Propiedades y antecedentes El ácido kójico se puede producir fácilmente por métodos microbiológicos. En el momento actual se fabrica comercialmente en escala limitada por fermentación fúngica.
El ácido kójico (5-hidroxi-2-hidroximetil-γ-pirona) está representado por la siguiente fórmula estructural:
Propiedades El ácido kójico es fácilmente soluble en acetona y acetato de etilo; soluble en proporción de 2.8g por 100ml en agua a 20 °C, y 6.8g por 100ml a 60 °C; algo menos soluble en etanol que en agua y poco soluble en cloroformo, éter y piridina.
Historia Saito (1907) fue el primero en aislar el ácido como producto residual de la fermentación de arroz cocido por Aspergillus oryzae. Al añadir cloruro férrico a una solución acuosa del ácido se produce un intenso color rojo. Un bioquímico japonés, Yabuta, investigó este ácido, lo denominó ácido kójico (1912)y en 1924 estableció su constitución.
Traetta-Mosca (1914) demostró que el ácido kójico era producido por A. glaucus a partir de sacarosa, glucosa, fructuosa y glicerina. Nadine Wijkman (1924) lo obtuvo por fermentación de sacarosa empleando una variedad (innominada) de Aspergillus niger. Tres años más tarde, Kinoshita (1927) indicó que por empleo de cobaltoaminas como fuentes de nitrógeno para A. oryzae se aumentaba el rendimiento de ácido kójico a partir de sacarosa. Al añadir cloruro purpúreo-cobáltico en una concentración del 0.5% a un mosto con 10% de sacarosa se obtiene un rendimiento de 33% (en peso) de ácido kójico en 25 días.
En 1927, Tamiya indicó que diferentes aspergilios pueden producir ácido kójico a partir de sacarosa. Entre los mohos mencionados se hallaban A. oryzae; A. flaws, var.; A. gymnosardae; A. awamori; A. fumigatus, y A. giganteus.
En 1929, Challenger, Klein y Walter publicaron los resultados de sus investigaciones, que demostraron que A. oryzae puede producir ácido kójico partir de xilosa. En este mismo año, Katagiri y Kitahara notificaron la formación de este ácido a partir de pentosa, ácido glucónico y otras sustancias.
Microorganismos productores del ácido kójico Varios mohos del género Aspergillus producen ácido kójico a partir de soluciones nutricias adecuadas. Además de los enumerados anteriormente, producen ácido kójico los siguientes: A. albus, A. effusus, A. nidulans, A. parasiticus, A. tamarii y Penicillum daleae. Entre las bacterias podemos citar varias especies de Acetobacter.
Sustancias nutricias Suministradores de carbono. Un gran número de sustancias que contiene carbono han sido fermentadas por diferentes microorganismos con producción de ácido kójico. Entre ellas citaremos: almidones; dextrinas; disacáridos, como sacarosa y maltosa; las hexonas glucosa, fructuosa, manosa y galactosa; las pentosas xilosa y abarinosa; y sorbitol, dulcitol, i-adonitol, inulina, inositol, glicerina, β-glicerofosfato, dihidroxiacetona, ácido glucónico, ácido tartárico y otras sustancias. Los mayores rendimientos se han obtenido a partir de glucosa y xilosa.
Concentración de la sustancia glucídica. La concentración de las sustancias empleadas varía del 5 al 30%. May y colaboradores (1931) emplearon en sus trabajos concentraciones de azúcar que variaban del 15 al 33%. Obtuvieron los mayores rendimientos con A. flaws empleando una concentración de glucosa del 20%. Barham y Smits (1936hallaron que una concentración de xilosa del 15% era la más probable para la fermentación. Katagiri y Kitahara emplearon concentraciones del 5% de un gran número de sustancias con resultados satisfactorios. La misma concentración ha sido adoptada por otros investigadores.
Sales nutritivas A continuación se indican los tipos de sales nutritivas empleadas para la producción del ácido kójico.
