Methods for Obtaining and Using Succinic Acid in the Food Industry: A Scoping Review

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Introduction: Succinic acid is the final metabolite of many microorganisms. It has antioxidant, tonic properties, and also takes part in the metabolic processes of a living organism. Its use in food formulations will help expand the range of functional food products aimed at improving metabolism.Purpose: description of methods for obtaining and features of the use of succinic acid in the food industry for the production of functional foods and biologically active food additives.Materials and Methods: Information search was carried out in the databases Scopus, Web of Science, PubMed, RISC for the period from 01/01/1994 to 03/01/2024. Marketing research reports on the use of succinic acid in the food industry for the period 2016-2023 were also analyzed. The review included review and empirical articles that met the selection criteria in English and Russian. This review of the subject field is based on the PRISMA-ScR protocol.Results: Currently, succinic acid is produced by chemical or biotechnological methods. The most common method is the chemical method (paraffin oxidation, catalytic hydrogenation, maleic acid or maleic anhydride). There is also a biotechnological method based on the cultivation of microorganisms that produce succinic acid. Various organic substrates, including food industry waste, can be used to cultivate microorganisms. It has been shown that succinic acid is included in the list of safe food additives and is used in food production as an acidity regulator. However, due to the fact that it has proven biological effectiveness, succinic acid can be included in the formulations of various food products, thereby providing them with additional functional properties.Conclusion: To introduce the biotechnological method into the real sector of the economy, it is necessary to solve a number of limiting factors. It has been established that succinic acid can be used not only as a traditional food additive (acidity regulator), but also as a dietary supplement. The volumes of production and demand for succinic acid are slowly but increasing, which indicates the need to introduce new technologies for the production of succinic acid in order to meet the demand for this product.

Авторлар туралы

Olga Babich

Immanuel Kant Baltic Federal University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: olich.43@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4921-8997
SPIN-код: 2744-9496

Olga Kalashnikova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: kalashnikova_14@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-6105-8631
SPIN-код: 4944-3990

Elena Ulrich

Kaliningrad State Technical University

Email: elen.ulrich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4107-7277
SPIN-код: 1900-8057

Stanislav Sukhikh

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: stas-asp@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7910-8388
SPIN-код: 1601-6061

Әдебиет тізімі

  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. 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

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».