การหมักบิวทิริก: กระบวนการสิ่งมีชีวิตและผลิตภัณฑ์ - ชีววิทยา - 2025

การหมักบิวริกเกิดขึ้นเมื่อได้รับกลูโคสจากกรดบิวทีริกเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่สำคัญ มันดำเนินการโดยแบคทีเรียบางชนิดภายใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจนอย่างสมบูรณ์และถูกค้นพบโดย Louis Pasteur ตามบันทึกของเขาในรายงานในปี 1861 จากการทดลองในปีพ. ศ. 2418

การหมักเป็นกระบวนการทางชีวภาพโดยการเปลี่ยนสารให้เป็นสิ่งที่ง่ายกว่า เป็นกระบวนการ catabolic ของการย่อยสลายสารอาหารเพื่อให้ได้สารประกอบอินทรีย์เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

หลุยส์ปาสเตอร์

กระบวนการนี้ไม่ต้องการออกซิเจนเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจนและเป็นลักษณะเฉพาะของจุลินทรีย์บางชนิดเช่นแบคทีเรียและยีสต์ การหมักยังเกิดขึ้นในเซลล์ของสัตว์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อปริมาณออกซิเจนในเซลล์ไม่เพียงพอ เป็นกระบวนการที่ให้ผลตอบแทนต่ำอย่างกระตือรือร้น

จากโมเลกุลของกลูโคสโดยใช้ทางเดิน Embden-Meyerhof-Parnas (วิถีไกลโคไลซิสที่พบมากที่สุด) ไพรูเวตถูกสร้างขึ้น การหมักเริ่มจากไพรูเวทซึ่งหมักเป็นผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกัน การหมักมีหลายประเภทขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์สุดท้าย

กระบวนการหมักบิวริก

การหมักบิวทิริกหมายถึงการย่อยสลายกลูโคส (C6H12O6) เพื่อผลิตกรดบิวไทริก (C4H8O2) และก๊าซภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนและให้พลังงานต่ำ เป็นลักษณะเฉพาะสำหรับการผลิตกลิ่นไม่พึงประสงค์และเน่าเหม็น

การหมักบิวทิริกดำเนินการโดยแบคทีเรียที่สร้างสปอร์แกรมบวกของสกุล Clostridium โดยทั่วไปคือ Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum นอกเหนือจาก Clostridium kluyveri และ Clostridium Pasteurianum

อย่างไรก็ตามแบคทีเรียอื่น ๆ ที่จัดอยู่ในจำพวก Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera และ Sarcina ยังได้รับรายงานว่าเป็นผู้ผลิตบิวเรต

ในกระบวนการหมักกลูโคสจะถูก catabolized เป็นไพรูเวททำให้เกิด ATP และ NADH สองโมล Pyruvate ถูกหมักเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆในเวลาต่อมาขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ของแบคทีเรีย

ในกรณีแรกไพรูเวตจะกลายเป็นแลคเตทและกลายเป็น acetyl-CoA พร้อมกับปล่อย CO2 ต่อจากนั้นโมเลกุลของ acetyl-CoA สองโมเลกุลจะรวมตัวกันเป็น acetoacetyl-CoA ซึ่งจะถูกลดขนาดเป็น butyryl-CoA ผ่านขั้นตอนกลางบางอย่าง ในที่สุด Clostridium จะหมัก butyryl-CoA ให้เป็นกรดบิวทิริก

เอนไซม์ phosphotransbutyrylase และ butyrate kinase เป็นเอนไซม์หลักในการผลิตบิวทิเรต ในกระบวนการสร้าง butyrate จะเกิด ATP 3 โมล

ภายใต้สภาวะการเจริญเติบโตแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลเซลล์จะสร้างอะซิเตตมากกว่าบิวเทตเนื่องจากมี ATP เพิ่มขึ้นหนึ่งโมล (รวม 4 โมล)

เมื่อสิ้นสุดการเจริญเติบโตแบบเอกซ์โพเนนเชียลและเข้าสู่ระยะหยุดนิ่งแบคทีเรียจะลดการผลิตอะซิเตทและเพิ่มการผลิตบิวเรตลดความเข้มข้นทั้งหมดของไฮโดรเจนไอออนปรับสมดุล pH ที่เป็นกรดของตัวกลาง

สิ่งมีชีวิตที่ดำเนินการหมักแบบ butyric

จุลินทรีย์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่ใช้ในการผลิตกรดบิวทิริกทางชีวภาพคือ C. tyrobutyricum สายพันธุ์นี้มีความสามารถในการผลิตกรดบิวทีริกที่มีหัวกะทิสูงและสามารถทนต่อความเข้มข้นสูงของสารประกอบนี้ได้

อย่างไรก็ตามสามารถหมักได้จากคาร์โบไฮเดรตเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ได้แก่ กลูโคสไซโลสฟรุกโตสและแลคเตท

C. butyricum สามารถหมักแหล่งคาร์บอนได้หลายชนิด ได้แก่ เฮกโซสเพนโทสกลีเซอรอลลิกโนเซลลูโลสกากน้ำตาลแป้งมันฝรั่งและเวย์ชีสซึมผ่าน

อย่างไรก็ตามอัตราผลตอบแทน butyrate จะต่ำกว่ามาก ใน C. thermobutyricum ช่วงของคาร์โบไฮเดรตที่หมักได้เป็นระดับกลาง แต่ไม่ได้เผาผลาญน้ำตาลซูโครสหรือแป้ง

clostridia ที่ผลิตไบโอบิวทีเรตยังผลิตผลพลอยได้หลายอย่างเช่นอะซิเตท H2 CO2 แลคเตทและผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ขึ้นอยู่กับชนิดของ Clostridium

