Axit butyric

Axit butyric (từ tiếng Hy Lạp βούτυρος = bơ), còn được gọi theo tên hệ thống là acid butanoic, là một axit cacboxylic với công thức cấu trúc CH₃CH₂CH₂-COOH. Nó được tìm thấy trong bơ ôi, pho mát parmesan, các chất mùi hôi, mùi cơ thể và có mùi khó chịu cũng như vị chua hăng, nhưng có dư vị hơi ngọt (tương tự như ether). Axit butyric có thể được nhiều loài động vật có vú với khả năng phát hiện mùi tốt như chó, phát hiện ở ngưỡng 10 ppb, trong khi con người có thể phát hiện ra nó nếu nồng độ là trên 10 ppm.

Tính chất

Axit butyric là một axit béo tồn tại dưới dạng este trong mỡ động vật và dầu thực vật. Glyceride của axit butyric chiếm 3-4% trọng lượng bơ. Khi bơ bị ôi, axit butyric được giải phóng ra khỏi glyceride do thủy phân tạo ra mùi khó chịu của sản phẩm. Nó là thành viên quan trọng của nhóm axit béo gọi là các axit béo mạch ngắn. Axit butyric là một axit yếu với pKa bằng 4,82, tương tự như axit acetic với pKa bằng 4,76. Độ mạnh tương tự nhau của hai axit này được tạo ra nhờ cấu trúc kết thúc chung của chúng -CH₂COOH. Axit butyric có tỷ trọng riêng 0,096 g/cm³ và khối lượng phân tử 88,1051; vì vậy, 1 lít axit butyric tinh khiết chứa khoảng 10,8961 mol.

Axit butyric là một chất lỏng không màu dạng dầu, đóng băng ở -8 °C; sôi ở 164 °C. Nó dễ dàng hòa tan trong nước, ethanol, ether nhưng bị lắng xuống nếu dung dịch của nó có bổ sung calci chloride, kali dichromat và acid sulfuric oxy hóa nó thành carbon dioxide và axit acetic, trong khi kali permanganat oxy hóa nó thành dioxide carbon. Muối Ca(C₄H₇O₂)₂•H₂O, là một hợp chất ít hòa tan trong nước nóng hơn so với nước lạnh.

Axit clohydric có đồng phân cấu trúc gọi là axit isobutyric (axit 2-metylpropanoic).

Sản xuất

Axit butyric hay quá trình lên men của nó được tìm thấy dưới dạng este hexyl (hexyl butanoat) trong tinh dầu của Heracleum giganteum (một loài cây thuộc họ càu), và dưới dạng octyl ester (octyl butanoat) trong củ cải vàng (Pastinaca sativa); nó cũng được phát hiện trong các chất lỏng từ thịt và trong mồ hôi.

Nó được sản xuất trong công nghiệp thông qua quá trình lên men đường hoặc tinh bột, thường bằng cách bổ sung phô mai thối với calci carbonat để trung hòa các axit hình thành trong quá trình sản xuất. Quá trình lên men butyric của tinh bột được thúc đẩy bằng cách thêm vi khuẩn Bacillus subtilis. Các muối và este của axit butyric được gọi là butanoat.

Lên men butanoat

Butanoat được sản xuất như là sản phẩm cuối cùng trong quá trình lên men chỉ sử dụng vi khuẩn kỵ khí cưỡng bức. 'Trà' kombucha lên men chứa acid butyric là kết quả của quá trình lên men này. Loại lên men này được Louis Pasteur phát hiện vào năm 1861. Các chủng vi khuẩn gây lên men sản sinh butanoat là:

• Clostridium acetobutylicum
• Clostridium butyricum
• Clostridium kluyveri
• Clostridium pasteurianum
• Fusobacterium nucleatum
• Butyrivibrio fibrisolvens
• Eubacterium limosum

Cách thức lên men này bắt đầu bằng thủy phân glucose với việc chia cắt glucose thành 2 phân tử pyruvat, như xảy ra ở phần lớn các sinh vật. Pyruvat sau đó được oxy hóa thành Acetyl-CoA thông qua một hệ thống enzym gọi là pyruvat-ferredoxin oxidoreductase. Hai phân tử carbon dioxide (CO₂) và hai phân tử hydro (H₂) được tạo thành như phản ứng phụ trong quá trình này. Sau đó:

