BUTYLOVÁ FERMENTACE: PROCES, ORGANISMY A PRODUKTY - BIOLOGIE - 2025

K fermentaci butyru dochází, když se jako hlavní konečný produkt získá glukóza z kyseliny máselné. Provádí ji určité bakterie za podmínek úplné nepřítomnosti kyslíku a byl objeven Louisem Pasteurem, podle jeho poznámky ve zprávě z roku 1861 o experimentech provedených v roce 1875.

Fermentace je biologický proces, pomocí kterého je látka přeměněna na jednodušší. Je to katabolický proces, degradace živin za získání organické sloučeniny jako konečného produktu.

Louis Pasteur

Tento proces nevyžaduje kyslík, je anaerobní a je charakteristický pro některé mikroorganismy, jako jsou bakterie a kvasinky. K fermentaci dochází také v buňkách zvířat, zejména pokud je nedostatečný buněčný přísun kyslíku. Jedná se o energeticky nízký výnos.

Z molekuly glukózy se pomocí cesty Embden-Meyerhof-Parnas (nejběžnější cesta glykolýzy) vytvoří pyruvát. Fermentace začínají od pyruvátu, který je fermentován do různých produktů. V závislosti na konečných produktech existují různé typy kvašení.

Butyrická fermentace

Butylová fermentace je definována jako degradace glukózy (C6H12O6) za vzniku kyseliny máselné (C4H8O2) a plynu za anaerobních podmínek a s nízkým energetickým výtěžkem. Je charakteristický pro tvorbu nepříjemných a hnusných pachů.

Kvašení butyru se provádí grampozitivními spórami produkujícími bakteriemi rodu Clostridium, obvykle Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, kromě Clostridium kluyveri a Clostridium pasteurianum.

Jako producenti butyrátu však byly hlášeny i jiné bakterie zařazené do rodů Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera a Sarcina.

Ve fermentačním procesu je glukóza katabolizována na pyruvát, čímž vznikají dva moly ATP a NADH. Pyruvát je následně fermentován do různých produktů, v závislosti na bakteriálním kmeni.

V prvním případě se pyruvát stává laktátem, a tím se stává acetyl-CoA s uvolňováním CO2. Následně dvě molekuly acetyl-CoA vytvářejí acetoacetyl-CoA, který je pak redukován na butyryl-CoA, prostřednictvím určitých meziproduktů. Nakonec Clostridium fermentuje butyryl-CoA na kyselinu máselnou.

Enzymy fosfotransbutyryláza a butyrát kináza jsou klíčovými enzymy pro produkci butyrátu. Při tvorbě butyrátu se tvoří 3 moly ATP.

Za exponenciálních růstových podmínek produkují buňky více acetátu než butyrátu, protože se tvoří jeden mol ATP (celkem 4).

Na konci exponenciálního růstu a vstupu do stacionární fáze bakterie snižují produkci acetátu a zvyšují produkci butyrátu, snižují celkovou koncentraci vodíkových iontů a vyrovnávají kyselé pH média.

Organismy, které provádějí fermentaci butyru

Nejslibnějším mikroorganismem používaným pro bioprodukci kyseliny máselné je C. tyrobutyricum. Tento druh je schopen produkovat kyselinu máselnou s vysokou selektivitou a může tolerovat vysoké koncentrace této sloučeniny.

Může však fermentovat pouze z velmi malého množství uhlohydrátů, včetně glukózy, xylózy, fruktózy a laktátu.

C. butyricum může fermentovat mnoho zdrojů uhlíku, včetně hexóz, pentóz, glycerolu, lignocelulózy, melasy, bramborového škrobu a syrovátkového permeátu.

Výtěžky butyrátu jsou však mnohem nižší. U C. thermobutyricum je rozsah fermentovatelných uhlovodíků přechodný, ale nemetabolizuje sacharózu ani škrob.

Klostridie produkující biobutyrát také produkují několik možných vedlejších produktů, včetně acetátu, H2, CO2, laktátu a dalších produktů, v závislosti na druhu Clostridium.

Fermentace molekuly glukózy C. tyrobutyricum a C. butyricum lze vyjádřit 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 cesta mikroorganismu během anaerobní fermentace je ovlivněna několika faktory. V případě bakterií rodu Clostridium, které produkují butyrát, jsou faktory ovlivňující hlavně růst a fermentační výkon: koncentrace glukózy v médiu, pH, parciální tlak vodíku, acetát a butyrát.

Tyto faktory mohou ovlivnit rychlost růstu, koncentraci konečných produktů a distribuci produktů.

produkty

Hlavním produktem fermentace butyru je kyselina karboxylová, kyselina máselná, čtyřvláknová mastná kyselina s krátkým řetězcem (CH3CH2CH2COOH), také známá jako kyselina n-butanová.

Má nepříjemný zápach a štiplavou chuť, ale v ústech zanechává poněkud sladkou chuť, podobnou tomu, co se děje s etherem. Jeho přítomnost je charakteristická pro žluklé máslo, které je odpovědné za jeho nepříjemný zápach a chuť, odtud také jeho název, který je odvozen z řeckého slova „máslo“.

Určité estery kyseliny máselné však mají příjemnou chuť nebo vůni, a proto se používají jako přísady do potravin, nápojů, kosmetiky a farmaceutického průmyslu.

Použití a aplikace kyseliny máselné

Biopaliva

Kyselina butylová má mnoho využití v různých průmyslových odvětvích. V současné době existuje velký zájem o jeho použití jako předchůdce biopaliv.

Potravinářský a farmaceutický průmysl

Díky své máslové chuti a struktuře má také důležité aplikace v potravinářském a aromatickém průmyslu.

Ve farmaceutickém průmyslu se používá jako složka v různých protirakovinových lécích a jiných terapeutických ošetřeních a butyrátové estery se používají při výrobě parfémů díky své ovocné vůni.

Výzkum rakoviny

Bylo popsáno, že butyrát má různé účinky na buněčnou proliferaci, apoptózu (programovanou buněčnou smrt) a diferenciaci.

Různé studie však dávají opačné výsledky, pokud jde o účinek butyrátu na rakovinu tlustého střeva, což vede k tzv. „Butyrátovému paradoxu“.

Chemická syntéza

Mikrobiální produkce kyseliny máselné je výhodnou atraktivní alternativou k chemické syntéze. Úspěch průmyslové implementace biochemických chemikálií je vysoce závislý na výrobních nákladech / ekonomické výkonnosti procesu.

Proto průmyslová výroba kyseliny máselné fermentačními procesy vyžaduje levnou surovinu, vysokou účinnost procesu, vysokou čistotu produktu a vysokou odolnost produkujících kmenů.

Reference

1. Kyselina butylová. Nová světová encyklopedie.. K dispozici na adrese: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Anaerobní bakterie: procesy, které provádějí a přispívají k udržitelnosti života na planetě. Nova, 13 (24), 55-81.. K dispozici na adrese: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012). Budoucnost kyseliny máslové v průmyslu. The Scientific World Journal,. K dispozici na adrese: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Přehled produkce biomaslové kyseliny a její optimalizace. Int. J. Agric. Biol. 16, 1019-1024.
5. Porter, JR (1961). Louis Pasteur. Úspěchy a zklamání, 1861. Bakteriologické recenze, 25 (4), 389–403.. K dispozici na adrese: mmbr.asm.org.