В 1907 году профессор Императорского Токийского университета Кикунаэ Икэда приступил к научному исследованию, целью которого являлась идентификация компонента «умами» в водорослях. В течение года профессору удалось выделить, очистить и идентифицировать основной компонент умами, и он довольно быстро получил патент на него.
Глютамат натрияВ 1909 году предприниматель Сэбуросуки Сузуки вместе с Икэдой начал промышленное производство l-глутамата мононатрия (в странах ЕС именуется как MSG, по международной классификации – пищевая добавка E621). Первый процесс промышленного производства заключался в методе извлечения MSG, при котором растительные белки смешивали с соляной кислотой, чтобы разрушить пептидные связи. Из этого исходного материала выделялся гидрохлорид L-глутаминовой кислоты, который затем очищался до уровня MSG, то есть до известных всем белых кристаллов глутамата натрия.
Первоначально производство MSG было ограничено из-за технических недостатков описанного метода, его трудоёмкости и большого количества побочных продуктов; более продуктивные способы появились лишь 1950-х годах. Один из них являлся прямым химическим синтезом, который использовался с 1962 до 1973 года. При данном способе исходным материалом являлся акрилонитрил, из которого в ходе определённых химических процессов выкристаллизовалась dl-глутаминовая кислота. Однако самым распространённым стал изобретённый в 1956 году метод прямого брожения. Преимущества метода брожения (сокращение издержек производства плюс меньшие затраты на экологичность) оказались настолько весомыми, что заставить всех поголовно производителей глутамата переключиться на брожение не составило труда. Сегодня общий объём производства MSG методом брожения оценивается 2 миллионами тонн в год (2 миллиарда килограмм в год). В то же время, будущий рост производства глутамата натрия, вероятно, потребует поиска новых технологий.
ОТКРЫТИЕ ГЛУТАМАТА И НАЧАЛО ПРОИЗВОДСТВА
В 1907 году профессор Икэда Кикунаэ приступил к научно-исследовательским работам с целью идентифицировать находящееся в водорослях (Laminariaceae) вещество, придающее блюдам уникальный «бульонный» (или «мясной») вкус, повсеместно присутствовавший в блюдах японских заведений общественного питания, где давней традицией является употребление супов на водорослях. Его исследование было основано на гипотезе, что водоросли содержат одно или более веществ, формирующих вкус, который не может быть классифицирован как горький, кислый, соленый или сладкий (известные основные вкусы в то время). Он назвал этот предполагаемый пятый основной вкус «умами». В более широком плане Икэда надеялся, что в случае успеха результатам исследования можно было найти коммерческое применение в виде приправы, которая могла бы способствовать совершенствованию блюд японской кухни. В 1908 году он идентифицировал вкус умами в одной из составляющих водорослей – l-глутамате. Затем Икэда Кикунаэ подал заявку на патент производства новой приправы, состоящей главным образом из соли l-глутаминовой-кислоты. Через некоторое время Сэбуросуки Сузуки, известный предприниматель области химической и фармацевтической промышленности, в сотрудничестве с Икэдой занялся производством и продажей изобретённой приправы. В 1909 она была названа «адзиномото» («сущность вкуса») и была зарегистрирована как торговая марка.
СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ: САМЫЙ ПЕРВЫЙ СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Производство глутамата натрияСтановление промышленного производства глутамата началось в декабре 1908 года. Это было первой попыткой произвести аминокислоты в промышленных объёмах, посему отсутствие какого-либо опыта сделало процесс весьма трудоёмким. Сам процесс состоял из 3 частей: извлечение, выделение, очистка.
Этап извлечения
Профессор Икэда предложил использовать в качестве сырья клейковину пшеницы, поскольку она имеет самое высокое содержание l-глутамина среди доступного в промышленном отношении сырья. После гидролиза белка l-глутамин превращался в l-глутаминовую кислоту; следует отметить, что полное глутаматное содержание (глутамат + глутамин) гидролизированной клейковины пшеницы составляет более 30 г на 100 г белка. Клейковина сначала отделялась от пшеничной муки посредством вымывания крахмала из теста. Полученная сырая клейковина помещалась в глиняные ёмкости (названные оригинальным термином «горшки для игры домёдзи»), смешивалась с соляной кислотой и подвергалась интенсивной тепловой обработке в течение 20 часов. К слову говоря, в процессе экспериментов было использовано великое множество емкостей, но именно старомодные «горшки домёдзи» оказались самыми стойкими к воздействию соляной кислоты в сочетании с высокой температурой. Полученный гидролизат белка затем подвергался фильтрованию, чтобы устранить чёрный осадок, позже названный перегноем, который получался вследствие реакции аминокислот с углеводами. Далее он снова помещался в глиняные горшки на 24 часа для концентрации. Ещё далее концентрат переливался в глиняный горшок, но уже на целый месяц, чтобы позволить соли гидрохлорида l-глутаминовой кислоты приобрести вид кристалла.
