Велика кар'єра глутамінової кислоти: все «за» і «проти»
Р.Акасов, «Хімія і життя» № 11-2010
Опубліковано на сайті «Известия науки»
Якщо ви запитаєте біохіміка, яка з амінокислот для людини найпотрібніша, він навряд чи відповість вам на це питання. А для економіста відповідь очевидна: зрозуміло, глутамінова. Три мільйони тонн на рік - саме стільки цієї речовини виробляють зараз на планеті. При цьому виробництво стає дедалі більше, але поки ще не зуміло наздогнати споживання - дефіцит глутамінової кислоти оцінюють в 800-900 тисяч тонн на рік. Найближчий переслідувач - амінокислота лізин з річним виробництвом близько 1 100 000 тонн. Решта відстали від лідера ще більше. Як стати чемпіоном серед амінокислот? Про це в сьогоднішній статті.
Сіль з водоростей
Відкриття глутамінової кислоти сталося досить тихо. Німецький хімік Генріх Ріттхаузен в 1866 році виділив її з рослинного білка, зокрема з клейковини пшениці. За традицією назву новій речовині дав його джерело: das Gluten в перекладі з німецького - клейковина. До речі, два роки по тому Ріттхаузен виділив іншу амінокислоту з проростків спаржі, яка носить латинську родову назву Asparagus. Неважко здогадатися, що цією речовиною була аспарагінова кислота.
Нагадаємо, що амінокислоти - органічні сполуки, в яких, як випливає з назви, містяться і карбоксильні і амінні групи. В живих організмах зустрічається близько 300 амінокислот, з них 20 входять до складу білків людини, а 10 з цієї двадцятки - «незамінні», тобто наш організм не здатний їх синтезувати і повинен отримувати з їжею.
Глутамінова кислота - одна з найпоширеніших в складі білків, більш того, серед решти 19 білкових амінокислот є і її похідне глутамин, який відрізняється від неї лише додатковою аминогруппой. Але для організму це два різних речовини, кожне зі своїми біохімічними функціями, і плутати їх не варто. А ось глутамат - це майже та ж глутамінова кислота, тільки у вигляді солі. Взагалі-то сіль глутамінової кислоти слід називати глютамінатом, але через англійського написання речовин glutamic acid - glutamate і не дуже уважних перекладачів в мові закріпився «глутамат». Втім, російська наука, навіть сама офіційна, зовсім недавно стикалася і не з такими «труднощами перекладу», так що не будемо надто суворі.
Глутамінової кислоти іноді називають ще і глютамінової, рідше - альфа-аміноглутаровой. Зовсім рідко, хоча і хімічно правильно - 2-амінопентандіовой. За всіма цими назвами ховається одна і та ж формула і одне і те ж речовина, в чистому вигляді представляє собою непримітні безбарвні кристали, погано розчинні у воді.
HOOC-CH2-CH2-СН (NН2) -СООН
Справжня ж історія глутамінової кислоти почалася в XX столітті, коли професор Токійського університету Ікеда Кікунае задався питанням: чому їжа стає смачнішою і апетитно, якщо її присмачити деякими видами сушених водоростей, давно відомих кулінарам Південно-Східної Азії? У 1907 році Ікеда виділив з водоростей ламінарії і конбу глутамінової кислоти і з'ясував, що саме вона відповідає за їх характерний смак, а двома роками пізніше запатентував технологію виробництва її натрієвої солі з водоростей. Смак, який ця приправа надавала їжі, неможливо було назвати ні солоним, ні кислим, ні гірким, ні тим солодшим. Тому він отримав власну назву «умами», який на російську мову зазвичай переводять епітетом «м'ясний смак».
Приправа, що вироблялася під торговою назвою «Ajinomoto», тобто «душа смаку» (так само називалася і компанія-виробник), швидко стала популярною, проте на Заході про неї дізналися лише після Другої світової війни. Ідею використовувати глутамат натрію як підсилювач смаку підгледіли американці. До цього насичений м'ясний смак їжі надавали в основному за допомогою жирів. У 1947 році добавку починають офіційно використовувати в США. Її нова назва - MSG, Mono Sodium Glutamate, мононатрієва сіль глутамінової кислоти.
При цьому глутамінової кислоти використовували ще і в психіатрії як стимулюючий і збудливий засіб. Між двома цими різними застосуваннями одного речовини набагато більше спільного, ніж може здатися. Глутамінова кислота - нейромедіатор, тобто посередник, «естафетна паличка» нервової системи. Вона зв'язується зі специфічними рецепторами нейронів і викликає їх збудження. При цьому спеціальний фермент може переводити глутамінової кислоти в гамма-аміномасляна кислота (ГАМК), яка грає роль гальмівного нейромедіатора, тобто пригнічує нервовий імпульс. Коли ми додаємо глутамат в їжу, відбувається щось схоже: молекула амінокислоти взаємодіє з смаковими рецепторами мови і збуджує їх, посилюючи чутливість.
