Методы получения и применение янтарной кислоты в пищевой промышленности

Введение: Янтарная кислота является конечным метаболитом многих микроорганизмов. Она обладает антиоксидантными, тонизирующими свойствами, а также принимает участие в обменных процессах живого организма. Её применение в рецептуре продуктов питания будет способствовать расширению ассортимента функциональных продуктов питания, направленных на улучшения метаболизма.

Цель: описание методов получения и особенностей применения янтарной кислоты в пищевой промышленности для производства функциональных продуктов питания и биологически активных добавок к пище.

Материалы и методы: Поиск информации реализовывался в базах данных Scopus, Web of Science, PubMed, РИНЦ за период с 01.01.1994 г по 01.03.2024. Также были проанализированы отчеты о маркетинговых исследованиях в области использования янтарной кислоты в пищевой промышленности за период 2016-2023 гг. В обзор включены обзорные и эмпирические статьи, отвечающие критериям отбора, на английском и русском языках. Данный обзор предметного поля выполнен с опорой на протокол PRISMA-ScR.

Результаты: В настоящее время янтарную кислоту получают химическим или биотехнологическим методом. Наибольшую распространенность имеет химический метод (окисления парафинов, каталитического гидрирования, малеиновой кислоты или малеинового ангидрида). Существует также биотехнологический метод, основанный на культивировании микроорганизмов-продуцентов янтарной кислоты. Для культивирования микроорганизмов можно использовать различные органические субстраты, в том числе отходы пищевой промышленности. Показано, что янтарная кислота включена в список безопасных пищевых добавок и применяется при производстве пищевых продуктов в качестве регулятора кислотности. Однако в связи с тем, что она обладает доказанной биологической эффективность янтарную кислоту можно включать в рецептуры различных пищевых продуктов, тем самым наделяя их дополнительно функциональными свойствами.

Выводы: Для внедрения биотехнологического метода в реальный сектор экономики необходимо решить ряд ограничительных факторов. Установлено, что янтарная кислота может быть использована не только в качестве традиционной пищевой добавки (регулятора кислотности), но и в качестве биологически активной добавки. Объемы производства и спроса янтарной кислоты медленно, но увеличиваются, что свидетельствует о необходимости внедрения новых технологий по производству янтарной кислоты для того, чтобы удовлетворить спрос на данный продукт.

1. Зорин, А.В., Зайнашев, А.Т., Чанышева, А.Р., & Зорин, В.В. (2015). Взаимодействие α-карбанионов ацилатов лития с 1,2-дибромэтаном. Журнал органической химии, 85(6), 914-917.

2. Зорин, А.В., Чанышева, А.Р., & Зорин, В.В. (2016). Синтез янтарной кислоты и ее замещенных производных в реакциях αкарбанионов ацилатов с хлорацетатом натрия. Известия вузов. Химия и химическая технология, 59(10), 19−23. https://doi.org/10.6060/tcct.20165910.5399

3. Коваленко, А.Л., & Белякова, Н.В. (2000). Янтарная кислота: фармакологическая активность и лекарственные формы. Фармация, 5-6, 40-43.

4. Комаров, А. А., Енгашев, С. В., Енгашева, Е. С., Удавлиев, Д. И., Егоров, М. А., Уша, Б. В., Селимов, Р. Н., & Гламаздин, И. Г. (2021). Амоксициллин и янтарная кислота: Эффективные лекарственные средства для защиты здоровья животных (обзор). Хранение и переработка сельхозсырья, 4, 98-117. https://doi.org/10.36107/spfp.2021.259

5. Косинец, В. А., Столбицкий, В. В., & Штурич, И. П. (2012). Опыт применения цитофлавина в спортивном питании. Клиническая медицина, 90(7), 56-59.

6. Романова, Н. К. (2017). Сукцинаты - перспективные добавки в технологиях продуктов из растительного сырья. Вестник Казанского технологического университета, 20(16), 128-132.

7. Сапожникова, Т. В., Сапожников, К. В., Парфенов, С. А., Елькин, А. А., Ризаханов, Д. М., & Ризаханова, О. А. (2022). Вегетативный и психический статус пациентов с функциональными заболеваниями ЖКТ. Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология, 198(2), 159-168. https://doi.org/10.31146/1682-8658-ecg-198-2-159-168

8. Степанова, Е.Н., & Табаторович, А.Н. (2010). Возможность использования янтарной кислоты в технологии производства мармелада. Техника и технология пищевых производств, 17(2), 1-6.

9. Столярская, Е.А., Соклаков, В.В., & Воротников, Б.Ю. (2021). Использование янтарной кислоты при производстве обогащённой соковой продукции из фруктов. Вестник молодежной науки, 2(29), 14.

