Ácido propiónico
Ácido propiónico (, de las palabras griegas πρῶτος: prōtos, que significa "primero", y πίων: píōn, que significa "grasa"; también conocido como ácido propanoico) es un ácido carboxílico natural con fórmula química CH
3CH
2CO
2H. Es un líquido con un olor acre y desagradable algo parecido al olor corporal. El anión CH
3CH
2CO−
2 así como las sales y ésteres del ácido propiónico se conocen como propionatos o propanoatos.
Historia
El ácido propiónico fue descrito por primera vez en 1844 por Johann Gottlieb, quien lo encontró entre los productos de degradación del azúcar. Durante los años siguientes, otros químicos produjeron ácido propiónico por diferentes medios, sin darse cuenta de que estaban produciendo la misma sustancia. En 1847, el químico francés Jean-Baptiste Dumas estableció que todos los ácidos eran el mismo compuesto, al que llamó ácido propiónico, de las palabras griegas πρῶτος (prōtos), que significa primero, y πίων (piōn), que significa gordo, porque es el H(CH
2)
nCOOH ácido que exhibe las propiedades de los otros ácidos grasos, como producir una capa aceitosa cuando se sala fuera del agua y tener una sal de potasio jabonosa.
Propiedades
El ácido propiónico tiene propiedades físicas intermedias entre las de los ácidos carboxílicos más pequeños, los ácidos fórmico y acético, y los ácidos grasos más grandes. Es miscible con agua, pero se puede eliminar del agua agregando sal. Al igual que con los ácidos acético y fórmico, consiste en pares de moléculas unidas por hidrógeno tanto en el líquido como en el vapor.
El ácido propiónico muestra las propiedades generales de los ácidos carboxílicos: puede formar derivados de amida, éster, anhídrido y cloruro. Se somete a la reacción Hell-Volhard-Zelinsky que implica la α-halogenación de un ácido carboxílico con bromo, catalizada por tribromuro de fósforo, en este caso para formar ácido 2-bromopropanoico, CH
3 CHBrCOOH. Este producto se ha utilizado para preparar una mezcla racémica de alanina por amonólisis.
Manufacturer
Química
(feminine)En la industria, el ácido propiónico se produce principalmente por hidrocarboxilación de etileno usando carbonilo de níquel como catalizador:
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También se produce por la oxidación aeróbica del propionaldehído. En presencia de sales de cobalto o manganeso (el propionato de manganeso es el más utilizado), esta reacción procede rápidamente a temperaturas tan suaves como 40-50 °C:
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Alguna vez se produjeron grandes cantidades de ácido propiónico como subproducto de la fabricación de ácido acético. En la actualidad, el mayor productor mundial de ácido propiónico es BASF, con una capacidad de producción de aproximadamente 150 kt/a.
Biotecnológica
La producción biotecnológica de ácido propiónico utiliza principalmente cepas de Propionibacterium. Sin embargo, la producción a gran escala de ácido propiónico por parte de las propionibacterias enfrenta desafíos como la inhibición severa de los productos finales durante el crecimiento celular y la formación de subproductos (ácido acético y ácido succínico). Un enfoque para mejorar la productividad y el rendimiento durante la fermentación es mediante el uso de técnicas de inmovilización celular, que también promueven una fácil recuperación, la reutilización de la biomasa celular y mejoran la tolerancia al estrés de los microorganismos. En 2018 se utilizó por primera vez la tecnología de impresión 3D para crear una matriz para la inmovilización celular en fermentación. La producción de ácido propiónico por Propionibacterium acidipropionici inmovilizada en perlas de nailon impresas en 3D se eligió como estudio modelo. Se demostró que esas perlas impresas en 3D podían promover la unión celular de alta densidad y la producción de ácido propiónico, que podría adaptarse a otros bioprocesos de fermentación. Se han probado otras matrices de inmovilización celular, como Poraver de vidrio reciclado y biorreactor de lecho fibroso.
Se han probado métodos alternativos de producción mediante ingeniería genética de cepas de Escherichia coli para incorporar la vía necesaria, el ciclo Wood-Werkman.
Usos industriales
El ácido propiónico inhibe el crecimiento de moho y algunas bacterias a niveles entre 0,1 y 1 % por peso. Como resultado, parte del ácido propiónico producido se consume como conservante tanto para alimentos para animales como para consumo humano. Para la alimentación animal, se utiliza directamente o como su sal de amonio. Esta aplicación representa aproximadamente la mitad de la producción mundial de ácido propiónico. El antibiótico monensina se agrega a la alimentación del ganado para favorecer a las propionibacterias sobre los productores de ácido acético en el rumen; esto produce menos dióxido de carbono y la conversión alimenticia es mejor. Otra aplicación importante es como conservante en productos horneados, que utilizan sales de sodio y calcio. Como aditivo alimentario, está aprobado para su uso en la UE, EE. UU., Australia y Nueva Zelanda.
El ácido propiónico también es útil como intermediario en la producción de otros productos químicos, especialmente polímeros. El propionato de acetato de celulosa es un termoplástico útil. También se utiliza propionato de vinilo. En aplicaciones más especializadas, también se usa para fabricar pesticidas y productos farmacéuticos. Los ésteres de ácido propiónico tienen olores similares a frutas y, a veces, se usan como solventes o saborizantes artificiales.