Небезпечно чи корисно?
З моменту початку промислового виробництва глутамінової кислоти і до сих пір застосування цієї речовини тільки зростало. Втім, як з'ясувалося, далеко не всім це виявилося за смаком - в самому прямому сенсі. В середині 70-х років американський нейрофізіолог Джон Олні, працюючи з щурами, заявив, що глутамат натрію може викликати у них пошкодження мозку. А японський вчений Огура Хіросі припустив, що ця добавка змінює сітківку ока у щурів. Незабаром посипалися скарги від людей, які часто вживають їжу з глутамат натрію. Головний біль, посилене серцебиття, важке дихання, загальна слабкість і жар - ці симптоми стали називати «синдромом китайського ресторану».
На щастя, подальші дослідження виявилися куди більш обнадійливими. Ефекти, відмічені у щурів, не виявлялися в організмі людини. А «синдром китайського ресторану» виявився надмірно роздутим: достовірної зв'язку між вживанням глутамату і неприємними ефектами доведено не було, в тому числі і в експериментах з «сліпим» контролем. Що, втім, не скасовує можливості індивідуальної алергічної реакції на той чи інший компонент незнайомій кухні - хоча б і на глутамат натрію.
Однак все сталося як в старому анекдоті: ложечки знайшлися, а осад залишився. Багато людей впевнені в негативному впливі глутамату натрію, і деякі телевізійні передачі люблять полякати глядачів «хімією». Але все це здебільшого страшилки на порожньому місці. У Росії глутамат натрію (Е621), так само як і Глутамати калію (Е622), кальцію (Е623), амонію (Е624), магнію (Е625), а також сама глутамінова кислота (Е620) дозволені до застосування - до 10 грамів речовини на кілограм продукту, а в приправах та прянощах допустима концентрація ще вище. Втім, до роздрібного продажу не допускаються Глутамати магнію і амонію. Все це регулюється Санітарними нормами і правилами (СанПіН 2.3.2.1293-03). Більш того, і сама кислота, і її солі визнані безпечними у всьому світі, в тому числі і Всесвітньою організацією охорони здоров'я.
Сьогодні Глутамати використовують для посилення смаку та аромату супів, бульйонів, в тому числі швидкого приготування, в чіпсах, соусах, різноманітних м'ясних продуктах, в консервах. Дозування - приблизно 0,1-0,5%, тобто на кілограм продукту виходить від 1 до 5 грамів глутамінової кислоти. З огляду на, що в пов'язаному вигляді (тобто в складі білків) ми щодня споживаємо близько 20 грамів цієї амінокислоти, надбавка від приправи не настільки істотна. До того ж з'їсти її занадто багато майже так само важко, як є пересолену або переперчена їжу. Глутамати зазвичай додають в продукт разом з сіллю, при цьому дозування солі зменшують на 10%. Крім того, глутамат часто використовують в суміші з інозінат і гуанілат натрію (солі нуклеотидів, тих самих, з яких складається ДНК). Суміш цих речовин в певному співвідношенні, звана глурінатом, дає більш збалансований смак і дозволяє знизити концентрацію кожного окремого компонента.
Глутамінової кислоти багато в самих звичайних харчових продуктах - м'ясі, молоці, овочах. У білках близько третини від усієї кількості амінокислот припадає на частку глутаміну і глутамінової кислоти. Та й наш організм справно синтезує ці речовини для своїх потреб. Більш того, підвищені дози глутамату призначають при затримках розвитку, епілепсії, психозах, депресіях та багатьох інших хворобах нервової системи. Глутамінова кислота стимулює імунітет і інтенсивність метаболізму в цілому, так як реакції переамінування за участю цієї речовини супроводжують синтез всіх замінних амінокислот. Крім того, глутамінова кислота зв'язує отруйний аміак, що виділяється при деяких біохімічних реакціях, утворюючи нешкідливий і потрібний клітці глутамин.
Втім, борців з глутамат можна зрозуміти на якусь дещицю. З одного боку, амінокислоти в продуктах руйнуються при зберіганні, особливо нестійкий глутамин. Додавання солей глутамінової кислоти в даному випадку лише компенсує втрачений смак. З іншого боку, за допомогою приправи можна перетворити спочатку малос'едобнимі продукт в щось апетитне. І деякі виробники активно цим користуються. Тільки ось можливу шкоду буде виходити від продукту в цілому, а ніяк не від глутамату. Мабуть, єдина категорія людей, яким не рекомендована ця добавка, - це діти до трьох років. Втім, вимоги до дитячого харчування взагалі дуже суворі, і до застосування дозволено буквально лічену кількість добавок.
