Fermentación Butírica

ÍNDICE CONTENIDO

PÁGINAS 3

1. Generalidades 2. Morfología de los Microorganismos causantes causantes de la fermentación

3

3. Vías metabólicas utilizadas por las bacterias del Ácido Butírico

4

3.1. Formación de butirato a partir de glucosa

5

3.2. Formación de acetona y butanol

6

3.3. Otros productos finales de la fermentación

7

4. Ejemplos de Contaminación Butírica

8

4.1. Efectos de la Contaminación en Lácteos

8

4.2. Efectos de la Contaminación en la Producción de Quesos

8

Conclusión

10

Bibliografía

11

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

1. GENERALIDADES La fermentación butírica y los procesos relacionados con ella son llevados a cabo por las cepas de Clostridium, microorganismos anaerobios, que forman esporas. El Clostridium butyricum  es el causante de la fermentación butírica, el Clostridium acetobutilicum  de la fermentación butanol- acetona y el Clostridium butilicum  de la isopropanólica. El la tecnología de los alimentos la fermentación butírica tiene importancia como fermentación anómala en algunas instalaciones. Puesto que el bacilo butírico al formar esporas, es relativamente resistente a la esterilización por calor y por otro lado tiene amilasas muy activas mediante las cuales puede fermentar directamente los materiales amiláceos es posible que diversas materias y productos sean atacados por él. De esta forma se pueden echar a perder los productos lácteos debido al repugnante olor del ácido butírico formado. En las destilerías de cereales y patatas, las materias primas amiláceas se atacan en el calentamiento bajo presión. Parte de las esporas del Clostridium resisten el calor y cuando el contenido de estas calderas no se emplea enseguida para la fabricación las esporas pueden germinar y ocasionar una fermentación butírica, en ella se desprende hidrógeno que al mezclarse con el oxígeno del aire puede producir explosiones. El ácido  butírico formado inhibe el crecimiento de las levaduras, lo cual es otro factor perjudicial que actúa sobre estas maltas infectadas. La obtención de ácido butírico por vía fermentativa no tiene utilidad técnica. Sin embargo en muchos países se utiliza la fermentación butanol-acetona, relacionada con la fermentación butírica. Especialmente la preparación de n-butanol, empleado como disolvente, hace que este proceso sea económicamente rentable. La fermentación butanol-acetona ha jugado también un papel en la técnica de la fermentación, ya que con ella se resolvió por primera vez el problema de realizar una fermentación anaerobia con un cultivo puro. En este tipo de fermentación se transforma la glucosa del medio en ácido  butírico, ácido acético, dióxido de carbono, hidrógeno y energía para los procesos metabólicos. La reacción global teórica de la fermentación butírica es la siguiente:

4C6H12O6→ 3CH3-CH2-CH2-COOH + 2CH3-COOH + 8CO2 + 8H2 + 10ATP

2. MORFOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS CAUSANTES DE LA FERMENTACIÓN Clostridium es un género de bacterias anaerobias, bacilos grampositivas, parásitas y saprófitas, algunas de ellas esporulan y son móviles, en general por intermedio de flagelos  perítricos. Toman la forma de fósforos, palillo de tambor o de huso de hilar, de ahí su nombre griego Klostro, que significa huso de hilar.

2

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

El género características:    

está

definido

por

cuatro

Presencia de endosporas. Metabolismo anaerobio estricto Incapacidad para reducir  sulfatos a sulfitos. Pared celular  grampositiva.

3. VÍAS METABÓLICAS UTILIZADAS POR LAS BACTERIAS DEL ÁCIDO BUTÍRICO

En la figura se puede observar el esquema metabólico de la formación de los  productos finales de la fermentación de los hidratos de carbono por las bacterias del ácido butírico. En trazo sencillo, la producción de butirato. En trazo grueso, producción de acetato y etanol a partir del acetil-CoA. En trazo sencillo discontinuo, producción de  butanol, acetona e isopropanol. En doble trazo discontinuo, producción de acetato a  partir de CO2 e H2. Los productos finales se muestran en recuadro. Puede comprobarse que, además de producir ácido butírico o metabolitos derivados característicos de la misma vía metabólica (como el butanol, la acetona o el isopropanol, que aparecen en el medio de cultivo de algunas cepas como consecuencia de la acidificación del mismo), producen siempre acetato. De hecho, la producción de acetato es una característica del grupo de las bacterias del ácido butírico.

3

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

3.1. Formación de butirato a partir de glucosa En las distintas fermentaciones de la glucosa por parte de las bacterias del ácido  butírico hay siempre unos productos finales en proporción variable: acetato, butirato, CO2 e H2. De hecho, algunos microorganismos como el C. butyricum sólo se producen estos cuatro catabolitos. En una etapa inicial de la fermentación sólo se forma acetato, CO2 e H2. El pH baja rápidamente y cada vez resulta más difícil reoxidar el NADH + H+. En este momento se inicia la formación de butirato, que sigue aumentando a costa del ácido acético formado inicialmente, cuya concentración disminuye. El pH se estabiliza y la fermentación puede proseguir porque la formación de butirato permite equilibrar el balance O/R. La vía metabólica utilizada para la formación de butirato inicia con la degradación del azúcar vía Embden-Meyerhof, luego el piruvato es descarboxilado a acetil-CoA por la reacción fosforoclástica, produciéndose por tanto H 2.

En la figura se observa el ciclo completo donde los números indican las enzimas que intervienen en cada reacción: (1) Alcohol deshidrogenasa (2) Acetaldehído deshidrogenasa (3) Tiolasa (4) β-Hidroxibutiril-CoA deshidrogenasa (5) Crotonasa (6) Butiril-CoA deshidrogenasa (7) CoA transferasa.

