BOTERZUURGISTING: PROCES, ORGANISMEN EN PRODUCTEN - BIOLOGIE - 2026

De boterzuurgisting vindt plaats wanneer glucose uit boterzuur wordt verkregen als het belangrijkste eindproduct. Het wordt uitgevoerd door bepaalde bacteriën onder omstandigheden van volledige afwezigheid van zuurstof en werd ontdekt door Louis Pasteur, volgens zijn notitie in een rapport in 1861 over experimenten uitgevoerd in 1875.

Fermentatie is een biologisch proces waarmee een stof wordt omgezet in een eenvoudiger proces. Het is een katabool proces van afbraak van voedingsstoffen om een ​​organische verbinding als eindproduct te verkrijgen.

Louis Pasteur

Dit proces heeft geen zuurstof nodig, is anaëroob en kenmerkend voor sommige micro-organismen zoals bacteriën en gisten. Fermentatie vindt ook plaats in de cellen van dieren, vooral wanneer de cellulaire toevoer van zuurstof onvoldoende is. Het is een energetisch laagproductief proces.

Van het glucosemolecuul wordt pyruvaat geproduceerd met behulp van de Embden-Meyerhof-Parnas-route (de meest voorkomende glycolyse-route). Fermentaties beginnen met pyruvaat, dat wordt gefermenteerd tot verschillende producten. Afhankelijk van de eindproducten zijn er verschillende soorten fermentatie.

Boterzuur fermentatieproces

Boterzuurgisting wordt gedefinieerd als de afbraak van glucose (C6H12O6) om boterzuur (C4H8O2) en gas te produceren, onder anaërobe omstandigheden en met een lage energieopbrengst. Het is kenmerkend voor de productie van onaangename en bedorven geuren.

Boterzuurgisting wordt uitgevoerd door Gram-positieve sporenproducerende bacteriën van het geslacht Clostridium, typisch Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, naast Clostridium kluyveri en Clostridium pasteurianum.

Andere bacteriën die zijn ingedeeld in de geslachten Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera en Sarcina, zijn echter ook gerapporteerd als producenten van butyraat.

In het fermentatieproces wordt glucose gekataboliseerd tot pyruvaat, waarbij twee mol ATP en NADH worden geproduceerd. Pyruvaat wordt vervolgens gefermenteerd tot verschillende producten, afhankelijk van de bacteriestam.

Pyruvaat wordt in eerste instantie lactaat en dit wordt acetyl-CoA met het vrijkomen van CO2. Vervolgens vormen twee acetyl-CoA-moleculen acetoacetyl-CoA, dat vervolgens via bepaalde tussenstappen wordt gereduceerd tot butyryl-CoA. Ten slotte fermenteert Clostridium het butyryl-CoA tot boterzuur.

De enzymen fosfotransbutyrylase en butyraatkinase zijn de sleutelenzymen voor de productie van butyraat. Bij de vorming van butyraat worden 3 mol ATP gevormd.

Onder exponentiële groeiomstandigheden produceren cellen meer acetaat dan butyraat, aangezien er nog een mol ATP wordt gevormd (4 in totaal).

Aan het einde van de exponentiële groei en het ingaan van de stationaire fase, verminderen bacteriën de acetaatproductie en verhogen ze de butyraatproductie, waardoor de totale concentratie van waterstofionen wordt verlaagd en de zure pH van het medium in evenwicht wordt gehouden.

Organismen die boterzuurgisting uitvoeren

Het meest veelbelovende micro-organisme dat wordt gebruikt voor de bioproductie van boterzuur is C. tyrobutyricum. Deze soort is in staat boterzuur te produceren met een hoge selectiviteit en kan hoge concentraties van deze verbinding verdragen.

Het kan echter alleen fermenteren van zeer weinig koolhydraten, waaronder glucose, xylose, fructose en lactaat.

C. butyricum kan vele koolstofbronnen fermenteren, waaronder hexosen, pentosen, glycerol, lignocellulose, melasse, aardappelzetmeel en kaasweipermeaat.

De opbrengsten van butyraat zijn echter veel lager. In C. thermobutyricum is het bereik van fermenteerbare koolhydraten tussenliggend, maar het metaboliseert geen sucrose of zetmeel.

