التخمير الزبداني: العملية ، الكائنات الحية والمنتجات - مادة الاحياء - 2025

و التخمير زبدي يحدث عندما يتم الحصول على الجلوكوز من حمض زبدي كمنتج نهاية كبير. يتم تنفيذه بواسطة بكتيريا معينة في ظل ظروف الغياب التام للأكسجين واكتشفه لويس باستور ، وفقًا لملاحظاته في تقرير عام 1861 عن تجارب أجريت في عام 1875.

التخمير هو عملية بيولوجية يتم من خلالها تحويل مادة إلى مادة أبسط. إنها عملية تقويضية ، لتدهور العناصر الغذائية للحصول على مركب عضوي كمنتج نهائي.

لويس باستور

هذه العملية لا تتطلب أكسجين ، فهي لا هوائية ، وهي مميزة لبعض الكائنات الدقيقة مثل البكتيريا والخميرة. يحدث التخمر أيضًا في خلايا الحيوانات ، خاصةً عندما يكون الإمداد الخلوي بالأكسجين غير كافٍ. إنها عملية ذات عائد منخفض.

من جزيء الجلوكوز ، باستخدام مسار Embden-Meyerhof-Parnas (مسار تحلل السكر الأكثر شيوعًا) ، يتم إنتاج البيروفات. تبدأ التخمير من البيروفات ، الذي يتم تخميره إلى منتجات مختلفة. اعتمادًا على المنتجات النهائية ، هناك أنواع مختلفة من التخمير.

عملية التخمير الزبدي

يعرف التخمر الزبداني بأنه تحلل الجلوكوز (C6H12O6) لإنتاج حمض الزبد (C4H8O2) والغاز ، في ظل ظروف لاهوائية ومع انخفاض إنتاجية الطاقة. إنها مميزة لإنتاج الروائح الكريهة والفاكهة.

يتم إجراء التخمير الزبداني بواسطة بكتيريا منتجة للأبواغ إيجابية الجرام من جنس كلوستريديوم ، عادةً كلوستريديوم بوتيريكوم ، كلوستريديوم تيروبوتيريكوم ، كلوستريديوم ثيروبوتيريكوم ، بالإضافة إلى كلوستريديوم كلويفيري وكلوستريديوم باستيريانوم.

ومع ذلك ، تم الإبلاغ أيضًا عن أنواع بكتيريا أخرى مصنفة في أجناس Butyrvibrio و Butyribacterium و Eubacterium و Fusobacterium و Megasphera و Sarcina كمنتجين للزبدات.

في عملية التخمير ، يتم تقويض الجلوكوز إلى بيروفات ، مما ينتج مولين من ATP و NADH. يتم بعد ذلك تخمير البيروفات إلى منتجات مختلفة ، اعتمادًا على السلالة البكتيرية.

في الحالة الأولى ، يصبح البيروفات لاكتات ويصبح هذا أسيتيل CoA مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون. بعد ذلك ، يتكون جزيئان من أسيتيل CoA من acetoacetyl-CoA ، والذي يتم بعد ذلك تقليله إلى بوتيل- CoA ، من خلال خطوات وسيطة معينة. أخيرًا ، تخمر Clostridium مادة butyryl-CoA إلى حمض الزبد.

إن الإنزيمات phosphotransbutyrylase و butyrate kinase هي الإنزيمات الرئيسية لإنتاج الزبدات. في عملية تكوين الزبدات ، يتم تكوين 3 مولات من ATP.

في ظل ظروف النمو الأسي ، تنتج الخلايا أسيتات أكثر من الزبدات ، حيث يتم تكوين مول واحد من ATP (4 في المجموع).

في نهاية النمو الأسي ودخول المرحلة الثابتة ، تقلل البكتيريا من إنتاج الأسيتات وتزيد من إنتاج الزبدات ، مما يقلل التركيز الكلي لأيونات الهيدروجين ، ويوازن درجة الحموضة الحمضية للوسط.

الكائنات الحية التي تقوم بالتخمير الزبداني

أكثر الكائنات الحية الدقيقة الواعدة المستخدمة في الإنتاج الحيوي لحمض الزبد هي C. tyrobutyricum. هذا النوع قادر على إنتاج حمض الزبد مع انتقائية عالية ويمكنه تحمل تركيزات عالية من هذا المركب.

ومع ذلك ، يمكن أن يتخمر فقط من عدد قليل جدًا من الكربوهيدرات ، بما في ذلك الجلوكوز والزيلوز والفركتوز واللاكتات.

يمكن أن تخمر C. butyricum العديد من مصادر الكربون ، بما في ذلك hexoses ، pentoses ، glycerol ، lignocellulose ، دبس السكر ، نشا البطاطس ، والجبن يتخلل مصل اللبن.

ومع ذلك ، فإن غلة الزبدات أقل بكثير. في C. thermobutyricum ، يكون نطاق الكربوهيدرات القابلة للتخمير متوسطًا ، لكنه لا يستقلب السكروز أو النشا.