4

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

3.2. Formación de acetona y butanol El Clostridium acetobutilicum  produce disolventes neutros (acetona, butanol y etanol) junto con butirato, acetato, CO 2 e H2  en la fermentación de azucares. Es la llamada fermentación acetona-butanol que ha sido objeto de gran atención a escala industrial. En la primera etapa de la fermentación se producen los ácidos. Luego aparecen los disolventes, haciéndose constante el pH del medio y aumentando la producción de CO 2 con respecto al H2, así como la producción total de gases. Esto es debido a la formación de acetona. El acetoacetil-CoA se convierte en acetoacetato que luego se descarboxila dando acetona y CO 2. A fin de compensar el bloqueo en la reoxidación de NADH que se produce al transformarse parte del acetoacetil-CoA en acetona, parte del acetoacetilCoA se convierte en butiril-CoA. El mismo se reduce a butiraldehído con la misma aldehído deshidrogenasa que reduce el acetil-CoA a acetaldehído. Posteriormente, la alcohol deshidrogenasa dependiente de NADH + H +  convierte el butiraldehído en  butanol.

En la figura se observa el ciclo completo donde los números indican las enzimas que intervienen en cada reacción: (1) CoA Transferasa (2) Acetoacetato descarboxilasa (3) Butiraldehído deshidrogenasa (4) Butanol deshidrogenasa.

5

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

3.3. Otros productos finales de fermentación producidos por las bacterias del ácido butírico Además de los productos referidos hasta ahora, en el medio resultante de la fermentación de las bacterias butíricas pueden encontrarse, en mayor o menor cantidad, acetoína, isopropanol, etanol, lactato y succinato. El C. acetobutilicum  puede formar una pequeña cantidad de acetoína del mismo modo que las bacterias del ácido láctico:

La acetoína sólo se forma directamente del piruvato y del acetaldehído en las  baterías del ácido acético. El C. butylicum, especie afín al C. acetobutylicum, es la única que forma isopropanol a partir de acetona como precursor:

El C. butylicum no produce etanol ni acumula acetona. El C. acetobutylicum y C. perfringens producen también algo de etanol. El acetilCoA se reduce a etanol a través de acetaldehído. El Bacillus macerans es un esporágeno facultativo que fermenta hidratos de carbono  produciendo etanol, acetona, acetato, CO 2 e H2. La descarboxilación del piruvato sigue el modelo entérico, produciendo ácido fórmico y acetil-CoA. A diferencia de las levaduras, no dispone de piruvato descarboxilasa, que produce directamente CO 2 y acetaldehído. El  B. macerans  carece de las enzimas que posibilitan formar butirato a partir del acetil-CoA. La producción de acetona y etanol sigue la misma vía que en el C. acetobutylicum. En el sobrenadante de cultivos de C. perfringens y  Butyribacterium rettgeti aparece lactato, que se forma a partir del piruvato con una lactato deshidrogenasa NADH dependiente. En el primero se incrementa su producción en condiciones deficiencia de hierro.

6

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

4. EJEMPLOS DE CONTAMINACIÓN BUTÍRICA 4.1. Efectos de la Contaminación en Lácteos La contaminación butírica de la leche abarca varias fases. En algunas de ellas los  butíricos se encuentran predominantemente en forma esporulada y en otras en forma multiplicativa. En el ciclo de la contaminación SUELO-FORRAJE-ANIMAL-LECHE se ven los diferentes medios donde se desenvuelven estas bacterias y la forma dominante en cada uno de ellos. EI contenido de esporas en el forraje fresco suele ser bajo; el proceso del ensilado, si no se realiza adecuadamente, favorece su aumento de manera importante; su paso por el tracto digestivo y aparición en el estiércoles no hace aumentar su número, pero sí su concentración; la aplicación del estiércol al suelo cierra el ciclo.

4.2. Efectos de la Contaminación en la Producción de Quesos Las propiedades del queso como medio de cultivo bacteriológico cambian durante los primeros días después de su fabricación. Comienza siendo preferentemente un sustrato azucarado para transformase gradualmente en un sustrato lactato. El azúcar (lactosa) es fermentada, produciendo ácido láctico, que es neutralizado por el calcio y otras sustancias minerales, dando lugar al lactato cálcico. La fermentación butírica, que tiene lugar durante las primeras semanas después de la fabricación del queso, es provocada por bacterias acido-butíricas que fermentan la lactosa. Estos procesos fermentativos dan lugar a grandes cantidades de anhídrido 7

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

carbónico, hidrogeno y acido butírico. El queso presenta una textura irregular y un sabor rancio dulce de ácido butírico. Bacterias acido-butíricas: 



Clostridium butricum 

móvil: pueden generar fermentaciones butíricas tempranas y tardías en el queso Clostridium tirobutiricum: puede generar fermentaciones tardías

La fermentación butírica se la puede prevenir, con adición de nitrato de potasio en la leche que se va a utilizar para la fabricación de queso, ya que tiene un efecto inhibidor sobre las bacterias acido-butíricas. La utilización de sal común (NaCl) tiene un efecto muy fuerte sobre dichas bacterias.

8

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

CONCLUSIÓN La fermentación butírica es un proceso anaerobio, que por lo general, no representa algo bueno si aparece, ya que es indicio de que hay contaminación en ese  producto. Es importante conocer dónde y cómo actúan estos microorganismos para poder, ya sea, frenarlos, o evitar y tener mucho más cuidado en esa etapa del proceso  productivo del producto.

9

Ingeniería Bioquímica

Fermentación Butírica

BIBLIOGRAFIA 



BRUCHMANN Ernst-Erich, Bioquímica Técnica, Editorial Acribia, ZaragozaEspaña, 1980. PARES Ramon, Bioquímica de los Microorganismos, Editorial Reverté, Barcelona-España, 1997.

10