10. Табаторович, А. Н., & Резниченко, И. Ю. (2019). Разработка и оценка качества диабетического желейного мармелада «Каркаде», обогащенного янтарной кислотой. Техника и технология пищевых производств, 49(2), 320-329. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2019-2-320-329

11. Ahn, J. H., Seo, H., Park, W., Seok, J., Lee, J. A., Kim, W. J., Kim, G. B., Kim, K.J., & Lee, S. Y. (2020). Enhanced succinic acid production by Mannheimia employing optimal malate dehydrogenase. Nature communications, 11(1), 1970. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15839-z

12. Alexandri, M., Kachrimanidou, V., Papapostolou, H., Papadaki, A., & Kopsahelis, N. (2022). Sustainable food systems: The case of functional compounds towards the development of clean label food products. Foods (Basel, Switzerland), 11, 2796. https://doi.org/10.3390/foods11182796

13. Carvalho, M., Roca, C., & Reis, M. A. (2016). Improving succinic acid production by Actinobacillus succinogenes from raw industrial carob pods. Bioresource Technology, 218, 491-497. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.06.140

14. Chen, C., & Zheng, P. (2023). New insights into the biosynthesis of succinic acid by actinobacillus succinogenes with the help of its engineered strains. Fermentation, 9(12), 1026. https://doi.org/10.3390/fermentation9121026

15. Cok, B., Tsiropoulos, I., Roes, A. L., & Patel, M. K. (2014). Succinic acid production derived from carbohydrates: An energy and greenhouse gas assessment of a platform chemical toward a bio‐based economy. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 8(1), 16-29.

16. Contreras-Ruiz, A., Alonso-del-Real, J., Barrio, E., & Querol, A. (2023). Saccharomyces cerevisiae wine strains show a wide range of competitive abilities and differential nutrient uptake behavior in co-culture with S. kudriavzevii. Food Microbiology, 114, 104276. https://doi.org/10.1016/j.fm.2023.104276

17. Deng, W., Feng Y., Fu J., Guo H., Guo Y., Han B., Jiang Z., Kong L., Li C., Liu H., Nguyen P. T. T., Ren P., Wang F., Wang S., Wang Y., Wang Y., Wong S. S., Yan K., Yan N., Yang X., Zhang Y., Zhang Z., Zeng X. & Zhou H. (2023). Catalytic conversion of lignocellulosic biomass into chemicals and fuels. Green Energy & Environment, 8, 1. https://doi.org/10.1016/j.gee.2022.07.003

18. Escanciano, I. A., Wojtusik, M., Esteban, J., Ladero, M., & Santos, V. E. (2022). Modeling the succinic acid bioprocess: A review. Fermentation, 8(8), 368. https://doi.org/10.3390/fermentation8080368

19. Gao, C., Yang, X., & Wang, H. (2016). Robust succinic acid production from crude glycerol using engineered Yarrowia lipolytica. Biotechnol Biofuels, 9, 179. https://doi.org/10.1186/s13068-016-0597-8

20. Gonzales, T.A., de Carvalho Silvello, M.A., Duarte, E.R., Santos, L.O., Alegre, R.M., & Goldbeck, R. (2020). Optimization of anaerobic fermentation of Actinobacillus succinogenes for increase the succinic acid production. Biocatalysis and agricultural biotechnology, 27, 101718.

21. Grimolizzi, F., & Arranz, L. (2018). Multiple faces of succinate beyond metabolism in blood. Haematologica, 103(10), 1586.

22. Guo, F., Wu, M., Zhang, S., Feng, Y., Jiang, Y., Jiang, W., Xin, F., Zhang, W. & Jiang, M. (2022). Improved succinic acid production through the reconstruction of methanol dissimilation in Escherichia coli. Bioresources and Bioprocessing, 9(1), 62. https://doi.org/10.1186/s40643-022-00547-x

23. He, Y., Huang, W., Zhang, C., Chen, L., Xu, R., Li, N., Wang, F., Li, H., Yang, M., & Zhang, D. (2021). Energy metabolism disorders and potential therapeutic drugs in heart failure. Acta Pharmaceutica Sinica B, 11(5), 1098-1116. https://doi.org/10.1016/j.apsb.2020.10.007

24. Iragavarapu, G. P., Imam, S. S., Sarkar, O., Mohan, S. V., Chang, Y. C., Reddy, M. V., Kim, S. H., Amradi, N. K., & Amradi, N. K. (2023). Bioprocessing of Waste for Renewable Chemicals and Fuels to Promote Bioeconomy. Energies, 16(9), 3873. https://doi.org/10.3390/en16093873

25. Júnior, A. I. M., Soccol, C. R., Camara, M. C., Aulestia, D. T. M., de Souza Vandenberghe, L. P., & de Carvalho, J. C. (2021). Challenges in the production of second-generation organic acids (potential monomers for application in biopolymers). Biomass and Bioenergy, 149, 106092. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2021.106092

26. Kumar, R., Basak, B., & Jeon, B. H. (2020). Sustainable production and purification of succinic acid: A review of membrane-integrated green approach. Journal of Cleaner Production, 277, 123954. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123954

27. Li, C., Ong, K. L., Cui, Z., Sang, Z., Li, X., Patria, R. D., & Lin, C. S. K. (2021). Promising advancement in fermentative succinic acid production by yeast hosts. Journal of Hazardous Materials, 401, 123414.