Найважливіше - пам'ятати, що властивості речовини не залежать від методу його отримання. Тому синтетична, «хімічна» глутамінова кислота нічим не буде відрізнятися від природного, якщо, звичайно, ми говоримо про чистому речовині. Глутамат в пакетику з приправою - це той же самий глутамат, який японці багато років вживають в складі морських водоростей. І тривалість життя у них, між іншим, одна з найвищих в світі.
Три мільйони тонн
Саме стільки глутамінової кислоти і її солей виробляють сьогодні щороку. Технологія, придумана професором Ікеда - екстрагування з морських водоростей, - природно, не змогла б забезпечити таку кількість продукту, навіть незважаючи на те, що в ламінарії кількість глутамінової кислоти може доходити до 1% від маси водорості.
Другий можливий шлях отримання глутамінової кислоти, довгий час застосовується в Європі і США, - гідроліз білків, наприклад тієї ж клейковини, з якої ця речовина вперше було отримано. Зазвичай використовували пшеничне або кукурудзяну клейковину, в СРСР - бурякову мелясу. Технологія досить проста: сировина очищають від вуглеводів, гидролизуют 20% -ної соляної кислотою, нейтралізують, відокремлюють гумінові речовини, концентрують і в облогу інші амінокислоти. Частину, що залишилася в розчині глутамінової кислоти знову концентрують і кристалізують. Залежно від призначення, харчового або медичного, проводять додаткове очищення і перекристаллизацию. Вихід глутамінової кислоти при цьому - близько 5% від ваги клейковини, або 6% від ваги безпосередньо білка.
Можливий і хімічний синтез глутамінової кислоти. Сировиною в такому випадку служить акрилонитрил, який також використовують у виробництві синтетичного каучуку і штучного волокна. Сам аконітріл отримують з пропилену. Реакцію аконітріла з воднем і окисом вуглецю проводять при високій температурі і тиску, при цьому використовується каталізатор на основі кобальту. В результаті утворюється бета-ціанопропіоновий альдегід. Подальшими перетвореннями його переводять в DL-глутамінової кислоти, яку потім розділяють на оптичні антиподи за допомогою безперервної кристалізації: L-ізомер відбирають як продукт виробництва, а D-ізомер нагрівають з водою до температури 200-220 ° і перетворюють знову в рацемическую глутамінової кислоти.
Всі перераховані методи мають серйозні недоліки: дороге або незручне сировину, труднощі поділу оптичних ізомерів. Тому справжній прорив глутамінової кислоти забезпечив біотехнологічний спосіб одержання. Вперше цей спосіб застосували всі в тій же Японії в 1957 році. Відповідну бактерію знайшли за допомогою красивого, хоча і трудомісткого, методу. Велика кількість ґрунтових бактерій висаджували на живильне середовище і залишали рости на деякий час. Потім ці чашки заливали агаризованому середовищем з іншими бактеріями, які потребують для зростання в глутамінової кислоти. На тих ділянках, де ці індикаторні бактерії росли, і слід було шукати продуцентів глутамінової кислоти.
Кислоту роблять бактерії
Виробляти глутамінової кислоти у великих кількостях можуть багато мікроорганізмів, але технологи використовують в основному бактерії - у них вище вихід продукту по відношенню до субстрату, до 40-50%. Як правило, до виробничої діяльності привертають Corynebacterium glutamicum і Brevibacterium flavum, іноді - Microbacterium і Micrococcus. В середньому для отримання тонни речовини потрібно 2,4 т крохмалю або 7 т меляси.
Взагалі, процес промислового отримання глутамінової кислоти немов створений для того, щоб про нього розповідати, - настільки він гарний і логічний. Уявімо клітку, зростаючу в середовищі з глюкозою. Клітка споживає смачну глюкозу і шляхом гліколізу розвалює її на дві молекули піровиноградної кислоти, від кожної з яких потім відходить по молекулі СО2. В результаті утворюються дві молекули ацетил, які з'єднуються з переносником, коферментом А, і йдуть в цикл трикарбонових кислот. Тут-то і починається найцікавіше.
Глутамінова кислота, яку виробляють мікроорганізми в цілком промислових кількостях, народжується в їх клітинах в циклі трикарбонових кислот, або циклі Кребса. Цей циклічний біохімічний процес призначений для добування енергії з речовин, які утворюються при розпаді вуглеводів, жирів і білків. А в результаті клітина отримує не тільки енергію у вигляді АТФ, а й інші корисні речовини, в тому числі глутамінової кислоти.
