การหมักบิวทิเรตเป็นกระบวนการที่ผลิตกรดบิวทิริกโดยใช้ แบคทีเรีย แบบไม่ใช้ออกซิเจนกระบวนการนี้มักเกิดขึ้นในคลอสทริเดียมซึ่งสามารถแยกได้จากสภาพแวดล้อมแบบไม่ใช้ออกซิเจนหลายแห่ง เช่น โคลนอาหารหมักดองและลำไส้หรืออุจจาระ^{[ 1 ]}คลอสทริเดียมสามารถหมักคาร์โบไฮเดรตให้เป็นกรดบิวทิริก โดยมีผลพลอยได้ ได้แก่ ก๊าซไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และอะซิเตต ปัจจุบันการหมักบิวทิเรตถูกนำมาใช้ในการผลิตสารชีวเคมีและเชื้อเพลิงชีวภาพหลากหลายชนิด

บิวทิเรตในมนุษย์มีต้นกำเนิดมาจากจุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนที่หมักใยอาหารในลำไส้ส่วนล่าง บิวทิเรตมีบทบาทสำคัญในการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันและการอักเสบ รวมถึงการสร้างเกราะป้องกันลำไส้ การมีกรดไขมันสายสั้นช่วยลดค่า pH ของลำไส้ ทำให้แบคทีเรียที่ผลิตบิวทิเรตเจริญเติบโตได้อย่างเหมาะสม กระบวนการเผาผลาญหลักสองกระบวนการที่ใช้ในการหมักบิวทิเรตคือการฟอสโฟรี เลชัน ของบิวทิริล-โคเอ และการถ่ายโอนอะซิเตต-โคเอ

บิวทิเรตผลิตขึ้นจากกระบวนการหมักหลายขั้นตอนที่ดำเนินการโดยแบคทีเรียที่ไม่ใช้ ออกซิเจน ^{[ 2 ]}เส้นทางการหมักนี้ถูกค้นพบโดยหลุยส์ ปาสเตอร์ในปี พ.ศ. 2404 ^{[ 1 ]}ตัวอย่างของแบคทีเรียที่ผลิตบิวทิเรตได้แก่ :

• คลอสตริเดียม บิวทิริคัม
• คลอสตริเดียม คลูวีเวรี
• คลอสทริเดียม พาสเทอเรียนัม
• ฟาเอคาลิแบคทีเรียม เพรสนิตซี
• ฟูโซแบคทีเรียม นิวคลีเอตัม
• บิวทิริไวบรีโอ ไฟบริโซลเวนส์
• ยูแบคทีเรียม ลิโมซัม

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการสลายกลูโคส ด้วยกระบวนการไกลโค ไล ซิ ส ทำให้เกิด ไพรูเวต 2 โมเลกุลเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ ไพรูเวตจะถูกออกซิ ไดซ์ เป็นอะเซทิลโคเอนไซม์เอโดยมีเอนไซม์ไพรูเวต: เฟอร์ เรดอก ซินออกซิโดรีดักเทสเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา คาร์บอนไดออกไซด์ ( CO₂ ) 2 โมเลกุล และไฮโดรเจน (H₂) 2 โมเลกุล_เกิดขึ้นเป็นของ_เสียจากนั้น ในขั้นตอนสุดท้ายของการหมัก จะมีการผลิต ATPโดยจะผลิต ATP ได้ 3 โมเลกุลต่อกลูโคส 1 โมเลกุล ซึ่งถือว่ามีผลผลิตค่อนข้างสูง สมการเคมีที่สมดุลสำหรับการหมักนี้คือ

ค₆ชั่วโมง₁₂ O ₆ → C ₄ชั่วโมง₈ O ₂ + 2CO ₂ + 2H ₂

เส้นทางอื่นๆ ในการสังเคราะห์บิวทิเรต ได้แก่ การลด ซัคซิเนตและการแยกส่วนโครโทเนต

จุลินทรีย์หลายชนิดสร้างอะซิโตนและเอ็น-บิวทานอลในกระบวนการทางเลือก ซึ่งเริ่มต้นจากการหมักบิวทิเรต จุลินทรีย์บางชนิดในกลุ่มนี้ได้แก่:

• Clostridium acetobutylicumเป็นผู้ผลิตอะซิโตนและบิวทานอลที่สำคัญที่สุด และยังใช้ในอุตสาหกรรมอีกด้วย
• คลอสทริเดียม เบเจอรินคี
• คลอสตริเดียม เททาโนมอร์ฟัม
• คลอสตริเดียม ออแรนติบิวทิริคัม

