LÊN MEN BUTYRIC: QUÁ TRÌNH, SINH VẬT VÀ SẢN PHẨM - SINH HỌC - 2026

Quá trình lên men butyric xảy ra khi thu được glucose từ axit butyric như sản phẩm cuối cùng. Nó được thực hiện bởi một số vi khuẩn trong điều kiện hoàn toàn không có oxy và được phát hiện bởi Louis Pasteur, theo ghi chú của ông trong một báo cáo năm 1861 về các thí nghiệm được thực hiện vào năm 1875.

Lên men là một quá trình sinh học trong đó một chất được biến đổi thành một chất đơn giản hơn. Đây là một quá trình dị hóa, phân hủy các chất dinh dưỡng để thu được một hợp chất hữu cơ làm sản phẩm cuối cùng.

Louis Pasteur

Quá trình này không cần oxy, kỵ khí, và nó là đặc trưng của một số vi sinh vật như vi khuẩn và nấm men. Quá trình lên men cũng xảy ra trong tế bào của động vật, đặc biệt khi nguồn cung cấp oxy cho tế bào không đủ. Đây là một quá trình năng suất thấp.

Từ phân tử glucose, sử dụng con đường Embden-Meyerhof-Parnas (con đường đường phân phổ biến nhất), pyruvate được tạo ra. Quá trình lên men bắt đầu từ pyruvate, được lên men thành các sản phẩm khác nhau. Tùy thuộc vào các sản phẩm cuối cùng, có các kiểu lên men khác nhau.

Quá trình lên men butyric

Quá trình lên men butyric được định nghĩa là sự phân hủy của glucose (C6H12O6) để tạo ra axit butyric (C4H8O2) và khí, trong điều kiện yếm khí và năng suất thấp. Nó là đặc trưng cho việc tạo ra mùi khó chịu và hôi thối.

Quá trình lên men butyric được thực hiện bởi các vi khuẩn sinh bào tử Gram dương thuộc giống Clostridium, điển hình là Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, ngoài ra còn có Clostridium kluyveri và Clostridium pasteurianum.

Tuy nhiên, các vi khuẩn khác được phân loại trong các chi Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera và Sarcina cũng đã được báo cáo là sản xuất butyrate.

Trong quá trình lên men, glucose bị dị hóa thành pyruvate, tạo ra hai mol ATP và NADH. Pyruvate sau đó được lên men thành các sản phẩm khác nhau, tùy thuộc vào chủng vi khuẩn.

Trong trường hợp đầu tiên, pyruvate trở thành lactate và nó trở thành acetyl-CoA với sự giải phóng CO2. Sau đó, hai phân tử acetyl-CoA tạo thành acetoacetyl-CoA, sau đó được khử thành butyryl-CoA, thông qua các bước trung gian nhất định. Cuối cùng, Clostridium lên men butyryl-CoA thành axit butyric.

Các enzym phosphotransbutyrylase và butyrate kinase là các enzym quan trọng để sản xuất butyrate. Trong quá trình hình thành butyrate, 3 mol ATP được tạo thành.

Trong điều kiện tăng trưởng theo cấp số nhân, các tế bào sản xuất nhiều axetat hơn butyrat, vì có thêm một mol ATP được hình thành (tổng cộng là 4).

Khi kết thúc quá trình phát triển theo cấp số nhân và bước vào pha tĩnh, vi khuẩn giảm sản xuất axetat và tăng sản xuất butyrat, làm giảm tổng nồng độ của các ion hydro, cân bằng pH axit của môi trường.

Các sinh vật thực hiện quá trình lên men butyric

Vi sinh vật hứa hẹn nhất được sử dụng để sản xuất axit butyric sinh học là C. tyrobutyricum. Loài này có khả năng tạo ra axit butyric với độ chọn lọc cao và có thể chịu được nồng độ cao của hợp chất này.

Tuy nhiên, nó chỉ có thể lên men từ rất ít carbohydrate, bao gồm glucose, xylose, fructose và lactate.

C. butyricum có thể lên men nhiều nguồn cacbon, bao gồm hexoses, pentoses, glycerol, lignocellulose, mật đường, tinh bột khoai tây và whey phô mai.

Tuy nhiên, sản lượng butyrate thấp hơn nhiều. Ở C. thermobutyricum, dãy cacbohydrat có thể lên men là trung gian, nhưng nó không chuyển hóa sucrose hoặc tinh bột.

