Wie wird Vitamin C hergestellt?

Die chemische Synthese ist heute das wichtigste Produktionsverfahren für Vitamin C, sowohl für pharmazeutische als auch für kosmetische Anwendungen. Sie beruht größtenteils auf dem nach Reichstein benannten Verfahren, das in den 1930er Jahren entwickelt wurde und in optimierten Formen noch im industriellen Maßstab eingesetzt wird. Dieses Verfahren ermöglicht es, D-Glucose, die meist aus Maisstärke gewonnen wird, in L-Ascorbinsäure, die biologisch aktive Form von Vitamin C.

Synthetisches Vitamin C ist chemisch und biologisch strikt identisch mit dem natürlich in Pflanzen vorkommenden Vitamin C.

Mehrere aufeinanderfolgende Schritte sind erforderlich, die organische Chemie und Biotechnologie kombinieren, um das richtige Stereoisomer zu erhalten. Im ersten Schritt wird Glukose mit einem Raney-Nickelkatalysator zu D-Sorbitol hydriert. Dieses Sorbitol wird anschließend durch mikrobielle Fermentation zu L-Sorbose oxidiert, ein entscheidender Schritt, der die korrekte stereochemische Konfiguration des Moleküls. Die Hydroxylgruppen der L-Sorbose werden dann durch Acetalbildung in Gegenwart von Aceton und Schwefelsäure bei niedriger Temperatur geschützt, bevor eine klassische chemische Oxidation mit Kaliumpermanganat in alkalischem Milieu erfolgt.

Der letzte Schritt entspricht der Schließung des Lactonrings, wodurch Ascorbinsäure entsteht. Er kann entweder durch Erhitzen in wässrigem Medium erfolgen oder durch Veresterung, gefolgt von einer Behandlung mit Natriummethoxid und einer abschließenden Ansäuerung. Modernere Varianten des Verfahrens umfassen außerdem eine direkte Oxidation in Gegenwart von Sauerstoff und eines Platin-Katalysators, um die Ausbeuten zu verbessern.

Bei Typology verwenden wir stabile Derivate von Vitamin C gewonnen aus D-Glucose mittels des Reichstein-Grüssner-Verfahrens, das chemische Schritte und einen mikrobiologischen Schritt kombiniert.

Die bakterielle Fermentation stellt eine interessante Alternative zur chemischen Synthese für die industrielle Produktion von Vitamin C dar. Sie ermöglicht in den meisten Fällen nicht die direkte Gewinnung von Ascorbinsäure, sondern zielt darauf ab, deren unmittelbaren Vorläufer, die 2-Keto-L-gulonsäure (2-KGA), herzustellen, die anschließend chemisch in Vitamin C umgewandelt wird. Dafür müssen komplementäre Mikroorganismen eingesetzt werden, wie Gluconobacter oxydans, Ketogulonicigenium vulgareund verschiedene Arten vonBacillus.

In der Tat, K. vulgare kann 2-KGA produzieren, doch dieses Bakterium kann nur in Gegenwart von Hilfsstämmen, wie den Bacillus. Letztere liefern essentielle Metabolite und Siderophore, die die Eisenaufnahme fördern, und tragen zur Verringerung des oxidativen Stresses bei, dem K. vulgare sehr empfindlich ist. Proteomische und metabolomische Analysen haben gezeigt, dass die Sporulation, also die Ausbildung von Sporen, und die partielle Lyse der Bacillus setzen frei unverzichtbare Nährstoffe für das Wachstum und die Stoffwechselaktivität von K. vulgare, wodurch die 2-KGA-Produktionsausbeute verbessert wird.

Dieses Verfahren ist für seine Wirksamkeit anerkannt, bringt jedoch bedeutende industrielle Einschränkungen mit sich, wie lange Fermentationszeiten und zusätzliche Sterilisationsphasen.

Kürzlich haben Fortschritte in der metabolischen Ingenieurtechnik es ermöglicht, dieses Schema zu vereinfachen, indem Fermentationen entwickelt wurden, die auf besser kontrollierten synthetischen mikrobiellen Konsortien. Zum Beispiel die genetische Modifikation von G. oxydansum seinen Sorbitolkonsum zu begrenzen, verringert sie die Konkurrenz mit K. vulgareund stärkt so ihr Mutualismus. Weitere Arbeiten haben außerdem gezeigt, dass es möglich ist, Vitamin C direkt aus Glucose unter Einsatz gentechnisch veränderter Bakterien herzustellen, wie Escherichia colidie pflanzliche Biosynthesegene exprimieren, obwohl die Ausbeuten heute noch unzureichend für eine industrielle Nutzung sind.

Schließlich kann Vitamin C durch Extraktion aus natürlichen Quellen wie Obst, Gemüse, bestimmten Blättern oder auch Algen gewonnen werden. Historisch basierte dieses Verfahren vor allem auf klassischen wässrigen oder sauren Extraktionsmethoden, die zwar wirksam, jedoch mitunter langwierig, energieintensiv und wenig selektiv waren. In den letzten Jahren hat die Entwicklung sogenannter „grüner“ Extraktionstechniken das Interesse an diesem Ansatz jedoch wiederbelebt, indem versucht wird, Ausbeute, Umweltverträglichkeit und den Erhalt dieses Moleküls zu vereinen, das gegenüber Oxidation und Hitze besonders empfindlich ist.

Zu diesen innovativen Methoden zählen die ultraschallgestützte Extraktion, die mikrowellenunterstützte Extraktion, die Extraktion mit gepresstem Flüssigmedium sowie die Extraktion mit überkritischem Fluid. Sie basieren auf der Nutzung milder Bedingungen und ökologisch verträglicher Lösungsmittel, wie Wasser oder leicht angesäuerten Lösungen. Mehrere Studien veranschaulichen die Wirksamkeit dieser Ansätze. So zeigte die saure Extraktion von Vitamin C aus Camu-Camu, einer Frucht, die von Natur aus reich an Ascorbinsäure ist, sehr hohe Ausbeuten, während die Extraktion mit gepresstem Flüssigmedium eine sauberere und besser kontrollierbare Alternative bietet. Ebenso ermöglichte die Optimierung der mikrowellenunterstützten Extraktion, insbesondere durch Verwendung citrathaltiger Lösungen, hohe Extraktionsraten bei Gemüsearten wie Pak Choi und beschränkte dabei gleichzeitig die Oxidation von Vitamin C.

Auch wenn die natürliche Extraktion auf großtechnischer Ebene komplexer zu standardisieren ist als die chemische Synthese, stellt sie einen vielversprechenden Ansatz dar, den es zukünftig für Anwendungen in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie näher zu erforschen gilt.

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