BUTTERSÄUREGÄRUNG: PROZESS, ORGANISMEN UND PRODUKTE - BIOLOGIE - 2025

Die Buttersäuregärung tritt auf, wenn Glucose aus Buttersäure als Hauptendprodukt erhalten wird. Es wird von bestimmten Bakterien unter Bedingungen der völligen Abwesenheit von Sauerstoff durchgeführt und wurde von Louis Pasteur gemäß seiner Notiz in einem Bericht von 1861 über Experimente von 1875 entdeckt.

Die Fermentation ist ein biologischer Prozess, durch den eine Substanz in eine einfachere umgewandelt wird. Es ist ein katabolischer Prozess des Abbaus von Nährstoffen, um eine organische Verbindung als Endprodukt zu erhalten.

Louis Pasteur

Dieser Prozess benötigt keinen Sauerstoff, ist anaerob und für einige Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen charakteristisch. Fermentation tritt auch in den Zellen von Tieren auf, insbesondere wenn die zelluläre Sauerstoffversorgung unzureichend ist. Es ist ein energetisch ertragsarmer Prozess.

Aus dem Glucosemolekül wird unter Verwendung des Embden-Meyerhof-Parnas-Weges (dem häufigsten Glykolyse-Weg) Pyruvat hergestellt. Fermentationen beginnen mit Pyruvat, das zu verschiedenen Produkten fermentiert wird. Je nach Endprodukt gibt es unterschiedliche Fermentationsarten.

Buttersäurefermentationsprozess

Buttersäuregärung ist definiert als der Abbau von Glucose (C6H12O6) unter Bildung von Buttersäure (C4H8O2) und Gas unter anaeroben Bedingungen und mit geringer Energieausbeute. Es ist charakteristisch für die Erzeugung von unangenehmen und fauligen Gerüchen.

Die Buttersäuregärung wird von grampositiven sporenproduzierenden Bakterien der Gattung Clostridium, typischerweise Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, zusätzlich zu Clostridium kluyveri und Clostridium pasteurianum durchgeführt.

Es wurde jedoch auch über andere Bakterien berichtet, die in die Gattungen Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera und Sarcina eingestuft wurden.

Während des Fermentationsprozesses wird Glucose zu Pyruvat abgebaut, wobei zwei Mol ATP und NADH produziert werden. Pyruvat wird anschließend je nach Bakterienstamm zu verschiedenen Produkten fermentiert.

In erster Linie wird Pyruvat zu Lactat und dieses wird unter Freisetzung von CO2 zu Acetyl-CoA. Anschließend bilden zwei Acetyl-CoA-Moleküle Acetoacetyl-CoA, das dann durch bestimmte Zwischenschritte zu Butyryl-CoA reduziert wird. Schließlich fermentiert Clostridium das Butyryl-CoA zu Buttersäure.

Die Enzyme Phosphotransbutyrylase und Butyratkinase sind die Schlüsselenzyme für die Produktion von Butyrat. Bei der Butyratbildung entstehen 3 Mol ATP.

Unter exponentiellen Wachstumsbedingungen produzieren Zellen mehr Acetat als Butyrat, da ein Mol mehr ATP gebildet wird (insgesamt 4).

Am Ende des exponentiellen Wachstums und beim Eintritt in die stationäre Phase verringern Bakterien die Acetatproduktion und erhöhen die Butyratproduktion, verringern die Gesamtkonzentration an Wasserstoffionen und gleichen den sauren pH-Wert des Mediums aus.

Organismen, die eine Buttersäuregärung durchführen

Der vielversprechendste Mikroorganismus für die Bioproduktion von Buttersäure ist C. tyrobutyricum. Diese Spezies ist in der Lage, Buttersäure mit hoher Selektivität zu produzieren und kann hohe Konzentrationen dieser Verbindung tolerieren.

Es kann jedoch nur aus sehr wenigen Kohlenhydraten fermentieren, einschließlich Glucose, Xylose, Fructose und Lactat.

C. butyricum kann viele Kohlenstoffquellen fermentieren, einschließlich Hexosen, Pentosen, Glycerin, Lignocellulose, Melasse, Kartoffelstärke und Käsemolkenpermeat.