En las plantas de biogás, el ácido propiónico es un producto intermedio común, que se forma por fermentación con bacterias del ácido propiónico. Su degradación en ambientes anaeróbicos (por ejemplo, plantas de biogás) requiere la actividad de comunidades microbianas complejas.
En la producción del queso Jarlsberg se utiliza una bacteria de ácido propiónico para dar sabor y agujeros.
Biología
El ácido propiónico se produce biológicamente como su éster de coenzima A, propionil-CoA, a partir de la descomposición metabólica de ácidos grasos que contienen números impares de átomos de carbono, y también de la descomposición de algunos aminoácidos. Las bacterias del género Propionibacterium producen ácido propiónico como producto final de su metabolismo anaeróbico. Esta clase de bacteria se encuentra comúnmente en los estómagos de los rumiantes y las glándulas sudoríparas de los humanos, y su actividad es parcialmente responsable del olor del queso Emmental, el "queso suizo" americano. y sudor
El metabolismo del ácido propiónico comienza con su conversión a propionil coenzima A, el primer paso habitual en el metabolismo de los ácidos carboxílicos. Dado que el ácido propiónico tiene tres carbonos, la propionil-CoA no puede entrar directamente en la oxidación beta ni en los ciclos del ácido cítrico. En la mayoría de los vertebrados, la propionil-CoA se carboxila a D-metilmalonil-CoA, que se isomeriza a L-metilmalonil-CoA. Una enzima dependiente de la vitamina B12 cataliza el reordenamiento de L-metilmalonil-CoA a succinil-CoA, que es un intermediario del ciclo del ácido cítrico y puede incorporarse allí fácilmente.
El ácido propiónico sirve como sustrato para la gluconeogénesis hepática a través de la conversión a succinil-CoA. Además, la administración de ácido propiónico exógeno da como resultado una mayor producción de glucosa endógena de la que puede explicarse mediante la conversión gluconeogénica sola. El ácido propiónico exógeno puede aumentar la producción endógena de glucosa a través de aumentos en la norepinefrina y el glucagón, lo que sugiere que la ingestión crónica de ácido propiónico puede tener consecuencias metabólicas adversas.
En la acidemia propiónica, un trastorno genético hereditario raro, el propionato actúa como una toxina metabólica en las células del hígado al acumularse en las mitocondrias como propionil-CoA y su derivado, el citrato de metilo, dos inhibidores del ciclo del ácido tricarboxílico. El propanoato se metaboliza oxidativamente por la glía, lo que sugiere vulnerabilidad astrocítica en la acidemia propiónica cuando se puede acumular propionil-CoA intramitocondrial. La acidemia propiónica puede alterar la expresión génica tanto neuronal como glial al afectar la acetilación de histonas. Cuando el ácido propiónico se infunde directamente en roedores' cerebros, produce un comportamiento reversible (p. ej., hiperactividad, distonía, deterioro social, perseveración) y cambios cerebrales (p. ej., neuroinflamación innata, agotamiento del glutatión) que pueden usarse como un medio para modelar el autismo en ratas.
Ocurrencia humana
La piel humana alberga varias especies de propionibacterias. La más destacable es la Cutibacterium acnes (anteriormente conocida como Propionibacterium acnes), que vive principalmente en las glándulas sebáceas de la piel y es una de las principales causas del acné. Se observa que el propionato se encuentra entre los ácidos grasos de cadena corta más comunes producidos en el intestino grueso de los humanos por la microbiota intestinal en respuesta a los carbohidratos no digeribles (fibra dietética) en la dieta. Se ha revisado el papel de la microbiota intestinal y sus metabolitos, incluido el propionato, en la mediación de la función cerebral.
Un estudio en ratones sugiere que las bacterias del género Bacteroides producen propionato en el intestino, y que ofrece cierta protección contra la Salmonella allí. Otro estudio encuentra que el propionato de ácido graso puede calmar las células inmunitarias que aumentan la presión arterial, protegiendo así al cuerpo de los efectos dañinos de la presión arterial alta.
Bacteriología
La especie de bacteria Coprothermobacter platensis produce propionato al fermentar la gelatina.
Sales y ésteres de propionato
El ion propionato o propanoato es C
2H
5COO−
, la base conjugada del ácido propiónico. Es la forma que se encuentra en los sistemas biológicos a pH fisiológico. Un compuesto propiónico o propanoico es una sal de carboxilato o un éster de ácido propiónico. En estos compuestos, el propionato a menudo se escribe de forma abreviada, como CH
3CH
2CO
2 o simplemente EtCO
2.
Los propionatos no deben confundirse con los propenoatos (comúnmente conocidos como acrilatos), los iones/sales/ésteres del ácido propenoico (también conocido como ácido 2-propenoico o ácido acrílico).
Ejemplos
Sales
- Sodium propionate NaC
2H
5CO
2 - propionato de potasio KC
2H
5CO
2 - propionato de calcio Ca(C)
2H
5CO
2)
2 - Zirconium propionate Zr(C)
2H
5CO
2)
4
Ésteres
- Methyl propionate C
2H
5(CO)OCH
3 - Ethyl propionate C
2H
5(CO)OC
2H
5 - Propyl propionate C
2H
5(CO)OC
3H
7 - Pentyl propionate C
2H
5(CO)OC
5H
11 - Fluticasona propionate C
25H
31F
3O
5S
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