Clostridia sản xuất biobutyrate cũng tạo ra một số sản phẩm phụ, bao gồm acetate, H2, CO2, lactate và các sản phẩm khác, tùy thuộc vào loài Clostridium.

Quá trình lên men phân tử glucozơ bởi C. tyrobutyricum và C. butyricum có thể được biểu diễn như sau:

Glucose → 0,85 Butyrate + 0,1 Acetate + 0,2 Lactate + 1,9 H2 + 1,8 CO2

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

Con đường trao đổi chất của vi sinh vật trong quá trình lên men kỵ khí bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Trong trường hợp vi khuẩn thuộc giống Clostridium, tạo ra butyrate, các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự phát triển và hiệu suất lên men là: nồng độ glucose trong môi trường, độ pH, áp suất riêng phần của hydro, axetat và butyrate.

Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng, nồng độ của các sản phẩm cuối cùng và sự phân phối của các sản phẩm.

các sản phẩm

Sản phẩm chính của quá trình lên men butyric là một axit cacboxylic, axit butyric, một axit béo bốn cacbon mạch ngắn (CH3CH2CH2COOH), còn được gọi là axit n-butanoic.

Nó có mùi khó chịu và vị hăng, tuy nhiên nó để lại vị hơi ngọt trong miệng, tương tự như những gì xảy ra với ether. Sự hiện diện của nó là đặc trưng của bơ ôi, gây ra mùi và vị khó chịu, do đó tên của nó, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "bơ".

Tuy nhiên, một số este axit butyric có mùi vị hoặc mùi dễ chịu, đó là lý do tại sao chúng được sử dụng làm chất phụ gia trong thực phẩm, đồ uống, mỹ phẩm và ngành công nghiệp dược phẩm.

Công dụng và ứng dụng của axit butyric

Nhiên liệu sinh học

Axit butyric có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Hiện đang có sự quan tâm lớn đến việc sử dụng nó như một tiền thân của nhiên liệu sinh học.

Ngành thực phẩm và dược phẩm

Nó cũng có các ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm và hương liệu, do hương vị và kết cấu giống như bơ.

Trong ngành công nghiệp dược phẩm, nó được sử dụng như một thành phần trong các loại thuốc chống ung thư khác nhau và các liệu pháp điều trị khác, và các este butyrat được sử dụng trong sản xuất nước hoa, do hương thơm trái cây của chúng.

Nghiên cứu ung thư

Butyrate đã được báo cáo là có nhiều tác động lên sự tăng sinh tế bào, quá trình apoptosis (chết tế bào theo chương trình) và sự biệt hóa.

Tuy nhiên, các nghiên cứu khác nhau đã đưa ra những kết quả trái ngược về tác dụng của butyrate đối với bệnh ung thư ruột kết, dẫn đến cái gọi là “nghịch lý butyrate”.

Tổng hợp hóa học

Vi sinh vật sản xuất axit butyric là một giải pháp thay thế hấp dẫn thích hợp cho tổng hợp hóa học. Sự thành công của việc triển khai công nghiệp hóa chất gốc sinh học phụ thuộc nhiều vào chi phí sản xuất / hiệu quả kinh tế của quy trình.

Do đó, sản xuất công nghiệp axit butyric bằng quy trình lên men đòi hỏi nguyên liệu thô rẻ, hiệu suất quá trình hiệu quả cao, độ tinh khiết của sản phẩm cao, và chủng sản xuất mạnh mẽ.

Người giới thiệu

1. Axit butyric. Bách khoa toàn thư thế giới mới. . Có tại: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Vi khuẩn kỵ khí: các quá trình thực hiện và đóng góp vào sự bền vững của sự sống trên hành tinh. Nova, 13 (24), 55-81. . Có tại: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012). Tương lai của axit butyric trong công nghiệp. Tạp chí Thế giới Khoa học ,. Có tại: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Đánh giá về sản xuất axit butyric sinh học và tối ưu hóa nó. Int. J. Agric. Biol. 16, 1019-1024.
5. Porter, JR (1961). Louis Pasteur. Thành tựu và thất vọng, 1861. Bacteriological Reviews, 25 (4), 389–403. . Có tại: mmbr.asm.org.