У циклі ацетил зазнає ряд перетворень і в результаті на одній зі стадій постає у вигляді альфа-кетоглутаровой кислоти, яка на наступному етапі повинна окислюватися до бурштинової кислоти. Якщо послабити фермент, який відповідає за цю реакцію, то майже весь ацетил, що потрапив в цикл трикарбонових кислот, залишиться в формі альфа-кетоглутарата. Досить приєднати до нього аміногрупу - і вийде глутамінова кислота. Така реакція називається переамінуванням, і вона характерна для всього метаболізму амінокислот. Однак накопичуються проміжні продукти будуть сповільнювати роботу циклу, а зайвий ацетил клітина використовує для виробництва інших речовин. Щоб цього уникнути, обмежують кількість біотину в середовищі. Цей вітамін відповідає за багато реакції, пов'язані з перенесенням СО2. Якщо його багато, утворюються побічні продукти - аланін, жирні кислоти, аспарагінова і молочна кислоти. Вихід глутамінової кислоти при цьому зменшується. Але якщо біотину немає зовсім, клітини не зможуть рости і ділитися.
Ось чому синтез глутамінової кислоти проводять у два етапи. На першому бактерії ростуть на багатій живильному середовищі, в якій присутній біотин. Клітини швидко діляться і активно споживають біотин, але майже не виробляють необхідний продукт. Згодом клітин стає багато, а біотину мало. Розподіл сповільнюється, але клітини не вмирають: у них є певна кількість збереженої енергії, напрацьовані ферменти та інші необхідні речовини. На цій стадії майже весь субстрат перетворюється в глутамат. Більш того, відсутність біотину робить мембрану бактерій менш щільною, і глутамінова кислота активно виходить в розчин, не пригнічуючи свій біосинтез і полегшуючи технологу завдання по виділенню. Також в живильне середовище додають деякі поверхнево-активні речовини та антибіотики - це теж збільшує проникність мембрани.
Важливо підібрати і кількість кисню: якщо його буде багато, то бактерії будуть інтенсивніше рости, витрачати більше енергії на виробництво біомаси і менше - на синтез продукту. Занадто низька концентрація кисню призведе до того, що бактерії зроблять більше аланіну і молочної кислоти.
Методи селекції мікроорганізмів та генної інженерії здатні полегшити завдання технологів. Наприклад, вихідний штам Corynebacterium glutamicum синтезував чимало глутамінової кислоти, до 50 грамів на літр культуральної рідини, тільки за умови, що концентрація біотину дуже мала - 2-3 мкг / л. Це обмежувало застосування бурякової меляси - сировини дешевого і доступного, але зазвичай містить багато біотину. Дослідники поступово підвищували кількість біотину в живильному середовищі, відбираючи ті форми, які були найбільш стійкі до великого його кількості. У підсумку, перебравши близько 8000 клонів, вони отримали штам, який продукує 50 г / л глутамінової кислоти на мелясі.
Віділіті глутамінової кислоти теж не так складно. На Першому етапі в культурально рідіну додаються вапняних молоко або негашене вапно, а потім надлишок іонів кальцію беруть в облогу фосфорної кислоти. Утворіться слаборозчінні сіль осідає разом з клітінамі мікроорганізмів. Її відділяють центрифугуванням або фільтрацією, а потім очищають рідину від пігментних домішок. Освітлений розчин глутамінової кислоти упаривают і закісляет до pH 3,2. При цьому амінокислота починає осідати з розчину, так як саме в такому значенні pH її молекули перестають електростатично відштовхуватися один від одного. Осад відокремлюють, перекрісталлізовивают і сушать.
У 1982 році світове виробництво глутамінової кислоти становило 270 тисяч тонн в рік, сьогодні - в десять разів більше. Швидше за все, воно буде рости і надалі. Найбільша фірма-виробник - як і раніше та сама «Ajinomoto», з якої починалася велика кар'єра глутамату. Кілька великих заводів побудовано в Китаї. А ось Росії глутамінова кислота, здається, не потрібна - у нас її не тільки не виробляють, а й імпортують вельми неохоче, приблизно 10-12 тисяч тонн на рік. Точніше, ввозять вже в складі харчових продуктів. Хоча ресурси для виробництва цієї амінокислоти в країні є. І це не тільки меляса або крохмаль. Можна зустріти навіть проекти по використанню в якості сировини пивної дробини - великотоннажного відходу пивних заводів, яких в Росії не менше 400 штук. Але, на жаль, амінокислоти в Росії практично ніхто не виробляє.
Портал «Вічна молодість» http://vechnayamolodost.ru
02.12.2010
Небезпечно чи корисно?
