FERMENTAREA BUTIRICĂ: PROCES, ORGANISME ȘI PRODUSE - BIOLOGIE - 2025

Fermentația butiric are loc atunci când glucoza din acidul butiric se obține ca produs final major. Este efectuat de anumite bacterii în condiții de absență completă de oxigen și a fost descoperit de Louis Pasteur, conform notei sale dintr-un raport din 1861 privind experimentele efectuate în 1875.

Fermentarea este un proces biologic prin care o substanță este transformată într-una mai simplă. Este un proces catabolic, de degradare a nutrienților pentru a obține un compus organic ca produs final.

Louis Pasteur

Acest proces nu necesită oxigen, este anaerob și este caracteristic pentru unele microorganisme precum bacteriile și drojdia. Fermentarea are loc și în celulele animalelor, mai ales atunci când aportul celular de oxigen este insuficient. Este un proces energetic scăzut.

Din molecula de glucoză, folosind calea Embden-Meyerhof-Parnas (cea mai frecventă cale glicoliză), se produce piruvat. Fermentările pornesc de la piruvat, care este fermentat în diferite produse. În funcție de produsele finale, există diferite tipuri de fermentație.

Procesul de ferrmentare butirică

Fermentarea butirică este definită ca degradarea glucozei (C6H12O6) pentru a produce acid butiric (C4H8O2) și gaz, în condiții anaerobe și cu un randament energetic scăzut. Este caracteristic pentru producerea de mirosuri neplăcute și putride.

Fermentarea butirică este realizată de bacterii Gram-pozitive, producătoare de spori din genul Clostridium, de obicei Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, pe lângă Clostridium kluyveri și Clostridium pasteurianum.

Cu toate acestea, alte bacterii clasificate în genurile Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera și Sarcina au fost, de asemenea, raportate ca producători de butirat.

În procesul de fermentare, glucoza este catabolizată până la piruvat, producând doi moli de ATP și NADH. Piruvatul este apoi fermentat în diferite produse, în funcție de tulpina bacteriană.

În primul caz, piruvatul devine lactat și acesta devine acetil-CoA odată cu eliberarea de CO2. Ulterior, două molecule acetil-CoA formează acetoacetil-CoA, care este apoi redusă la butiril-CoA, prin anumite etape intermediare. În cele din urmă, Clostridium fermentează butiril-CoA în acid butiric.

Fosfotransbutirilasa și butiratul kinază sunt enzimele cheie pentru producerea butiratului. În procesul de formare a butiratului, se formează 3 moli de ATP.

În condiții de creștere exponențială, celulele produc mai mult acetat decât butiratul, deoarece se formează încă un mol de ATP (4 în total).

La sfârșitul creșterii exponențiale și intrând în faza staționară, bacteriile scad producția de acetat și cresc producția de butirat, reducând concentrația totală de ioni de hidrogen, echilibrând pH-ul acid al mediului.

Organisme care efectuează fermentația butirică

Cel mai promițător microorganism utilizat pentru bioproducerea acidului butiric este C. tyrobutyricum. Această specie este capabilă să producă acid butiric cu selectivitate ridicată și poate tolera concentrații mari ale acestui compus.

Cu toate acestea, poate fermenta numai din foarte puțini carbohidrați, inclusiv glucoză, xiloză, fructoză și lactat.

C. butyricum poate fermenta multe surse de carbon, inclusiv hexoze, piloze, glicerol, lignoceluloză, melasă, amidon de cartofi și permeat din zerul de brânză.

Totuși, randamentele butirice sunt mult mai mici. În C. thermobutyricum, gama de carbohidrați fermentabili este intermediară, dar nu metabolizează zaharoza sau amidonul.

Clostridia care produce biobutirat produce, de asemenea, mai multe produse secundare posibile, inclusiv acetat, H2, CO2, lactat și alte produse, în funcție de speciile Clostridium.

Fermentarea unei molecule de glucoză de C. tyrobutyricum și C. butyricum poate fi exprimată după cum urmează:

Glucoză → 0,85 Butir + 0,1 Acetat + 0,2 Lactat + 1,9 H2 + 1,8 CO2

Glucoză → 0,8 Butir + 0,4 Acetat + 2,4 H2 + 2 CO2

Calea metabolică a unui microorganism în timpul fermentației anaerobe este afectată de mai mulți factori. În cazul bacteriilor din genul Clostridium, care produc butirat, factorii care afectează în principal creșterea și performanța fermentației sunt: ​​concentrația de glucoză în mediu, pH-ul, presiunea parțială a hidrogenului, acetatul și butirat.

Acești factori pot influența ritmul de creștere, concentrația produselor finale și distribuția produselor.

produse

Produsul principal al fermentației butirice este un acid carboxilic, acid butiric, un acid gras cu patru carbon cu lanț scurt (CH3CH2CH2COOH), cunoscut și sub denumirea de acid n-butanoic.

Are un miros neplăcut și un gust înțepător, însă lasă un gust oarecum dulce în gură, similar cu ceea ce se întâmplă cu eterul. Prezența sa este caracteristică untului rancid, fiind responsabilă pentru mirosul și gustul neplăcut, de unde și numele său, care este derivat din cuvântul grecesc pentru „unt”.

Totuși, anumiți esteri ai acidului butiric au un gust sau un miros plăcut, motiv pentru care sunt folosiți ca aditivi în alimente, băuturi, produse cosmetice și industria farmaceutică.

Utilizări și aplicații ale acidului butiric

biocombustibilii

Acidul butiric are multe utilizări în diferite industrii. În prezent, există un mare interes în utilizarea acestuia ca precursor al biocombustibililor.

Industria alimentară și farmaceutică

De asemenea, are aplicații importante în industria alimentară și aromă, datorită gustului și texturii sale asemănătoare cu untul.

În industria farmaceutică este utilizat ca o componentă în diferite medicamente anticanceroase și în alte tratamente terapeutice, iar esterii de butirat sunt folosiți la producerea parfumurilor, datorită parfumului fructat.

Cercetarea cancerului

S-a raportat că butiratul are diverse efecte asupra proliferarii celulare, apoptozei (moarte celulară programată) și diferențierii.

Cu toate acestea, diferite studii au dat rezultate contrare în ceea ce privește efectul butiratului asupra cancerului de colon, dând naștere la așa-numitul "paradox al butiratului".

Sinteza chimică

Producția microbiană de acid butiric este o alternativă atractivă de preferat pentru sinteza chimică. Succesul implementării industriale a substanțelor chimice biologice depinde în mare măsură de costul producției / performanței economice a procesului.

Prin urmare, producția industrială de acid butiric prin procese de fermentare necesită materie primă ieftină, performanță de proces de eficiență ridicată, puritate ridicată a produsului și robustete puternică a tulpinilor producătoare.

Referințe

1. Acid butiric. Noua enciclopedie mondială. . Disponibil la: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Bacterii anaerobe: procese care realizează și contribuie la sustenabilitatea vieții de pe planetă. Nova, 13 (24), 55-81. . Disponibil pe: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012). Viitorul acidului butiric în industrie. Jurnalul științific mondial,. Disponibil la adresa: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. O revizuire a producției de acid bio-butiric și a optimizării acestuia. Int. J. Agric. Biol 16, 1019-1024.
5. Porter, JR (1961). Louis Pasteur. Realizări și dezamăgiri, 1861. Recenzii bacteriologice, 25 (4), 389–403. . Disponibil la adresa: mmbr.asm.org.