МАСЛЕНА ФЕРМЕНТАЦИЯ: ПРОЦЕС, ОРГАНИЗМИ И ПРОДУКТИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В маслена ферментацията се случва, когато глюкоза от маслена киселина се получава като основен краен продукт. Извършва се от определени бактерии при условия на пълно отсъствие на кислород и е открит от Луи Пастьор, според бележката му в доклад от 1861 г. за експерименти, проведени през 1875 г.

Ферментацията е биологичен процес, чрез който веществото се трансформира в по-опростен. Това е катаболен процес, на разграждането на хранителните вещества, за да се получи органично съединение като краен продукт.

Луи Пастьор

Този процес не изисква кислород, той е анаеробен и е характерен за някои микроорганизми като бактерии и мая. Ферментацията се среща и в клетките на животните, особено когато клетъчното снабдяване с кислород е недостатъчно. Това е енергийно нисък добив.

От молекулата на глюкозата, използвайки пътя Embden-Meyerhof-Parnas (най-разпространеният път на гликолиза), се получава пируват. Ферментациите започват от пируват, който се ферментира в различни продукти. В зависимост от крайните продукти има различни видове ферментация.

Процес на ферментация на маслени масла

Маслената ферментация се дефинира като разграждане на глюкозата (C6H12O6) за получаване на маслена киселина (C4H8O2) и газ при анаеробни условия и с нисък енергиен добив. Той е характерен за производството на неприятни и гнилостни миризми.

Бутировата ферментация се осъществява от грам-положителни споропродуциращи бактерии от рода Clostridium, обикновено Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, в допълнение към Clostridium kluyveri и Clostridium pasurianum.

Въпреки това, други бактерии, класифицирани в родовете Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera и Sarcina, също са докладвани като производители на бутират.

В процеса на ферментация глюкозата се катаболизира до пируват, като се получават два мола от АТФ и NADH. Впоследствие пируватът се ферментира в различни продукти, в зависимост от бактериалния щам.

В първия случай пируватът става лактат и това се превръща в ацетил-КоА с отделянето на CO2. Впоследствие две ацетил-КоА молекули образуват ацетоацетил-КоА, който след това се редуцира до бутирил-КоА, чрез определени междинни етапи. И накрая, Clostridium ферментира бутирил-CoA в маслена киселина.

Ензимите фосфотрансбутирилаза и бутират киназа са ключовите ензими за производството на бутират. В процеса на образуване на бутират се образуват 3 мола АТФ.

При експоненциални условия на растеж клетките произвеждат повече ацетат от бутират, тъй като се образува още един мол от АТФ (общо 4).

В края на експоненциалния растеж и навлизането в стационарна фаза бактериите намаляват производството на ацетат и увеличават производството на бутират, намалявайки общата концентрация на водородни йони, балансирайки киселинното рН на средата.

Организми, които извършват маслена ферментация

Най-обещаващият микроорганизъм, използван за биопроизводството на маслена киселина, е C. tyrobutyricum. Този вид е способен да произвежда маслена киселина с висока селективност и може да понася високи концентрации на това съединение.

Той обаче може да ферментира само от много малко въглехидрати, включително глюкоза, ксилоза, фруктоза и лактат.

C. butyricum може да ферментира много въглеродни източници, включително хексози, пентози, глицерол, лигноцелулоза, меласа, картофено нишесте и пермеат на сирене.

Добивът на бутират обаче е много по-нисък. В C. thermobutyricum обхвата на ферментируемите въглехидрати е междинен, но той не метаболизира захарозата или нишестето.

Клостридии, произвеждащи биобутират, също произвеждат няколко възможни странични продукта, включително ацетат, H2, CO2, лактат и други продукти, в зависимост от вида Clostridium.

Ферментацията на глюкозна молекула от C. tyrobutyricum и C. butyricum може да се изрази по следния начин:

Глюкоза → 0,85 Бутират + 0,1 ацетат + 0,2 лактат + 1,9 H2 + 1,8 CO2

Глюкоза → 0,8 бутират + 0,4 ацетат + 2,4 H2 + 2 CO2

Метаболитният път на микроорганизма по време на анаеробна ферментация се влияе от няколко фактора. В случай на бактерии от рода Clostridium, които произвеждат бутират, факторите, които влияят главно върху растежа и ферментационните характеристики са: концентрацията на глюкоза в средата, рН, парциалното налягане на водорода, ацетата и бутират.

Тези фактори могат да повлияят на темпа на растеж, концентрацията на крайните продукти и разпределението на продуктите.

продукти

Основният продукт на маслената ферментация е карбоксилна киселина, маслена киселина, късоверижна четири въглеродна мастна киселина (CH3CH2CH2COOH), известна още като n-бутанова киселина.

Той има неприятна миризма и остър вкус, но оставя малко сладък вкус в устата, подобен на този, който се случва с етера. Присъствието му е характерно за гранясало масло, което е отговорно за неприятната му миризма и вкус, оттук и името му, което произлиза от гръцката дума за „масло“.

Въпреки това, някои естери на маслена киселина имат приятен вкус или мирис, поради което се използват като добавки в храни, напитки, козметика и фармацевтичната индустрия.

Употреба и приложение на маслена киселина

биогоривата

Маслената киселина има много приложения в различни индустрии. В момента има голям интерес да се използва като предшественик на биогоривата.

Хранителна и фармацевтична промишленост

Освен това има важни приложения в хранително-вкусовата промишленост, поради вкуса и текстурата си, наподобяваща масло.

Във фармацевтичната индустрия се използва като компонент в различни противоракови лекарства и други терапевтични лечения, а бутиратните естери се използват при производството на парфюми, поради техния плодов аромат.

Ракови изследвания

Съобщава се, че бутиратът има различни ефекти върху клетъчната пролиферация, апоптоза (програмирана клетъчна смърт) и диференциация.

Различните проучвания обаче дават противни резултати по отношение на ефекта на бутират върху рак на дебелото черво, което води до така наречения „парадокс на бутирата“.

Химичен синтез

Микробното производство на маслена киселина е предпочитана атрактивна алтернатива на химичния синтез. Успехът на индустриалното внедряване на химически вещества на биологична основа е силно зависим от производствените разходи / икономическите резултати на процеса.

Следователно промишленото производство на маслена киселина чрез ферментационни процеси изисква евтина суровина, висока ефективност на процеса, висока чистота на продукта и силна здравина на произвеждащите щамове.

Препратки

1. Маслена киселина. Нова световна енциклопедия., Достъпно на: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Анаеробни бактерии: процеси, които осъществяват и допринасят за устойчивостта на живота на планетата. Нова, 13 (24), 55-81., Достъпно на: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012 г.). Бъдещето на маслената киселина в промишлеността. Научният световен вестник,. Достъпно на: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Преглед на производството на биомаслена киселина и нейната оптимизация. Int. J. Agric. Biol. 16, 1019-1024.
5. Портър, JR (1961). Луи Пастьор. Постижения и разочарования, 1861. Бактериологични прегледи, 25 (4), 389–403., Достъпно на: mmbr.asm.org.