تنتج المطثيات المنتجة للبيوتيرات أيضًا العديد من المنتجات الثانوية المحتملة ، بما في ذلك الأسيتات ، H2 ، CO2 ، اللاكتات ، ومنتجات أخرى ، اعتمادًا على أنواع المطثيات.

يمكن التعبير عن تخمر جزيء الجلوكوز بواسطة C. tyrobutyricum و C. butyricum على النحو التالي:

الجلوكوز → 0.85 بوتيرات + 0.1 أسيتات + 0.2 لاكتات + 1.9 H2 + 1.8 CO2

الجلوكوز → 0.8 زبدات + 0.4 أسيتات + 2.4 H2 + 2 CO2

يتأثر المسار الأيضي للكائن الحي أثناء التخمر اللاهوائي بعدة عوامل. في حالة بكتيريا جنس Clostridium ، التي تنتج مادة الزبد ، فإن العوامل التي تؤثر بشكل أساسي على أداء النمو والتخمير هي: تركيز الجلوكوز في الوسط ، ودرجة الحموضة ، والضغط الجزئي للهيدروجين ، والأسيتات ، و الزبدات.

يمكن أن تؤثر هذه العوامل على معدل النمو وتركيز المنتجات النهائية وتوزيع المنتجات.

منتجات

المنتج الرئيسي للتخمير الزبداني هو حمض الكربوكسيل ، حمض الزبد ، وهو حمض دهني قصير السلسلة مكون من أربعة كربون (CH3CH2CH2COOH) ، والمعروف أيضًا باسم حمض البوتانويك n.

له رائحة كريهة وطعم لاذع ، إلا أنه يترك طعمًا حلوًا إلى حد ما في الفم ، على غرار ما يحدث مع الأثير. وجودها هو سمة من سمات الزبدة الفاسدة ، كونها مسؤولة عن رائحتها وطعمها الكريهة ، ومن هنا جاء اسمها المشتق من الكلمة اليونانية التي تعني "زبدة".

ومع ذلك ، فإن بعض استرات حمض الزبد لها طعم أو رائحة لطيفة ، وهذا هو سبب استخدامها كمواد مضافة في الأغذية والمشروبات ومستحضرات التجميل وصناعة الأدوية.

استخدامات وتطبيقات حمض الزبد

الوقود الحيوي

حمض الزبد له استخدامات عديدة في صناعات مختلفة. يوجد حاليًا اهتمام كبير باستخدامه كمقدمة للوقود الحيوي.

صناعة الأغذية والأدوية

كما أن لها تطبيقات مهمة في الصناعات الغذائية والنكهات ، نظرًا لمذاقها وقوامها الشبيه بالزبدة.

في صناعة المستحضرات الصيدلانية ، يتم استخدامه كعنصر في العديد من الأدوية المضادة للسرطان والعلاجات العلاجية الأخرى ، وتستخدم استرات الزبدات في إنتاج العطور ، بسبب رائحة الفاكهة.

ابحاث السرطان

تم الإبلاغ عن أن الزبدات لها تأثيرات مختلفة على تكاثر الخلايا وموت الخلايا المبرمج (موت الخلية المبرمج) والتمايز.

ومع ذلك ، أعطت دراسات مختلفة نتائج معاكسة من حيث تأثير الزبدات على سرطان القولون ، مما أدى إلى ما يسمى "تناقض الزبدات".

التوليف الكيميائي

يعتبر الإنتاج الميكروبي لحمض الزبد بديلاً مفضلاً وجذابًا للتخليق الكيميائي. يعتمد نجاح التنفيذ الصناعي للمواد الكيميائية الحيوية بشكل كبير على تكلفة الإنتاج / الأداء الاقتصادي للعملية.

لذلك ، فإن الإنتاج الصناعي لحمض الزبد عن طريق عمليات التخمير يتطلب مواد خام غير مكلفة ، وأداء عمليات عالي الكفاءة ، ونقاوة عالية للمنتج ، وقوة قوية للسلالات المنتجة.

المراجع

1. حمض البيوتيريك. موسوعة العالم الجديد.. متاح على: newworldencyclopedia.org
2. Corrales، LC، Antolinez، DM، Bohórquez، JA، Corredor، AM (2015). البكتيريا اللاهوائية: العمليات التي تنفذ وتساهم في استدامة الحياة على الكوكب. نوفا، 13 (24) ، 55-81.. متاح على: scielo.org.co
3. دويدار ، م ، بارك ، J.-Y. ، ميتشل ، آر جيه ، سانغ ، B.-I. (2012). مستقبل حمض الزبد في الصناعة. مجلة العالم العلمي. متاح على: doi.org.
4. Jha، AK، Li، J.، Yuan، Y.، Baral، N.، Ai، B.، 2014. مراجعة إنتاج حمض الزبد الحيوي وتحسينه. Int. J. Agric. بيول.16 ، 1019-1024.
5. بورتر ، جيه آر (1961). لويس باستور. الإنجازات وخيبات الأمل ، 1861. المراجعات البكتريولوجية ، 25 (4) ، 389-403.. متاح على: mmbr.asm.org.