Кристаллизация гидрохлорида l-глутаминовой-кислоты оказалась крайне эффективной для извлечения l-глутамата из гидролизата, поскольку она является единственной солью аминокислоты в гидролизате с очень низкой растворимостью по отношению к концентрированной соляной кислоте. Кроме того, сам полученный кристалл обладает очень высокой сопротивляемостью к растворению другими аминокислотами: молекулы l-глутаминовой кислоты образуют вдоль кристалла ось, связываясь α – аминопластами N-H-Cl и γ-карбоксионными цепочкоми связей водорода O-H-Cl. Структурно говоря, для других аминокислот трудно встроить в себя в эти кристаллы роста, который заставляет кристаллизацию обработать также процесс (частичной) очистки. Необычная кристаллическая структура также ограничивает степень, до которой другие составы в гидролизате клейковины (окраска агентов, других органических кислот) объединяются в растущие кристаллы, или так или иначе противодействуют процессу кристаллизации. Этим простым процессом кристаллизации l-глутамат мог таким образом восстанавливаться из гидролизата с большим процентом выработки и с улучшенной чистотой. Однако нужно отметить, что данный процесс был весьма опасен: можете представить себе, какое воздействие оказывали пары серной кислоты на рабочих, металлические конструкции и местную атмосферу.
Этап выделения
Кристаллы гидрохлорида l-глутаминовой-кислоты отделялись от жидкости при помощи фильтров и повторно растворялись в воде. Этот раствор снова профильтровывался, чтобы устранить перегной. PH-показатель (водородный показатель) затем регулировался до значения изоэлектрической точки l-глутаминовой-кислоты (pH 3.2) при помощи натрия или гидроокиси калия, и данный раствор оставлялся на одну неделю, чтобы позволить l-глутаминовой-кислоте кристаллизоваться. Этот шаг крайне увеличил чистоту кристаллов по следующей причине. В кристаллах l-глутаминовой-кислоты есть два многоморфа: метастабильный, гранулированный α-формы и устойчивый, тонкий, пластинчатый β-формы. α-форма растет быстрее β-формы в растворах, содержащих другие аминокислоты. И, растя в определенной цепочке соединений водорода, доминантный признак α-формы специально забирает молекулы l-глутаминовой-кислоты из l-α-аминокислоты и γ-остатков карбоксила. Поскольку водный раствор соли гидрохлорида l-глутаминовой-кислоты, созданной в ранней стадии производства (описанном выше) всё ещё содержало другие аминокислоты, α-форма глутаминовой кислоты являлась доминирующим кристаллом, сформированным в pH-показателе 3.2. Таким образом, улучшение чистоты вещества получалось благодаря тому, что выращенные кристаллы с α-формой не содержали других аминокислот.
Этап очистки
Кристаллы выделенной l-глутаминовой кислоты повторно растворялись в воде и помещались в покрытый кожухом эмалированный сосуд. Туда добавлялся бикарбонат натрия, чтобы привести pH-показатель до нейтрального уровня (для этого применялась лакмусовая бумага). Раствор глутамата мононатрия затем обесцвечивался путём добавления активированного угля и фильтрования. Профильтрованный раствор посредством нагрева концентрировался и охлаждался в эмалированом сосуде, вызывая ускоренное формирование кристаллов l-глутамата мононатрия. Сгустки кристаллов глутамата натрия измельчались в порошок и отделялись от остатков раствора на центрифуге. Полученный порошок высушивался, просеивался и упаковался уже как конечный продукт.
В марте 1909 года была успешно произведена первая партия глутамата натрия (MSG), предназначенная для продажи. Это был порошок светло-коричневого цвета с чистотой примерно 85% (тогда как при росте в абсолютно чистом растворе глутамат представляет из себя ромбовидные прозрачные кристаллы, но из-за присутствия β-формы рост кристаллов чрезвычайно зависит от присутствия других аминокислот). При наличии других аминокислот (например, l-аланина), кристаллы глутамата вырастали небольшими, иногда чуть ли не в виде порошка. Но в последующие годы, благодаря развитию технологии очистки, удалось произвести глутамат в виде прозрачных кристаллов.