28. Li, C., Ong, K. L., Cui, Z., Sang, Z., Li, X., Patria, R. D., Qi, Q., Fickers, P., Yan, J., & Lin, C. S. K. (2021). Promising advancement in fermentative succinic acid production by yeast hosts. Journal of Hazardous Materials, 401, 123414. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123414

29. Li, C., Ong, K. L., Cui, Z., Sang, Z., Li, X., Patria, R. D., Qi, Q., Fickers, P., Yan, J., Lin, & C. S. K. (2021). Promising advancement in fermentative succinic acid production by yeast hosts. Journal of Hazardous Materials, 401, 123414. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123414

30. Li, C., Ong, K. L., Yang, X., & Lin, C. S. K. (2019). Bio-refinery of waste streams for green and efficient succinic acid production by engineered Yarrowia lipolytica without pH control. Chemical Engineering Journal, 371, 804-812. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.092

31. Li, Q., Siles, J.A. & Thompson, I.P. (2010). Succinic acid production from orange peel and wheat straw by batch fermentations of Fibrobacter succinogenes S85. Applied Microbiology and Biotechnology, 88, 671–678. https://doi.org/10.1007/s00253-010-2726-9

32. Lieshchova, M. A., Bilan, M. V., Bohomaz, A. A., Tishkina, N. M., & Brygadyrenko V. V. (2020). Effect of succinic acid on the organism of mice and their intestinal microbiota against the background of excessive fat consumption. Regulatory Mechanisms in Biosystems, 11 (2), 153-161. https://doi.org/10.15421/022023

33. Liu, H., Song, Y., Fan, X., Wang, C., Lu, X., & Tian, Y. (2021). Yarrowia lipolytica as an oleaginous platform for the production of value-added fatty acid-based bioproducts. Frontiers in Microbiology, 11, 608662.

34. Liu, J., Liu, J., Guo, L., Liu, J., Chen, X., Liu, L., & Gao, C. (2022). Advances in microbial synthesis of bioplastic monomers. In Advances in Applied Microbiology (vol. 119, pp. 35-81). Academic Press. https://doi.org/10.1016/bs.aambs.2022.05.002

35. Liu, X., Zhao, G., Sun, S., Fan, C., Feng, X., & Xiong, P. (2022). Biosynthetic pathway and metabolic engineering of succinic acid. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10, 843887. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.843887

36. Liu, X., Zhao, G., Sun, S., Fan, C., Feng, X., & Xiong, P. (2022). Biosynthetic pathway and metabolic engineering of succinic acid. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10, 843887.

37. Louasté, B., & Eloutassi, N. (2020). Succinic acid production from whey and lactose by Actinobacillus succinogenes 130Z in batch fermentation. Biotechnology Reports, 27, e00481.

38. Matthews, C., Crispie, F., Lewis, E., Reid, M., O'Toole, P. W., & Cotter, P. D. (2019). The rumen microbiome: a crucial consideration when optimising milk and meat production and nitrogen utilisation efficiency. Gut microbes, 10(2), 115–132. https://doi.org/10.1080/19490976.2018.1505176

39. Mitrea, L., Teleky, B. E., Nemes, S. A., Plamada, D., Varvara, R. A., Pascuta, M. S., Ciont, C., Cocean, A., Medeleanu, M., Nistor, A., Rotar A., Pop, C. R., & Vodnar, D. C. (2024). Succinic acid–A run-through of the latest perspectives of production from renewable biomass. Heliyon. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25551

40. Mitrea, L., Teleky, B.-E., Nemes, S.-A., Plamada D., Varvara, R.-A., Pascuta, M.-S., Ciont, C., Cocean, A.-M., Medeleanu, M., Nistor, A., Rotar, A.-M., Pop, C.-R., & Vodnar, D.-C. (2024). Succinic acid – A run-through of the latest perspectives of production from renewable biomass. Heliyon, 10(3), e25551. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25551

41. Narisetty, V., Okibe, M. C., Amulya, K., Jokodola, E. O., Coulon, F., Tyagi, V. K., Lens, P. N. L., Parameswaran, B., & Kumar, V. (2022). Technological advancements in valorization of second generation (2G) feedstocks for bio-based succinic acid production. Bioresource technology, 360, 127513. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127513

42. Nghiem, N. P., Kleff, S., & Schwegmann, S. (2017). Succinic acid: technology development and commercialization. Fermentation, 3(2), 26. https://doi.org/10.3390/fermentation3020026