การหมักของโมเลกุลกลูโคสโดย C. tyrobutyricum และ C. butyricum สามารถแสดงได้ดังนี้:

กลูโคส→ 0.85 บิวเทต + 0.1 อะซิเตท + 0.2 แลคเตท + 1.9 H2 + 1.8 CO2

กลูโคส→ 0.8 บิวเทต + 0.4 อะซิเตท + 2.4 H2 + 2 CO2

วิถีการเผาผลาญของจุลินทรีย์ในระหว่างการหมักแบบไม่ใช้ออกซิเจนได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย ในกรณีของแบคทีเรียในสกุล Clostridium ผู้ผลิตบิวทิเรตปัจจัยที่มีผลต่อการเจริญเติบโตและประสิทธิภาพการหมักส่วนใหญ่ ได้แก่ ความเข้มข้นของกลูโคสในระดับปานกลาง pH ความดันบางส่วนของไฮโดรเจนอะซิเตทและ butyrate

ปัจจัยเหล่านี้อาจมีผลต่ออัตราการเติบโตความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและการกระจายของผลิตภัณฑ์

ผลิตภัณฑ์

ผลิตภัณฑ์หลักของการหมักบิวทิริกคือกรดคาร์บอกซิลิกกรดบิวทิริกซึ่งเป็นกรดไขมันคาร์บอนสี่สายสั้น (CH3CH2CH2COOH) หรือที่เรียกว่ากรด n-butanoic

มีกลิ่นไม่พึงประสงค์และรสฉุน แต่จะมีรสหวานอยู่ในปากคล้ายกับที่เกิดขึ้นกับอีเธอร์ การปรากฏตัวของมันเป็นลักษณะของเนยหืนซึ่งเป็นตัวการรับผิดชอบต่อกลิ่นและรสชาติที่ไม่พึงประสงค์ดังนั้นชื่อของมันซึ่งมาจากคำภาษากรีกสำหรับ "เนย"

อย่างไรก็ตามเอสเทอร์ของกรดบิวทิริกบางชนิดมีรสชาติหรือกลิ่นที่น่าพอใจซึ่งเป็นสาเหตุที่ใช้เป็นสารปรุงแต่งในอาหารเครื่องดื่มเครื่องสำอางและอุตสาหกรรมยา

การใช้และการใช้กรดบิวทิริก

เชื้อเพลิงชีวภาพ

กรดบิวทิริกมีประโยชน์มากมายในอุตสาหกรรมต่างๆ ปัจจุบันมีความสนใจอย่างมากในการใช้เป็นสารตั้งต้นของเชื้อเพลิงชีวภาพ

อุตสาหกรรมอาหารและยา

นอกจากนี้ยังมีการใช้งานที่สำคัญในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องปรุงเนื่องจากมีรสชาติและเนื้อสัมผัสคล้ายเนย

ในอุตสาหกรรมยาใช้เป็นส่วนประกอบในยาต้านมะเร็งหลายชนิดและการรักษาอื่น ๆ และใช้เอสเทอร์บิวเรตในการผลิตน้ำหอมเนื่องจากมีกลิ่นหอมจากผลไม้

การวิจัยโรคมะเร็ง

มีรายงานว่า Butyrate มีผลต่อการเพิ่มจำนวนเซลล์การตายของเซลล์ (การตายของเซลล์ตามโปรแกรม) และความแตกต่าง

อย่างไรก็ตามการศึกษาที่แตกต่างกันได้ให้ผลลัพธ์ที่ตรงกันข้ามในแง่ของผลของ butyrate ต่อมะเร็งลำไส้ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า“ butyrate paradox”

การสังเคราะห์ทางเคมี

การผลิตจุลินทรีย์ของกรดบิวทีริกเป็นทางเลือกที่น่าสนใจมากกว่าการสังเคราะห์ทางเคมี ความสำเร็จของการใช้สารเคมีชีวภาพในอุตสาหกรรมขึ้นอยู่กับต้นทุนการผลิต / ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของกระบวนการ

ดังนั้นการผลิตกรดบิวทีริกในเชิงอุตสาหกรรมโดยกระบวนการหมักจึงต้องใช้วัตถุดิบราคาไม่แพงประสิทธิภาพของกระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์สูงและความแข็งแกร่งของสายพันธุ์การผลิต

อ้างอิง

1. กรดบิวทิริก สารานุกรมโลกใหม่. . ดูได้ที่: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015) แบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจน: กระบวนการที่ดำเนินการและนำไปสู่ความยั่งยืนของชีวิตบนโลกใบนี้ โนวา, 13 (24), 55-81. . ดูได้ที่: scielo.org.co
3. Dwidar, M. , Park, J.-Y. , Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012) อนาคตของกรดบิวทิริกในอุตสาหกรรม วารสารโลกวิทยาศาสตร์,. ดูได้ที่: doi.org
4. Jha, AK, Li, J. , Yuan, Y. , Baral, N. , Ai, B. , 2014. การทบทวนการผลิตกรดไบโอบิวทิริกและการเพิ่มประสิทธิภาพ Int. J. Agric. จิตเวช 16, 1019-1024
5. พนักงานยกกระเป๋า JR (2504) หลุยส์ปาสเตอร์. ความสำเร็จและความผิดหวัง, 1861. Bacteriological Reviews, 25 (4), 389–403. . ดูได้ที่: mmbr.asm.org