Die Butyratausbeuten sind jedoch viel geringer. In C. thermobutyricum ist der Bereich fermentierbarer Kohlenhydrate mittelschwer, metabolisiert jedoch weder Saccharose noch Stärke.

Biobutyrat produzierende Clostridien produzieren auch mehrere mögliche Nebenprodukte, einschließlich Acetat, H2, CO2, Lactat und andere Produkte, abhängig von der Clostridium-Spezies.

Die Fermentation eines Glucosemoleküls durch C. tyrobutyricum und C. butyricum kann wie folgt ausgedrückt werden:

Glucose → 0,85 Butyrat + 0,1 Acetat + 0,2 Lactat + 1,9 H2 + 1,8 CO2

Glucose → 0,8 Butyrat + 0,4 Acetat + 2,4 H2 + 2 CO2

Der Stoffwechselweg eines Mikroorganismus während der anaeroben Fermentation wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Bei Bakterien der Gattung Clostridium, die Butyrat produzieren, sind die Faktoren, die hauptsächlich das Wachstum und die Fermentationsleistung beeinflussen: die Konzentration von Glucose im Medium, der pH-Wert, der Partialdruck von Wasserstoff, das Acetat und das Butyrat.

Diese Faktoren können die Wachstumsrate, die Konzentration der Endprodukte und die Verteilung der Produkte beeinflussen.

Produkte

Das Hauptprodukt der Buttersäurefermentation ist eine Carbonsäure, Buttersäure, eine kurzkettige Fettsäure mit vier Kohlenstoffen (CH3CH2CH2COOH), auch bekannt als n-Butansäure.

Es hat einen unangenehmen Geruch und einen scharfen Geschmack, hinterlässt jedoch einen etwas süßen Geschmack im Mund, ähnlich wie bei Äther. Seine Anwesenheit ist charakteristisch für ranzige Butter, die für ihren unangenehmen Geruch und Geschmack verantwortlich ist, daher sein Name, der vom griechischen Wort für "Butter" abgeleitet ist.

Bestimmte Buttersäureester haben jedoch einen angenehmen Geschmack oder Geruch, weshalb sie als Zusatzstoffe in Lebensmitteln, Getränken, Kosmetika und der pharmazeutischen Industrie verwendet werden.

Verwendung und Anwendung von Buttersäure

Biokraftstoffe

Buttersäure hat viele Anwendungen in verschiedenen Branchen. Derzeit besteht großes Interesse daran, es als Vorstufe für Biokraftstoffe zu verwenden.

Lebensmittel- und Pharmaindustrie

Aufgrund seines butterartigen Geschmacks und seiner butterartigen Textur hat es auch wichtige Anwendungen in der Lebensmittel- und Aromaindustrie.

In der pharmazeutischen Industrie wird es als Bestandteil in verschiedenen Krebsmedikamenten und anderen therapeutischen Behandlungen verwendet, und Butyratester werden aufgrund ihres fruchtigen Duftes bei der Herstellung von Parfums verwendet.

Krebsforschung

Es wurde berichtet, dass Butyrat verschiedene Auswirkungen auf die Zellproliferation, Apoptose (programmierter Zelltod) und Differenzierung hat.

Verschiedene Studien haben jedoch zu entgegengesetzten Ergebnissen hinsichtlich der Wirkung von Butyrat auf Darmkrebs geführt, was zu dem sogenannten "Butyrat-Paradoxon" führte.

Chemische Synthese

Die mikrobielle Herstellung von Buttersäure ist eine bevorzugte attraktive Alternative zur chemischen Synthese. Der Erfolg der industriellen Implementierung biobasierter Chemikalien hängt stark von den Produktionskosten / der wirtschaftlichen Leistung des Prozesses ab.

Daher erfordert die industrielle Herstellung von Buttersäure durch Fermentationsverfahren einen kostengünstigen Rohstoff, eine hohe Effizienz der Prozessleistung, eine hohe Produktreinheit und eine starke Robustheit der produzierenden Stämme.

Verweise

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