KVASENIE BUTYRU: PROCES, ORGANIZMY A PRODUKTY - BIOLÓGIE - 2026

K fermentácii kyseliny maslovej dochádza, keď sa ako hlavný konečný produkt získa glukóza z kyseliny maslovej. Je vykonávaná určitými baktériami za podmienok úplnej neprítomnosti kyslíka a bol objavený Louisom Pasteurom, podľa jeho poznámky v správe z roku 1861 o pokusoch vykonaných v roku 1875.

Fermentácia je biologický proces, pomocou ktorého sa látka mení na jednoduchšiu. Je to katabolický proces, degradácia živín, aby sa získala organická zlúčenina ako konečný produkt.

Louis Pasteur

Tento proces nevyžaduje kyslík, je anaeróbny a je charakteristický pre niektoré mikroorganizmy, ako sú baktérie a kvasinky. K fermentácii dochádza tiež v bunkách zvierat, najmä ak je nedostatočný prísun kyslíka do buniek. Je to energeticky nenáročný proces.

Z molekuly glukózy sa pomocou cesty Embden-Meyerhof-Parnas (najbežnejšia cesta glykolýzy) vytvorí pyruvát. Fermentácie začínajú pyruvátom, ktorý sa fermentuje na rôzne produkty. V závislosti od konečných produktov existujú rôzne typy fermentácie.

Proces butylovej fermentácie

Fermentácia maslom je definovaná ako degradácia glukózy (C6H12O6) za vzniku kyseliny maslovej (C4H8O2) a plynu za anaeróbnych podmienok a s nízkym energetickým výťažkom. Je charakteristická produkciou nepríjemných a hnusných zápachov.

Kvasenie butyru sa okrem gramov Clostridium kluyveri a Clostridium pasteurianum uskutočňuje grampozitívnymi baktériami produkujúcimi spóry rodu Clostridium, obvykle Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum.

Ako producenti butyrátu však boli hlásené aj iné baktérie klasifikované v rodoch Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera a Sarcina.

Pri fermentačnom procese sa glukóza katabolizuje na pyruvát, čím vznikajú dva móly ATP a NADH. Pyruvát sa následne fermentuje do rôznych produktov v závislosti od bakteriálneho kmeňa.

V prvom prípade sa pyruvát stáva laktátom a pri uvoľňovaní CO2 sa stáva acetyl-CoA. Následne dve molekuly acetyl-CoA tvoria acetoacetyl-CoA, ktorý sa potom redukuje na butyryl-CoA prostredníctvom určitých medzistupňov. Nakoniec Clostridium fermentuje butyryl-CoA na kyselinu maslovú.

Enzýmy fosfotransbutyryláza a butyrát kináza sú kľúčovými enzýmami na výrobu butyrátu. V procese tvorby butyrátu sa tvoria 3 móly ATP.

Za exponenciálnych rastových podmienok bunky produkujú viac acetátu ako butyrátu, keď sa vytvorí jeden mól ATP (celkom 4).

Na konci exponenciálneho rastu a vstupu do stacionárnej fázy baktérie znižujú produkciu acetátu a zvyšujú produkciu butyrátu, znižujú celkovú koncentráciu vodíkových iónov a vyrovnávajú kyslé pH média.

Organizácie, ktoré vykonávajú fermentáciu butyru

Najsľubnejším mikroorganizmom použitým na bioprodukciu kyseliny maslovej je C. tyrobutyricum. Tento druh je schopný produkovať kyselinu maslovú s vysokou selektivitou a môže tolerovať vysoké koncentrácie tejto zlúčeniny.

Môže však fermentovať iba z veľmi malého množstva uhľohydrátov vrátane glukózy, xylózy, fruktózy a laktátu.

C. butyricum môže fermentovať mnoho zdrojov uhlíka vrátane hexóz, pentóz, glycerolu, lignocelulózy, melasy, zemiakového škrobu a syrovátkového permeátu.

Výťažky butyrátu sú však oveľa nižšie. V C. thermobutyricum je rozsah fermentovateľných uhľohydrátov medziprodukty, ale nemetabolizuje sacharózu ani škrob.