43. Omwene, P. I., Yağcıoğlu, M., Öcal-Sarihan, Z. B., Ertan, F., Keris-Sen, Ü. D., Karagunduz, A., & Keskinler, B. (2021). Batch fermentation of succinic acid from cheese whey by Actinobacillus succinogenes under variant medium composition. 3 Biotech, 11(8), 389. https://doi.org/10.1007/s13205-021-02939-w

44. Perez-Zabaleta, M. (2019). Metabolic engineering and cultivation strategies for recombinant production of (R)-3-hydroxybutyrate [Unpublished doctoral dissertation]. KTH Royal Institute of Technology.

45. Prabhu, A. A., Ledesma-Amaro, R., Lin, C. S. K., Coulon, F., Thakur V. K., & Kumar, V. (2020). Bioproduction of succinic acid from xylose by engineered Yarrowia lipolytica without pH control. Biotechnol Biofuels, 13, 113. https://doi.org/10.1186/s13068-020-01747-3

46. Sadare, O. O., Ejekwu, O., Moshokoa, M. F., Jimoh, M. O., & Daramola, M. O. (2021). Membrane purification techniques for recovery of succinic acid obtained from fermentation broth during bioconversion of lignocellulosic biomass: Current advances and future perspectives. Sustainability, 13(12), 6794. https://doi.org/10.3390/su13126794

47. Salma, A., Djelal, H., Abdallah, R., Fourcade, F., & Amrane, A. (2021). Platform molecule from sustainable raw materials; case study succinic acid. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 38(2), 215-239. ff10.1007/s43153-021-00103-8ff

48. Shi, Y., Pu, D., Zhou, X., & Zhang, Y. (2022). Recent progress in the study of taste characteristics and the nutrition and health properties of organic acids in foods. Foods, 11(21), 3408. https://doi.org/10.3390/foods11213408

49. Show, P. L., Oladele, K. O., Siew, Q. Y., Zakry, F. A. A., Lan, J. C.-W., & Ling, T. C. (2015). Overview of citric acid production from Aspergillus niger. Frontiers in Life Science, 8(3), 271-283, https://doi.org/10.1080/21553769.2015.1033653

50. Song, H., & Lee, S. Y. (2006). Production of succinic acid by bacterial fermentation. Enzyme and Microbial Technology, 39(3), 352-361. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2005.11.043

51. Thuy, N. T. H., Kongkaew, A., Flood, A., & Boontawan, A. (2017). Fermentation and crystallization of succinic acid from Actinobacillus succinogenes ATCC55618 using fresh cassava root as the main substrate. Bioresource Technology, 233, 342-352. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.02.114

52. Tosato, M., Ciciarello, F., Zazzara, M. B., Pais, C., Savera, G., Picca, A., Galluzzo, V., Coelho-Júnior, H. J., Calvani, R., Marzetti, E., Landi, F., & Gemelli A. (2022). Covid-19 post-acute care team. nutraceuticals and dietary supplements for older adults with long Covid-19. Clinics in Geriatric Medicine, 38(3), 565–591. https://doi.org/10.1016/j.cger.2022.04.004

53. Upton, D. J., McQueen-Mason, S. J., & Wood, A. J. (2017). An accurate description of Aspergillus Niger organic acid batch fermentation through dynamic metabolic modelling. Biotechnology for Biofuels, 10, 258. https://doi.org/10.1186/s13068-017-0950-6

54. Wahl, S. A., Bernal Martinez, C., Zhao, Z., van Gulik, W. M., & Jansen, M. L. (2017). Intracellular product recycling in high succinic acid producing yeast at low pH. Microbial Cell Factories, 16, 1-13.

55. Wan, C., Li, Y., Shahbazi, A., & Xiu, S. (2008). Succinic acid production from cheese whey using Actinobacillus succinogenes 130 Z. In Biotechnology for fuels and chemicals: proceedings of the twenty-ninth symposium on biotechnology for fuels and chemicals (pp. 111-119). Humana Press.

56. Yin, G., Sun, Z., Wang, Z., Xia, Y., Cheng, L., Qin, G., Aschalew, N. D., Liu, H., Zhang, X., Wu, Q., Zhang, W., Zhao, W., Wang, T., & Zhen, Y. (2024). Mechanistic insights into inositol-mediated rumen function promotion and metabolic alteration using in vitro and in vivo models. Frontiers in Veterinary Science, 11, 1359234. https://doi.org/10.3389/fvets.2024.1359234

57. Zheng, P., Dong, J. J., Sun, Z. H., Ni, Y., & Fang, L. (2009). Fermentative production of succinic acid from straw hydrolysate by Actinobacillus succinogenes. Bioresource Technology, 100(8), 2425-2429. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.11.043