+May y colaboradores (1931) usaron las siguientes salesSalesg/L de solución de glucosa!MgSO4*7H2O<center>0.500<center>KCl<center>0.100<center>H3PO4<center>0.054<center>NH4NO3<center>1.125<center>
El medio de Kinoshita (1927), conocido también por medio K, tiene la composición siguiente:
+El medio de Kinoshita Salesg/L de solución de glucosa!KH2PO4<center>0.5<center>KCl<center>1.0<center>NH4NO3<center>0.4<center>
Katagiri y Kitahara emplearon medios que contenían 0.01% de MgSO4 * 7H2O, 0.1% de KH2PO4, 0.05% (NH4)2SO4 Y 0.01% de CaCl junto al 5% de sustancia glúcida.
Puede producirse ácido kójico en el medio de Czapek-Dox.
El nitrato amónico es muy satisfactorio como fuente de nitrógeno. Aparentemente se obtienen mejores resultados cuando la concentración salina es pequeña, pero lo suficientemente grande para permitir el desarrollo del moho.
Otras características de la fermentación pH El pH óptimo para la producción del ácido kójico debe determinarse por experimentación en cada caso si no se conoce con anterioridad. Varios investigadores han empleado el intervalo de 2 a 5 más.
Katagiri y Kitahara emplearon un pH inicial de 5 para favorecer el desarrollo de A. oryzae; pero hallaron que el de 2.4 estimulaba la formación de ácido kójico. Tamiya halló que el pH óptimo para la fermentación de la sacarosa era de 5.5. Barham y Smits obtuvieron los mayores rendimientos en la fermentación de xilosa por A. flaws empleando un intervalo de pH de 2 a 3.5. En su opinión el Ph óptimo para la fermentación es el más bajo que pueda tolerar el microorganismo.
La adición de carbonato cálcico a una fermentación kójica produce una disminución en el rendimiento de ácido, que se atribuye a un cambio en al Ph del mosto.
Efecto de las adiciones En un estudio de 40 compuestos orgánicos, May y colaboradores encontraron que la etilenclorhidrina en concentración de 100 mg/L producía un marcado de aumento en la producción de ácido kójico en el intervalo de 10 días.
Los ácidos oxálico, fórmico, clorhídrico, y nítrico inhiben la formación del ácido.
Temperatura El intervalo óptimo para la fermentación es de 29 a 35 °C. Según May y colaboradores la temperatura óptima para Aspergillus flaws, es de 33 a 35 °C. Katagiri y Kitahara emplearon las de 29 a 31 °C; Barham y Smits, de unos 35 °C, y Gould, de 20 °C. A veces puede hacerse bajas la temperatura hasta 25 °C o más (después que la fermentación ha transcurrido durante 5 días a una temperatura más elevada), obteniéndose un aumento en los rendimientos.
Duración de la fermentación La fermentación requiere de 9 a 20 días para completarse, período que depende del tipo de sustrato, especie del moho, con lo que disminuye el rendimiento.
Rendimientos En la acción de A. flaws sobre soluciones de glucosa se obtiene rendimientos de 50 a 60%.
La siguiente tabla indica la naturaleza de los rendimientos obtenidos a partir de varios compuestos por Katagiri y Kitahara.
CANTIDAD DE ÁCIDO KÓJICO PRODUCIDA POR A. ORYZAE (En 100 ml de cultivo de 20 días que contenía 5 g de sustancia.)