Klostrídie produkujúce biobutyrát tiež produkujú niekoľko možných vedľajších produktov vrátane acetátu, H2, CO2, laktátu a ďalších produktov, v závislosti od druhu Clostridium.

Fermentácia molekuly glukózy C. tyrobutyricum a C. butyricum sa dá vyjadriť takto:

Glukóza → 0,85 butyrát + 0,1 acetát + 0,2 laktát + 1,9 H2 + 1,8 CO2

Glukóza → 0,8 butyrát + 0,4 acetát + 2,4 H2 + 2 CO2

Metabolická dráha mikroorganizmu počas anaeróbnej fermentácie je ovplyvnená niekoľkými faktormi. V prípade baktérií rodu Clostridium, producentov butyrátu, sú faktory, ktoré ovplyvňujú najmä rast a fermentačnú výkonnosť: koncentrácia glukózy v médiu, pH, parciálny tlak vodíka, acetát a maslovej.

Tieto faktory môžu ovplyvniť rýchlosť rastu, koncentráciu konečných výrobkov a distribúciu výrobkov.

Produkty

Hlavným produktom fermentácie kyseliny maslovej je kyselina karboxylová, kyselina maslová, kyselina so 4 atómami uhlíka s krátkym reťazcom (CH3CH2CH2COOH), tiež známa ako kyselina n-butánová.

Má nepríjemnú vôňu a štipľavú chuť, ale v ústach zanecháva trochu sladkú chuť, podobnú tomu, čo sa deje s éterom. Jeho prítomnosť je charakteristická pre žlté maslo, ktoré je zodpovedné za jeho nepríjemný zápach a chuť, a teda aj jeho názov, ktorý je odvodený z gréckeho slova „maslo“.

Niektoré estery kyseliny maslovej však majú príjemnú chuť alebo vôňu, a preto sa používajú ako prísady do potravín, nápojov, kozmetiky a farmaceutického priemyslu.

Použitie a použitie kyseliny maslovej

biopalivá

Kyselina butánová má mnoho použití v rôznych priemyselných odvetviach. V súčasnosti existuje veľký záujem o jeho použitie ako prekurzora biopalív.

Potravinársky a farmaceutický priemysel

Vďaka svojej maslovej chuti a štruktúre má tiež významné uplatnenie v potravinárskom a aromatickom priemysle.

Vo farmaceutickom priemysle sa používa ako súčasť rôznych protirakovinových liečiv a iných terapeutických ošetrení a estery butyrátu sa používajú na výrobu parfumov kvôli ich ovocnej vôni.

Cancer Research

Uvádza sa, že butyrát má rôzne účinky na proliferáciu buniek, apoptózu (programovaná bunková smrť) a diferenciáciu.

Rôzne štúdie však viedli k opačným výsledkom, pokiaľ ide o účinok butyrátu na rakovinu hrubého čreva, čo viedlo k takzvanému „butyrátovému paradoxu“.

Chemická syntéza

Mikrobiálna výroba kyseliny maslovej je výhodnou príťažlivou alternatívou k chemickej syntéze. Úspech priemyselnej implementácie chemických látok na báze biopalív vo veľkej miere závisí od výrobných nákladov / ekonomickej výkonnosti procesu.

Preto priemyselná výroba kyseliny maslovej fermentačnými procesmi vyžaduje lacnú surovinu, vysoko efektívny procesný výkon, vysokú čistotu produktu a silnú odolnosť produkujúcich kmeňov.

Referencie

1. Kyselina maslová. Nová svetová encyklopédia. , K dispozícii na: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Anaeróbne baktérie: procesy, ktoré vykonávajú a prispievajú k udržateľnosti života na planéte. Nova, 13 (24), 55-81. , K dispozícii na: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012). Budúcnosť kyseliny maslovej v priemysle. The Scientific World Journal ,. K dispozícii na: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Prehľad výroby biomaslovej kyseliny a jej optimalizácia. Int. J. Agric. Biol., 16, 1019 - 1024.
5. Porter, JR (1961). Louis Pasteur. Úspechy a sklamania, 1861. Bacteriological Reviews, 25 (4), 389–403. , K dispozícii na: mmbr.asm.org.