Protocatechuïnezuur: eigenschappen, productie en toepassingen

Alkalische fusie van vanilline is de meest praktische methode voor het synthetiseren van protocatechuïnezuur. Deze reactie oxideert vanilline tot vanillinezuur, met de afgifte van waterstof. Demethylering van vanillinezuur tot protocatechuïnezuur vindt plaats met een beperkte snelheid bij 210–235 °C, maar volledige demethylering vindt alleen plaats bij temperaturen boven 240–245 °C.

Om protocatechuïnezuur uit vanilline te synthetiseren, worden natriumhydroxide, kaliumhydroxide en water gemengd in een roestvrijstalen reactor. IJzer of nikkel kan ook worden gebruikt. Het mengsel wordt verwarmd en geroerd tot het 160 °C bereikt.

Vanilline wordt geleidelijk toegevoegd, waarbij de temperatuur op 190–195 °C wordt gehouden. Continue roeren en verwarmen wordt gehandhaafd tot de temperatuur 240–245 °C bereikt. Na 5 minuten reactie wordt het verwarmen gestopt en wordt het mengsel geroerd terwijl het afkoelt.

Zodra het mengsel is afgekoeld tot 150–160 °C, wordt er water toegevoegd en geroerd totdat het fusiemengsel volledig is opgelost. Nadat er gedurende 2 minuten zwaveldioxidegas door het mengsel is geleid en het mengsel volledig is aangezuurd met zoutzuur, wordt het aangezuurde mengsel gekoeld en wordt het kristallijne neerslag gefilterd en gewassen met koud water.

De bruine kristallen van protocatechuïnezuur smelten bij 196–198 °C en de opbrengst van ruw protocatechuïnezuur is 89%.

De verhouding van natriumhydroxide tot kaliumhydroxide is niet kritisch, zolang de totale hoeveelheid alkali groter is dan 7 mol. Mengsels met 10–60% natriumhydroxide worden vloeibaar bij 120–130 °C. Hogere percentages natriumhydroxide kunnen een donkerder protocatechuïnezuur produceren, maar de opbrengsten worden niet significant beïnvloed totdat de natriumhydroxideconcentratie 70% bereikt.

Zwaveldioxide voorkomt de vorming van een donkergekleurd product wanneer het reactiemengsel wordt aangezuurd met een sterk zuur.

De ruwe kristallen hebben een lichtbruine kleur en zijn geschikt voor de meeste doeleinden. Het kan verder worden gezuiverd door herkristallisatie uit heet water, met behulp van de verhouding 3:1 water per zuur en 1:10 actieve kool per zuur. Het herkristalliseerde zuur is crèmekleurig en smelt bij 199–200°C.

3.2. Productie van protocatechuïnezuur door bacteriële fermentatie

Protocatechuïnezuur kan worden geproduceerd door verschillende bacteriestammen. Zo zijn Corynebacterium glutamicum-stammen gekweekt in een medium aangevuld met glucose om het te produceren. Op dezelfde manier zijn Escherichia coli-stammen zoals DH5α, BL21 (DE3) en ATCC 321882 vermeerderd in LB-medium om 3,4-dihydroxybenzoëzuur te produceren.

Om protocatechuïnezuur te produceren, worden Brevibacterium- of Corynebacterium-stammen die protocatechuïnezuur niet als enige koolstofbron kunnen gebruiken, gemuteerd. De stammen werden gekweekt op compleet medium en vervolgens gerepliceerd op minimaal agarmedium met glucose en protocatechuïnezuur als enige koolstofbron.

Een kolonie die kon groeien op glucose maar niet op protocatechuïnezuur werd geïsoleerd om Brevibacterium lactofermentum AJ12106 en Corynebacterium acetoacidophilum AJ12108 te verkrijgen. Aerobe teelt van deze stammen kan een grote hoeveelheid protocatechuïnezuur produceren.

3.3. Extractie van protocatechuïnezuur uit natuurlijke bronnen

Naast bacteriële productie kan protocatechuïnezuur ook worden geïsoleerd uit verschillende natuurlijke bronnen. Het kan worden gevonden in de stambast van Boswellia dalzielii en in de bladeren van Diospyros melanoxylon. Het is ook een belangrijke metaboliet van antioxiderende polyfenolen die worden aangetroffen in groene thee. Protocatechuïnezuur kan ook worden geëxtraheerd uit verschillende planten, waaronder groene thee, bamboebladeren en verschillende soorten fruit en groenten.

