FERMENTACJA MASŁOWA: PROCES, ORGANIZMY I PRODUKTY - BIOLOGIA - 2026

Masłowy fermentacji występuje, gdy stężenie glukozy z kwasu masłowego otrzymuje się jako główny produkt końcowy. Jest przeprowadzana przez niektóre bakterie w warunkach całkowitego braku tlenu i została odkryta przez Louisa Pasteura, zgodnie z jego notatką w raporcie z 1861 roku o eksperymentach przeprowadzonych w 1875 roku.

Fermentacja to proces biologiczny, w wyniku którego substancja zostaje przekształcona w prostszą. Jest to proces kataboliczny, polegający na degradacji składników odżywczych w celu uzyskania związku organicznego jako produktu końcowego.

Louis Pasteur

Proces ten nie wymaga tlenu, jest beztlenowy i jest charakterystyczny dla niektórych mikroorganizmów, takich jak bakterie i drożdże. Fermentacja zachodzi również w komórkach zwierząt, zwłaszcza gdy komórkowe zaopatrzenie w tlen jest niewystarczające. Jest to energetycznie mało wydajny proces.

Z cząsteczki glukozy, przy użyciu szlaku Embden-Meyerhof-Parnas (najpowszechniejszego szlaku glikolizy), powstaje pirogronian. Fermentacja rozpoczyna się od pirogronianu, który jest poddawany fermentacji do różnych produktów. W zależności od produktów końcowych istnieją różne rodzaje fermentacji.

Proces fermentacji masłowej

Fermentacja masłowa jest definiowana jako degradacja glukozy (C6H12O6) w celu wytworzenia kwasu masłowego (C4H8O2) i gazu w warunkach beztlenowych i przy niskiej wydajności energetycznej. Charakteryzuje się wytwarzaniem nieprzyjemnych i zgniłych zapachów.

Fermentacja masłowa prowadzona jest przez bakterie Gram-dodatnie wytwarzające przetrwalniki z rodzaju Clostridium, zwykle Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, oprócz Clostridium kluyveri i Clostridium pasteurianum.

Jednak inne bakterie zaliczane do rodzajów Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera i Sarcina również zostały zgłoszone jako producenci maślanu.

W procesie fermentacji glukoza jest katabolizowana do pirogronianu, z wytworzeniem dwóch moli ATP i NADH. Pirogronian jest następnie fermentowany na różne produkty, w zależności od szczepu bakterii.

W pierwszym przypadku pirogronian staje się mleczanem, który wraz z uwolnieniem CO2 staje się acetylo-CoA. Następnie dwie cząsteczki acetylo-CoA tworzą acetoacetylo-CoA, który jest następnie redukowany do butyrylo-CoA w pewnych etapach pośrednich. Wreszcie Clostridium fermentuje butyrylo-CoA do kwasu masłowego.

Enzymy fosfotransbutyrylaza i kinaza maślanowa są kluczowymi enzymami do produkcji maślanu. W procesie tworzenia maślanu powstają 3 mole ATP.

W warunkach wzrostu wykładniczego komórki wytwarzają więcej octanu niż maślanu, ponieważ powstaje jeszcze jeden mol ATP (łącznie 4).

Pod koniec wzrostu wykładniczego i wchodząc w fazę stacjonarną, bakterie zmniejszają produkcję octanu i zwiększają produkcję maślanu, zmniejszając całkowite stężenie jonów wodorowych, równoważąc kwaśne pH pożywki.

Organizmy przeprowadzające fermentację masłową

Najbardziej obiecującym mikroorganizmem wykorzystywanym do bioprodukcji kwasu masłowego jest C. tyrobutyricum. Gatunek ten jest zdolny do wytwarzania kwasu masłowego z wysoką selektywnością i toleruje wysokie stężenia tego związku.

Jednak może fermentować tylko z bardzo niewielu węglowodanów, w tym glukozy, ksylozy, fruktozy i mleczanu.

C. butyricum może fermentować wiele źródeł węgla, w tym heksozy, pentozy, glicerol, lignocelulozę, melasę, skrobię ziemniaczaną i permeat serwatki serowej.

