Proces fermentacji masłowej, organizmy i produkty

The fermentacja masłowa występuje, gdy wychodząc z glukozy, kwas masłowy otrzymuje się jako główny produkt końcowy. Jest wytwarzany przez niektóre bakterie w warunkach całkowitego braku tlenu i został odkryty przez Louisa Pasteura, zgodnie z jego notatką z raportu z 1861 r. Na temat eksperymentów przeprowadzonych w 1875 r..

Fermentacja jest procesem biologicznym, w którym substancja jest przekształcana w prostszą. Jest to proces kataboliczny degradacji składników odżywczych w celu uzyskania związku organicznego jako produktu końcowego.

Ten proces 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 dostarczanie tlenu jest niewystarczające. Jest to energetycznie mało wydajny proces.

Z cząsteczki glukozy, stosując drogę Embden-Meyerhof-Parnas (najbardziej powszechny szlak glikozylacji), powstaje pirogronian. Fermentacje zaczynają się od pirogronianu, który jest fermentowany do różnych produktów. Według produktów końcowych istnieją różne rodzaje fermentacji.

Indeks

• 1 Proces fermentacji masłowej
• 2 Organizmy, które przeprowadzają fermentację masłową
• 3 produkty
• 4 Zastosowania i zastosowania kwasu masłowego
  • 4.1 Biopaliwa
  • 4.2 Przemysł spożywczy i farmaceutyczny
  • 4.3 Badania nad rakiem
  • 4.4 Synteza produktów chemicznych
• 5 referencji

Proces fermentacji masłowej

Fermentację masłową definiuje się jako degradację glukozy (C6H12O6) w celu wytworzenia kwasu masłowego (C4H8O2) i gazu, w warunkach beztlenowych iz niską wydajnością energetyczną. Jest charakterystyczna dla wytwarzania nieprzyjemnych i gnijących zapachów.

Fermentację masłową przeprowadzają bakterie Gram-dodatnie, wytwarzające przetrwalniki z rodzaju Clostridium, zazwyczaj przez Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, oprócz Clostridium kluyveri i Clostridium pasteurianum.

Jednakże inne bakterie sklasyfikowane w rodzajach Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera i Sarcina również zostały zgłoszone jako wytwarzające maślan..

W procesie fermentacji glukoza ulega katabolizacji do pirogronianu, wytwarzając dwa mole ATP i NADH. Pirogronian jest następnie fermentowany do różnych produktów, w zależności od szczepu bakteryjnego.

W pierwszej kolejności pirogronian przechodzi do mleczanu i przechodzi do acetylo-CoA z uwolnieniem CO2. Następnie dwie cząsteczki acetylo-CoA tworzą acetoacetylo-CoA, które następnie redukuje się do butyrylu-CoA, poprzez pewne etapy pośrednie. Na koniec Clostridium fermentuje butyrylo-CoA w kwasie masłowym.

Enzymy fosfotransbutyralazy i kinazy maślanowej są kluczowymi enzymami do produkcji maślanu. W procesie tworzenia maślanu tworzą się 3 mole ATP.

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

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

Organizmy, które przeprowadzają fermentację masłową

Najbardziej obiecującym mikroorganizmem stosowanym do bioprodukcji kwasu masłowego jest C. tyrobutyricum. Ten gatunek jest zdolny do wytwarzania kwasu masłowego o wysokiej selektywności i może tolerować wysokie stężenia tego związku.

Jednakże 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.

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

Producenci butyślanu Clostridia 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 jak pokazano poniżej:

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, producentów maślanu, czynnikami, które głównie wpływają na wzrost i wydajność fermentacji, są: stężenie glukozy w podłożu, pH, ciśnienie cząstkowe wodoru, octan i maślan.

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

Produkty

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

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

Jednak niektóre estry kwasu masłowego mają przyjemny smak lub zapach, dlatego są stosowane jako dodatki do żywności, napojów, kosmetyków i przemysłu farmaceutycznego.

Zastosowania i zastosowania kwasu masłowego

Biopaliwa

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

Przemysł spożywczy i farmaceutyczny

Ma również ważne zastosowania w przemyśle spożywczym i smakowym ze względu na smak i konsystencję podobną do masła.

W przemyśle farmaceutycznym jest on stosowany jako składnik wielu leków przeciwnowotworowych i innych zabiegów terapeutycznych, a przy produkcji perfum stosuje się estry maślanowe ze względu na ich owocowy zapach.

Badania nad rakiem

Doniesiono, że maślan ma zróżnicowany wpływ na proliferację komórek, apoptozę (programowaną śmierć komórki) i różnicowanie.

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

Synteza produktów chemicznych

Mikrobiologiczna produkcja kwasu masłowego jest atrakcyjną alternatywą korzystniejszą niż synteza chemiczna. Sukces przemysłowej implementacji chemikaliów na bazie biologicznej zależy w dużym stopniu od kosztów produkcji / wyników ekonomicznych procesu.

Dlatego przemysłowa produkcja kwasu masłowego przez fermentację wymaga ekonomicznego surowca, wysokiej wydajności procesu, wysokiej czystości produktu i silnej wytrzymałości produkowanych szczepów.

Referencje

1. Kwas masłowy. Encyklopedia Nowego Świata. [Online] Dostępne na: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, L.C., Antolinez, D.M., Bohórquez, J.A, Corredor, A.M. (2015). Bakterie beztlenowe: procesy, które przyczyniają się do trwałości życia na planecie. Nova, 13 (24), 55-81. [Online] Dostępne pod adresem: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, R.J., Sang, B.-I. (2012). Przyszłość kwasu masłowego w przemyśle. The Scientific World Journal, [Online]. Dostępne pod adresem: doi.org.
4. Jha, A. K., Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Przegląd produkcji kwasu bio-masłowego i jego optymalizacja. Int. J. Agric. Biol. 16, 1019-1024.
5. Porter, J. R. (1961). Louis Pasteur. Osiągnięcia i rozczarowania, 1861. Bacteriological Reviews, 25 (4), 389-403. [Online] Dostępne pod adresem: mmbr.asm.org.