FERMENTATION BUTYRIQUE: PROCESSUS, ORGANISMES ET PRODUITS - LA BIOLOGIE - 2025

La fermentation butyrique se produit lorsque le glucose à partir d'acide butyrique est obtenu comme produit final principal. Elle est réalisée par certaines bactéries dans des conditions d'absence totale d'oxygène et a été découverte par Louis Pasteur, selon sa note dans un rapport de 1861 sur des expériences menées en 1875.

La fermentation est un processus biologique au moyen duquel une substance est transformée en une substance plus simple. C'est un processus catabolique, de dégradation des nutriments pour obtenir un composé organique comme produit final.

Louis Pasteur

Ce processus ne nécessite pas d'oxygène, il est anaérobie et il est caractéristique de certains micro-organismes tels que les bactéries et les levures. La fermentation se produit également dans les cellules des animaux, en particulier lorsque l'apport cellulaire en oxygène est insuffisant. C'est un procédé à faible rendement énergétique.

À partir de la molécule de glucose, en utilisant la voie Embden-Meyerhof-Parnas (la voie de glycolyse la plus courante), du pyruvate est produit. Les fermentations partent du pyruvate, qui est fermenté en différents produits. Selon les produits finis, il existe différents types de fermentation.

Processus de ferrmentation butyrique

La fermentation butyrique est définie comme la dégradation du glucose (C6H12O6) pour produire de l'acide butyrique (C4H8O2) et du gaz, dans des conditions anaérobies et avec un faible rendement énergétique. Il est caractéristique de la production d'odeurs désagréables et putrides.

La fermentation butyrique est effectuée par des bactéries à Gram positif du genre Clostridium, typiquement Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum, Clostridium thermobutyricum, en plus de Clostridium kluyveri et Clostridium pasteurianum.

Cependant, d'autres bactéries classées dans les genres Butyrvibrio, Butyribacterium, Eubacterium, Fusobacterium, Megasphera et Sarcina ont également été signalées comme producteurs de butyrate.

Dans le processus de fermentation, le glucose est catabolisé en pyruvate, produisant deux moles d'ATP et de NADH. Le pyruvate est ensuite fermenté en divers produits, en fonction de la souche bactérienne.

Dans un premier temps, le pyruvate devient lactate et celui-ci devient acétyl-CoA avec la libération de CO2. Par la suite, deux molécules d'acétyl-CoA forment l'acétoacétyl-CoA, qui est ensuite réduite en butyryl-CoA, par certaines étapes intermédiaires. Enfin, Clostridium fermente le butyryl-CoA en acide butyrique.

Les enzymes phosphotransbutyrylase et butyrate kinase sont les enzymes clés pour la production de butyrate. Dans le processus de formation du butyrate, 3 moles d'ATP se forment.

Dans des conditions de croissance exponentielle, les cellules produisent plus d'acétate que de butyrate, car une mole supplémentaire d'ATP est formée (4 au total).

À la fin de la croissance exponentielle et entrant dans la phase stationnaire, les bactéries diminuent la production d'acétate et augmentent la production de butyrate, réduisant la concentration totale d'ions hydrogène, équilibrant le pH acide du milieu.

Organismes qui effectuent la fermentation butyrique

Le microorganisme le plus prometteur utilisé pour la bioproduction d'acide butyrique est C. tyrobutyricum. Cette espèce est capable de produire de l'acide butyrique avec une sélectivité élevée et peut tolérer des concentrations élevées de ce composé.

Cependant, il ne peut fermenter qu'à partir de très peu de glucides, notamment le glucose, le xylose, le fructose et le lactate.

C. butyricum peut fermenter de nombreuses sources de carbone, y compris les hexoses, pentoses, glycérol, lignocellulose, mélasse, fécule de pomme de terre et perméat de lactosérum de fromage.

Cependant, les rendements en butyrate sont bien inférieurs. Chez C. thermobutyricum, la gamme des glucides fermentescibles est intermédiaire, mais elle ne métabolise ni le saccharose ni l'amidon.

Les clostridies productrices de biobutyrate produisent également plusieurs sous-produits possibles, notamment l'acétate, le H2, le CO2, le lactate et d'autres produits, selon l'espèce Clostridium.

La fermentation d'une molécule de glucose par C. tyrobutyricum et C. butyricum peut être exprimée comme suit:

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

Glucose → 0,8 Butyrate + 0,4 Acétate + 2,4 H2 + 2 CO2

La voie métabolique d'un microorganisme pendant la fermentation anaérobie est affectée par plusieurs facteurs. Dans le cas des bactéries du genre Clostridium, qui produisent du butyrate, les facteurs qui affectent principalement les performances de croissance et de fermentation sont: la concentration de glucose dans le milieu, le pH, la pression partielle d'hydrogène, l'acétate et le butyrate.

Ces facteurs peuvent influencer le taux de croissance, la concentration des produits finaux et la distribution des produits.

produits

Le principal produit de la fermentation butyrique est un acide carboxylique, l'acide butyrique, un acide gras à quatre carbones à chaîne courte (CH3CH2CH2COOH), également connu sous le nom d'acide n-butanoïque.

Il a une odeur désagréable et un goût piquant, mais il laisse un goût un peu sucré dans la bouche, semblable à ce qui se passe avec l'éther. Sa présence est caractéristique du beurre rance, étant responsable de son odeur et de son goût désagréables, d'où son nom, qui est dérivé du mot grec pour «beurre».

Cependant, certains esters d'acide butyrique ont un goût ou une odeur agréable, c'est pourquoi ils sont utilisés comme additifs dans les aliments, les boissons, les cosmétiques et l'industrie pharmaceutique.

Utilisations et applications de l'acide butyrique

Les biocarburants

L'acide butyrique a de nombreuses utilisations dans différentes industries. Il y a actuellement un grand intérêt à l'utiliser comme précurseur des biocarburants.

Industrie alimentaire et pharmaceutique

Il a également des applications importantes dans les industries alimentaires et aromatisantes, en raison de son goût et de sa texture de beurre.

Dans l'industrie pharmaceutique, il est utilisé comme composant dans divers médicaments anticancéreux et autres traitements thérapeutiques, et les esters de butyrate sont utilisés dans la production de parfums, en raison de leur parfum fruité.

Recherche contre le cancer

Il a été rapporté que le butyrate avait divers effets sur la prolifération cellulaire, l'apoptose (mort cellulaire programmée) et la différenciation.

Cependant, différentes études ont donné des résultats contraires en termes d'effet du butyrate sur le cancer du côlon, donnant lieu au soi-disant «paradoxe du butyrate».

Synthèse chimique

La production microbienne d'acide butyrique est une alternative intéressante et préférable à la synthèse chimique. Le succès de la mise en œuvre industrielle de produits chimiques d'origine biologique dépend fortement du coût de production / des performances économiques du procédé.

Par conséquent, la production industrielle d'acide butyrique par des procédés de fermentation nécessite une matière première peu coûteuse, des performances de procédé à haut rendement, une pureté de produit élevée et une forte robustesse des souches productrices.

Références

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