarsäure und 17,25 g/l 1-Apfelsäure werden gebildet, was einer Ausbeute von 75# entspricht.
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Beispiel
Man verwendet eine Laborfermentationsvorrichtung mit einer Kapazität von 20 1, die mit vier im Wasser liegenden Ablenkblechen (antisloshing buffles) und einer Turbine mit acht Flügeln ausgerüstet ist und die 17 1 des folgenden Mediums enthält: -
Fumarsäure 20 g/l
Hefeextrakt 1 «
NaNO, 5 lf
K2HPO4 2 »
MgSO4 · 7H2O 0,5"
In entmineralisiertem Wasser und deren pH-Wert mit Natriumhydroxyd auf 7 eingestellt ist und die während 20 Minuten bei 1100C sterilisiert wird. Man inokuliert mit 340 ml (=2%) einer Kultur von 24 Stunden bei 300C des Stammes 743.
Die optische Dichte der Präkultur, verdünnt auf 1/10, bei 550 nm beträgt 0,200. Die Fermentation wird bei 30°C während 23 Stunden mit einer Belüftung von 0,1 Vol/Vol/min durchgeführt. Man erhält unter solchen Bedingungen 10 g feuchter Zellen/l Kultur.
15 g der erhaltenen Zellen werden in 100 ml 0,01m Phosphatpuffer, pH 7,0, der 0,05 Mol Fumarsäure (neutralisiert mit Natriumhydroxyd) enthält, suspendiert. Die Mischung wird bei 20°C gerührt. Nach 5 Stunden werden 1,76 g Fumarsäure und 2,6 g !-Apfelsäure festgestellt, was einer Ausbeute von 39% entspricht.
Beispiel 3
15 g der nach Beispiel 2 erhaltenen Zellen werden in 50 ml 0,01m Phosphatpuffer, pH 7,0, suspendiert. 250 ml kaltes Aceton werden zu der Suspension zugegeben. Der Niederschlag wird durch Filtration abgetrennt und im Vakuum (15 mm Hg,Zimmertemperatur, 18 Stunden) getrocknet. 15 g feuchte Zellen ergeben
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2,5 g trockene Zellen. 2,5 g der trockenen Zellen werden in 100 ml 0,01m Phosphatpuffer, pH 7,0, der 0,05 Mol Fumarsäure (neutralisiert mit Natriumhydroxyd) enthält, suspendiert. Die Reaktionsmisehung wird bei 200C gerührt. Nach 4 Stunden verbleiben 1,58 g Fumarsäure und 4,9 g 1-Apfelsäure wurden gebildet, was einer Ausbeute von 73 12.% entspricht.
Die Zellen werden aus der Reaktionsmischung durch Zentrifugieren abgetrennt und erneut in 100 ml Puffer zusammen mit Fumarsäure, wie oben beschrieben, suspendiert."Nach 6 Stunden bei 200C verbleiben 1,58 g Fumarsäure und 4,9 g 1-Apfelsäure sind gebildet, was einer Ausbeute von 73»2% entspricht.
Beispiel 4
1,5 g Zellen, erhalten gemäß Beispiel 2, werden in 2 ml Phosphatpuffer, pH 7,0, suspendiert und Ultraschallwellen während 7 Minuten (MSE, 7 Mikron) ausgesetzt. 2 ml des überfließenden Materials werden nach der Zentrifugation abgetrennt, sie enthalten 92 mg Proteine.
Diese 2 ml v/erden zu 100 ml Phosphatpuffer, pH 7,0, der 0,05 Mol Fumarsäure (neutralisiert mit Natriumhydroxyd) enthält, gegeben. Die Reaktionsmischung wird bei 200C gerührt. Nach 11 Stunden verbleiben 1,38 g Fumarsäure und es haben sich 5,05 g 1-Apfelsäure gebildet, was einer Ausbeute von 76% entspricht.
Beispiel 5
500 ml-Kolben mit breitem Hals, die 100 ml der Grundkultur und zugefügt verschiedene Kohlenstoffquellen (Glucose, Natriumfumarat, Tartrat, Citrat und Acetat) in 10 g/l-Konzentrationen enthalten, werden mit 1 ml einer Suspension des Stammes 743 inokuliert und während 24 Stunden bei 30°C unter orbitalem Rühren inkubiert. Die Zellen werden dann Ultraschallwellen bei einer Temperatur, die niedriger ist als 100C während 7 Minuten ausgesetzt.
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Die BestimmiAngen der enzyroatisehen Aktivität wurden mit'dem Rohextrakt (überfließendes Material des zuvor erhaltenen Produktes) bei 20°C durchgeführt.
Das Naßgewicht der Kulturen, die gebildeten Enzymeinheiten und die spezifischen Aktivitäten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Kohlenstoff
quelle
Naßgewicht/1C
Kulturmedium
)0 ml
(g)
Einheit/100 ml
Kulturmedium
spez.Aktivi
tät Einheit/
mg Protein
Glucose 1,2 13 000 300
Na-triumfumarat 1,2 32 000 445
Natriumtartrat 1,0 25 000 405
Natriumeitrat 0,65 10 000 228
Natriumacetat 0,35 12 000 382
409828/0751 . ·
ORIGINAL INSPECTED

Claims (8)

- 9 Patentansprüche
1. Mikrobenstämme des Paracolobactrum-Genus mit den Bezeichnungen 743, 745 und 746.
2. Verfahren zur Herstellung von l-Apfelsaure aus Fumarsäure durch Fermentation unter Verwendung von Mikroorganismen des Paracolobactrum-Genus nach Anspruch 1.
3. Verfahren zur Herstellung von 1-Apfelsäure nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in einem Kulturmedium durchführt, welches eine Salzlösung enthält, die Stickstoff- und Kohlenstoffquellen in Anwesenheit von Fumarat enthält.
4. Verfahren zur Herstellung von 1-Apfelsäure nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kohlenstoffquelle Glucose, Stärke, Glycerin o.der/und Melassen verwendet.
5. ; Verfahren zur Herstellung von 1-Apfelsäure nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß man als Stickstoffquelle Pepton, hydrolysierte Derivate von Casein und Sojabohnen, Ammonium- oder Natriumnitrate, Ammoniumsulfat oder -phosphat, Mais- oder Getreideeinweichflüssigkeit (CSL) oder/und Malzextrakt verwendet.
6. ' . Verfahren zur Herstellung von 1-Apfelsäure nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fermentation während einer Zeit von 18 bis 36 Stunden und bei einem pH-Wert von 5,5 bis 8 durchgeführt wird.
7. Verfahren zur Herstellung von 1-Apfelsäure nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die· Fermentation bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 40°C in einem Kulturmedium durchgeführt wird, das Glucose als
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- ίο -
Hauptkohlenstoffquelle und 1 bis 10% Fumarsäure enthält.'
8. Verfahren zur Herstellung von Fumaraseenzym durch Fermentation nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und durch Trennung der Bakterienzellen aus dem Fermentationsmedium.
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