De productie van 3,4-dihydroxybenzoëzuur is een complex proces waarbij grotere moleculen worden afgebroken tot kleinere. Dit proces wordt gefaciliteerd door enzymen, die als katalysatoren fungeren om de reactie te versnellen. Het resulterende 3,4-dihydroxybenzoëzuur kan vervolgens worden geëxtraheerd en gezuiverd voor gebruik in verschillende toepassingen.

4. Toepassingen van 3,4-Dihydroxybenzoëzuur

3,4-Dihydroxybenzoëzuur (PCA) kent een breed scala aan toepassingen vanwege de verschillende biologische effecten.

• Voedings- en drankenindustrie: PCA kan worden gebruikt als een natuurlijke antioxidant en conserveermiddel in voedsel en dranken. Het wordt bijvoorbeeld toegevoegd aan sommige theesoorten en sappen om de houdbaarheid te verlengen.
• Farmaceutische industrie: protocatechuïnezuur wordt onderzocht als een potentieel therapeutisch middel voor verschillende ziekten, waaronder kanker, de ziekte van Alzheimer en inflammatoire darmziekte. Preklinische studies hebben aangetoond dat het antitumoreffecten heeft, beschermt tegen neurotoxiciteit en ontstekingen vermindert. Het wordt ook onderzocht als een potentiële behandeling voor COVID-19.
• Cosmetica-industrie: protocatechuïnezuur wordt in sommige cosmeticaproducten gebruikt vanwege zijn antioxiderende en anti-aging eigenschappen. Het wordt bijvoorbeeld toegevoegd aan sommige zonnebrandmiddelen en moisturizers.
• Landbouwindustrie: protocatechuïnezuur wordt onderzocht als een potentieel pesticide en fungicide. Uit onderzoek is gebleken dat het de groei van bepaalde plantpathogenen kan remmen.

Opkomend onderzoek

Naast de hierboven genoemde mogelijke toepassingen wordt protocatechuïnezuur ook onderzocht op zijn mogelijke rol bij de behandeling van andere ziekten en aandoeningen, waaronder:

Obesitas: protocatechuïnezuur blijkt in dierstudies lichaamsgewicht en vetmassa te verminderen.

Diabetes: protocatechuïnezuur blijkt in dierstudies de bloedsuikerspiegel te verbeteren en insulineresistentie te verminderen.

Hart- en vaatziekten: protocatechuïnezuur blijkt in dierstudies het cholesterolgehalte te verlagen en de bloedvatfunctie te verbeteren.

Neurodegeneratieve ziekten: PCA blijkt in dierstudies te beschermen tegen neurotoxiciteit en de cognitieve functie te verbeteren.

Protocatechuïnezuur is een veelbelovende verbinding met een breed scala aan potentiële voordelen. Klinische proeven op mensen zijn nodig om de veiligheid en werkzaamheid van PCA voor de behandeling van verschillende ziekten en aandoeningen te bevestigen.

5. Toxicologie van 3,4-dihydroxybenzoëzuur

Protocatechuïnezuur wordt over het algemeen als veilig voor consumptie beschouwd. De LD50 van protocatechuïnezuur bij ratten is 5000 mg/kg. Hoge doses 3,4-dihydroxybenzoëzuur kunnen echter maag-darmklachten en andere bijwerkingen veroorzaken.

3,4-dihydroxybenzoëzuur kan ernstige oogirritatie veroorzaken. Het kan ook de luchtwegen irriteren en huidirritatie veroorzaken. Daarom moeten er voorzorgsmaatregelen worden genomen bij het hanteren ervan om direct contact met de ogen, huid en luchtwegen te vermijden.

Referenties

• Hydroxycarboxylic Acids, Aromatic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a13_519
• PROTOCATECHUIC ACID. – http://www.orgsyn.org/demo.aspx?prep=CV3P0745
• Production of protocatechuic acid by fermentatio. – https://patents.google.com/patent/JPS6098989A/en
• Production of protocatechuic acid by Corynebacterium glutamicum expressing chorismate-pyruvate lyase from Escherichia coli.
• https://en.wikipedia.org/wiki/Protocatechuic_acid