Clostridia die biobutyraat produceren, produceren ook verschillende mogelijke bijproducten, waaronder acetaat, H2, CO2, lactaat en andere producten, afhankelijk van de Clostridium-soort.

Fermentatie van een glucosemolecuul door C. tyrobutyricum en C. butyricum kan als volgt worden uitgedrukt:

Glucose → 0,85 Butyraat + 0,1 Acetaat + 0,2 Lactaat + 1,9 H2 + 1,8 CO2

Glucose → 0,8 Butyraat + 0,4 Acetaat + 2,4 H2 + 2 CO2

De metabole route van een micro-organisme tijdens anaërobe fermentatie wordt beïnvloed door verschillende factoren. In het geval van bacteriën van het geslacht Clostridium, die butyraat produceren, zijn de factoren die voornamelijk de groei en fermentatieprestaties beïnvloeden: de glucoseconcentratie in het medium, de pH, de partiële druk van waterstof, het acetaat en de butyraat.

Deze factoren kunnen de groeisnelheid, de concentratie van de eindproducten en de distributie van de producten beïnvloeden.

producten

Het belangrijkste product van boterzuurgisting is een carbonzuur, boterzuur, een vierkoolstofvetzuur met een korte keten (CH3CH2CH2COOH), ook bekend als n-butaanzuur.

Het heeft een onaangename geur en een scherpe smaak, maar het laat een ietwat zoete smaak achter in de mond, vergelijkbaar met wat er gebeurt met ether. Zijn aanwezigheid is kenmerkend voor ranzig boter en is verantwoordelijk voor zijn onaangename geur en smaak, vandaar de naam, die is afgeleid van het Griekse woord voor "boter".

Bepaalde boterzuuresters hebben echter een aangename smaak of geur, en daarom worden ze gebruikt als additieven in voedingsmiddelen, dranken, cosmetica en de farmaceutische industrie.

Gebruik en toepassingen van boterzuur

Biobrandstoffen

Boterzuur heeft veel toepassingen in verschillende industrieën. Er is momenteel grote belangstelling om het als voorloper van biobrandstoffen te gebruiken.

Voedsel- en farmaceutische industrie

Het heeft ook belangrijke toepassingen in de voedings- en smaakstofindustrie, vanwege zijn botervormige smaak en textuur.

In de farmaceutische industrie wordt het gebruikt als een component in verschillende geneesmiddelen tegen kanker en andere therapeutische behandelingen, en butyraatesters worden gebruikt bij de productie van parfums vanwege hun fruitige geur.

Kankeronderzoek

Van butyraat is gemeld dat het verschillende effecten heeft op celproliferatie, apoptose (geprogrammeerde celdood) en differentiatie.

Verschillende studies hebben echter tegengestelde resultaten opgeleverd in termen van het effect van butyraat op darmkanker, waardoor de zogenaamde "butyraatparadox" is ontstaan.

Chemische synthese

Microbiële productie van boterzuur is een aantrekkelijk alternatief voor chemische synthese. Het succes van de industriële implementatie van biogebaseerde chemicaliën is sterk afhankelijk van de productiekosten / economische prestaties van het proces.

Daarom vereist de industriële productie van boterzuur door fermentatieprocessen goedkope grondstof, hoge efficiëntie procesprestaties, hoge productzuiverheid en sterke robuustheid van de producerende stammen.

Referenties

1. Boterzuur. New World Encyclopedia. . Beschikbaar op: newworldencyclopedia.org
2. Corrales, LC, Antolinez, DM, Bohórquez, JA, Corredor, AM (2015). Anaërobe bacteriën: processen die leiden tot en bijdragen aan de duurzaamheid van het leven op aarde. Nova, 13 (24), 55-81. . Beschikbaar op: scielo.org.co
3. Dwidar, M., Park, J.-Y., Mitchell, RJ, Sang, B.-I. (2012). De toekomst van boterzuur in de industrie. The Scientific World Journal ,. Beschikbaar op: doi.org.
4. Jha, AK, Li, J., Yuan, Y., Baral, N., Ai, B., 2014. Een overzicht van de productie van bio-boterzuur en de optimalisatie ervan. Int J. Agric. Biol. 16, 1019-1024.
5. Porter, JR (1961). Louis Pasteur. Prestaties en teleurstellingen, 1861. Bacteriological Reviews, 25 (4), 389-403. . Beschikbaar op: mmbr.asm.org.