+May y colaboradores (1931) usaron las siguientes salesSUSTANCIAg/100mLRendimiento referente al azúcarObservado X SAKAGUCHIObservado X TAMIYAGlucógeno<center>0<center><center>0<center><center>+<center><center>+<center>Insulina<center>0.65<center><center>14.8<center><center>+<center><center> 0<center>Sacarosa<center>1.45<center><center>1.8<center><center>>><center><center>>><center>Maltosa<center>1.7<center><center>34.8<center><center>>><center><center>>><center>Lactosa<center>±<center><center>40.8<center><center>>><center><center>+<center>Trealosa<center>0.095<center><center>2.3<center><center>+<center><center>+<center>Glucosa<center>0.75<center><center>18.1<center><center>+<center><center>+<center>Fructuosa<center>0.40<center><center>10.2.8<center><center>>><center><center>+<center>Manosa<center>0.23<center><center>5.8<center><center>+<center><center>+<center>Galactosa<center>0.04<center><center>1<center><center>>><center><center>+<center>cα–Metaglucósido<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>±<center>Ramnosa<center>0<center><center>0<center><center>±<center><center>>><center>Arabinosa<center>0.08<center><center>2.0<center><center>±<center><center>0<center>Xilosa<center>0.40<center><center>10.2<center><center>>><center><center>>><center>Dihidroxiacetona<center>0.52<center><center>10.2<center><center>>><center><center>>><center>Gliceraldehído<center>±<center><center>±<center><center>+<center><center>0<center>Metilglioxal<center>0<center><center>4.2<center><center>±<center><center>0<center>Inosita<center>0.40<center><center>+<center><center>±<center><center>>><center>Manita<center>±<center><center>0<center><center>0<center><center>>><center>Sorbita<center>0.40<center><center>0<center><center>>><center><center>>><center>Dulcita<center>0.40<center><center>0<center><center>>><center><center>±<center>Eritrita<center>±<center><center>±<center><center>>><center><center>0<center>Glicerina<center>0.16<center><center>4.2<center><center>>><center><center>>><center>Glicerinofosfato Sódico<center>+<center><center>+<center><center>>><center><center>0<center>Etile-Glicol<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Alcohol Etílico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Alcohol Metílico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Ácido Metílico<center>0.34<center><center>9.4<center><center>>><center><center>±<center>Ácido Glucónico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Ácido Sacárico<center>±<center><center>±<center><center>>><center><center>>><center>Ácido Lactobiónico<center>2<center><center>0<center><center>>><center><center>>><center>Ácido Arabónico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>>><center>Ácido Glicerico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Ácido Acético<center>0<center><center>0<center><center>±<center><center>0<center>Ácido Succínico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Ácido Tartárico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Ácido Oxálico<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>Ácido Acético<center>0<center><center>0<center><center>>><center><center>0<center>
Reacciones Una de las valiosas características del ácido kójico es su reactividad. Las reacciones suelen afectar a los grupos hidroxílicos, de los cuales el nuclear es el primero que reacciona. A partir de ácido kójico se pueden formar quelatos insolubles en agua, piridinas, piridonas, ésteres, éteres, productos de condensación, derivados de halogenados y otros productos.
Usos El ácido kójico tiene un gran número de usos potenciales. Se puede emplear como reactivo analítico, particularmente para el hierro; como insecticida; como antibiótico; como producto intermedio para la obtención de quelatos metálicos, y para otros muchos fines.
Mecanismo de la fermentación de ácido kójico Se han dado varios esquemas para explicar la producción de ácido kójico por fermentación, de los cuales vamos a considerar algunos brevemente.
Según Yabuta, el ácido procede directamente de la glucosa por un proceso sencillo de oxidación y deshidratación:
Kinoshita (1927) y Haworth (1928) dieron una explicación similar a la producción del ácido kójico, basándose en el hecho de que la glucosa da lugar a grandes cantidades del ácido en relación con otros compuestos de carbono. En esta teoría no explica la formación del ácido a partir de los compuestos que tengan menos de 6 átomos de carbono (como las pentosas, glicerina y dihidroxiacetona) ni de los de 7 átomos de carbono.
Corbellini y Gregorini (1930) sugirieron que a partir de los compuestos tricarbonados pueden condensarse para formar una molécula que pasa a ácido kójico por deshidratación:
Ácido Kójico
Químicamente, las pironas se forman sin dificultad por deshidratación de las policetonas acíclicas.