ATP được sinh ra, như có thể thấy, trong bước cuối cùng của quá trình lên men. Ba phân tử ATP được sinh ra từ mỗi phân tử glucoza, một năng suất tương đối cao. Phương trình cân bằng cho quá trình lên men này là:

C₆H₁₂O₆ → C₄H₈O₂ + 2CO₂ + 2H₂

Lên men aceton và butanol

Một số loài vi khuẩn tạo ra aceton và butanol theo cách khác, bắt đầu từ quá trình lên men butyrat. Các loài bao gồm:

• Clostridium acetobutylicum: loài vi khuẩn sản xuất aceton và butanol hiệu quả nhất, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
• Clostridium beijerinckii
• Clostridium tetanomorphum
• Clostridium aurantibutyricum

Các loài vi khuẩn này bắt đầu từ quá trình lên men butanoat như đã đề cập trước đó. Khi pH dưới 5, chúng chuyển sang sản xuất butanol và aceton để ngăn chặn sự giảm pH tiếp theo. Mỗi phân tử aceton sinh ra hai phân tử butanol.

Sự thay đổi này xảy ra sau khi hình thành acetoacetyl CoA. Trung gian này sau đó chọn một trong hai cách thức khả thi:

• Acetoacetyl CoA → acetoacetat → aceton
• Acetoacetyl CoA → butyryl CoA → butanal → butanol.

Vai trò sinh học

Các loại chất xơ dễ lên men như cám yến mạch, pectin và đậu guar được vi khuẩn ruột chuyển hóa thành các acid béo ngắn, trong đó có butyrat.

Butanoat có hiệu ứng đa dạng và có vẻ đối nghịch với sự tăng trưởng, phân hóa và tử nhiên của các tế bào và có thể hỗ trợ hoặc ngăn chặn khối u, phụ thuộc vào yếu tố như mức độ phơi nhiễm, khả năng có sẵn của các chất nền trao đổi chất khác cũng như môi trường nội bào. Một số người cho rằng butanoat có khả năng bảo vệ chống ung thư ruột kết. Tuy nhiên, không phải mọi nghiên cứu hỗ trợ tác dụng phòng ngừa này, và sự không nhất quán (đặc biệt là giữa các nghiên cứu in vivo và in vitro) về tác dụng của butyrat đối với ung thư ruột kết được gọi là 'nghịch lý butyrat'. Nhiều nguyên nhân gây ra sự khác biệt này, bao gồm sự khác biệt giữa môi trường in vitro và in vivo, thời gian và liều lượng butanoat, nguồn gốc (thường là các xơ dinh dưỡng) cũng như tương tác với các chất béo dinh dưỡng. Tổng thể, các nghiên cứu cho thấy các lợi ích phòng ngừa của butanoat phụ thuộc vào liều lượng, thời gian tiếp xúc với tiến trình ung thư và loại chất béo trong chế độ ăn uống. Các chế độ ăn ít carbohydrat như chế độ Atkins làm giảm lượng butanoat được sản sinh trong ruột kết.

Acid butyric cũng liên quan đến khả năng ngăn chặn, ức chế chức năng của enzym histon deacetylase, làm tăng trạng thái acetyl hóa của các histon trong tế bào. Histone acetyl hóa có tính axit thấp hơn so với histone không acetyl hóa, do sự trung hòa điện tích. Nói chung, nó làm giảm khả năng tiếp cận các khu vực mà histone liên kết chặt chẽ với DNA (nghĩa là không acetyl hóa, như heterochromatin). Do đó, acid butyric có thể làm tăng độ hoạt động của các tác nhân sao chép, mà thường bị ức chế do hoạt động của enzym histon deacetylase.

Sử dụng

Acid butyric được sử dụng trong sản xuất các loại ester butanoat khác nhau. Các ester có nồng độ thấp của acid butyric, như methyl butanoat, thường có mùi thơm dễ chịu. Chúng được sử dụng làm phụ gia trong thực phẩm và nước hoa. Ngoài ra, chúng còn được áp dụng trong các phòng thí nghiệm hữu cơ, để minh họa trong giảng dạy về phản ứng ester hóa Fisher.