Jednak wydajności maślanu są znacznie niższe. W C. thermobutyricum zakres węglowodanów podlegających fermentacji jest pośredni, ale nie metabolizuje sacharozy ani skrobi.

Clostridia wytwarzające biomaślany wytwarzają również kilka możliwych produktów ubocznych, w tym octan, H2, CO2, mleczan i inne produkty, w zależności od gatunku Clostridium.

Fermentację cząsteczki glukozy przez C. tyrobutyricum i C. butyricum można wyrazić w następujący sposób:

Glukoza → 0,85 Maślan + 0,1 Octan + 0,2 Mleczan + 1,9 H2 + 1,8 CO2

Glukoza → 0,8 Maślan + 0,4 Octan + 2,4 H2 + 2 CO2

Na szlak metaboliczny mikroorganizmu podczas fermentacji beztlenowej wpływa kilka czynników. W przypadku bakterii z rodzaju Clostridium, które wytwarzają maślan, głównymi czynnikami wpływającymi na wzrost i wydajność fermentacji są: stężenie glukozy w pożywce, pH, ciśnienie parcjalne wodoru, octan i maślan.

Czynniki te mogą wpływać na tempo wzrostu, stężenie produktów końcowych i dystrybucję produktów.

produkty

Głównym produktem fermentacji masłowej jest kwas karboksylowy, kwas masłowy, krótkołańcuchowy czterowęglowy kwas tłuszczowy (CH3CH2CH2COOH), znany również jako kwas n-butanowy.

Ma nieprzyjemny zapach i ostry smak, jednak pozostawia w ustach nieco słodki posmak, podobny do tego, co dzieje się z eterem. Jego obecność jest charakterystyczna dla zjełczałego masła, jest odpowiedzialna za nieprzyjemny zapach i smak, stąd jego nazwa, która wywodzi się od greckiego słowa „masło”.

Jednak niektóre estry kwasu masłowego mają przyjemny smak lub zapach, dlatego są stosowane jako dodatki w żywności, napojach, kosmetykach i przemyśle farmaceutycznym.

Zastosowania i zastosowania kwasu masłowego

Biopaliwa

Kwas masłowy ma wiele zastosowań w różnych branżach. Obecnie istnieje duże zainteresowanie wykorzystaniem go jako prekursora biopaliw.

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny

Ma również ważne zastosowania w przemyśle spożywczym i aromatycznym ze względu na smak i konsystencję masła.

W przemyśle farmaceutycznym jest stosowany jako składnik różnych leków przeciwnowotworowych i innych kuracji terapeutycznych, a estry maślanów są wykorzystywane do produkcji perfum ze względu na ich owocowy zapach.

Badania nad rakiem

Istnieją doniesienia, że ​​maślan ma różny wpływ na proliferację komórek, apoptozę (programowaną śmierć komórki) i różnicowanie.

Jednak różne badania dały przeciwne wyniki pod względem wpływu maślanu na raka okrężnicy, co doprowadziło do tak zwanego „paradoksu maślanu”.

Synteza chemiczna

Mikrobiologiczne wytwarzanie kwasu masłowego jest korzystną atrakcyjną alternatywą dla syntezy chemicznej. Sukces przemysłowego wdrażania biochemikaliów jest w dużym stopniu zależny od kosztów produkcji / ekonomicznej wydajności procesu.

Dlatego przemysłowa produkcja kwasu masłowego w procesach fermentacji wymaga niedrogiego surowca, wysokiej wydajności procesu, wysokiej czystości produktu i dużej wytrzymałości szczepów wytwarzających.

Bibliografia

1. Kwas masłowy. New World Encyclopedia. . Dostępne pod adresem: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Bakterie beztlenowe: procesy, które prowadzą i przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju życia na planecie. Nova, 13 (24), 55–81. . Dostępne pod adresem: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012). Przyszłość kwasu masłowego w przemyśle. The Scientific World Journal ,. Dostępne pod adresem: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Przegląd produkcji kwasu biomasłowego i jego optymalizacji. Int. J. Agric. Biol.16, 1019-1024.
5. Porter, JR (1961). Louis Pasteur. Osiągnięcia i rozczarowania, 1861. Bacteriological Reviews, 25 (4), 389–403. . Dostępne pod adresem: mmbr.asm.org.