แบคทีเรียเหล่านี้เริ่มต้นด้วยการหมักบิวทิเรตดังที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น แต่เมื่อค่า pHลดลงต่ำกว่า 5 พวกมันจะเปลี่ยนไปผลิตบิวทานอลและอะซิโตนเพื่อป้องกันไม่ให้ค่า pH ลดลงไปอีก โดยจะเกิดบิวทานอล 2 โมเลกุลต่ออะซิโตน 1 โมเลกุล

การเปลี่ยนแปลงในเส้นทางเกิดขึ้นหลังจากมีการสร้างอะซีโตอะเซทิล CoA สารตัวกลางนี้สามารถดำเนินไปได้สองเส้นทาง:

• อะซีโตอะเซทิล CoA → อะซีโตอะซิเตต → อะซีโตน
• อะซีโตอะเซทิล CoA → บิวทิริล CoA → บิวทิรัลดีไฮด์ → บิวทานอล

บิวทิเรตสามารถผลิตได้จากใยอาหารผ่านวิถีเมตาบอลิซึมสองแบบที่แตกต่างกัน วิถีเมตาบอลิซึมแรกคือ บิวทิริล-CoA จะถูกฟอสโฟรีเลตเพื่อสร้างบิวทิริลฟอสโฟริเลตและเปลี่ยนเป็นบิวทิริลฟอสเฟตและเปลี่ยนเป็นบิวทิเรตผ่านบิวทิเรตไคเนส วิถีที่สองคือ ส่วน CoA ของบิวทิริล-CoA จะถูกถ่ายโอนไปยังอะซิเตตผ่านบิวทิริล-CoA: อะซิเตต CoA-ทรานสเฟอเรส ทำให้เกิดบิวทิเรตและอะซิทิล-CoA วิถีเมตาบอลิซึมเหล่านี้คือวิธีการผลิตบิวทิเรต^{[ 3 ]}

เพื่อวัตถุประสงค์ทางการค้า สายพันธุ์ Clostridiumนิยมใช้ในการผลิตกรดบิวทิริกหรือบิวทานอล กรดบิวทิริกที่ผลิตผ่านการหมักบิวทิเรตเป็นสารเติมแต่งอาหารทั่วไปและพบได้ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น เนย นม ชีส และน้ำมันพืช บางสายพันธุ์ในสกุลClostridiumสามารถผลิตสารชีวเคมีและเชื้อเพลิงชีวภาพได้ กระบวนการหมักนี้สามารถผลิตอะซิโตนบิวทานอลและเอทานอลและเป็นหนึ่งในกระบวนการหมักเชิงพาณิชย์แรกๆ ที่ใช้สำหรับการผลิตสารเคมีจำนวนมาก สายพันธุ์นี้ยังถูกนำมาใช้ในการบำบัด การวิจัย และแม้แต่เครื่องสำอาง (เช่น น้ำหอม) นอกจากนี้ยังถูกนำไปใช้ในกระบวนการทางชีวภาพ เช่น ในการผลิตโยเกิร์ต โดยสายพันธุ์ที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับโปรไบโอติกคือClostridium butyricum ^{[ 4 ]}

บิวทิเรต ซึ่งเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์หลักจากการหมักของจุลินทรีย์ในลำไส้ มีบทบาททางเมตาบอลิซึมหลายอย่างในการรักษาสมดุลของร่างกายมนุษย์ พบว่าบิวทิเรตช่วยเพิ่มการใช้พลังงานเพื่อต่อต้านโรคอ้วนที่เกิด จากอาหารไขมันสูง (HFD) เนื่องจากบิวทิเรตกระตุ้น กระบวนการสร้าง ความร้อน (thermogenesis ) ซึ่งเป็นหน้าที่ของเนื้อเยื่อไขมันในการสลายพลังงานเคมีโดยการแยกโปรตีนออกจากพลังงานที่ใช้ และเพิ่มอุณหภูมิร่างกาย นอกจากนี้ บิวทิเรตยังส่งเสริมการออกซิเดชันของกรดไขมันลด ระดับ ไตรกลีเซอไรด์ที่สูงขึ้นจาก HFD และลดอัตราส่วนการแลกเปลี่ยนก๊าซในระบบทางเดินหายใจ ในภาวะผิดปกติทางเมตาบอลิซึม เช่น โรคอ้วนและเบาหวานจะมีการทำงานผิดปกติของสมดุลกลูโคสเนื่องจากความไวต่ออินซูลินลดลงและการทำงานผิดปกติของเซลล์เบต้าในตับอ่อน ซึ่งอาจนำไปสู่การหลั่งอินซูลินลดลง มีการแสดงให้เห็นว่าบิวทิเรตช่วยควบคุมสมดุลกลูโคสโดยการปรับปรุง การพัฒนาของ เซลล์เบต้าในตับอ่อนและเพิ่มความไวต่ออินซูลิน นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าเด็กที่มีภาวะภูมิคุ้มกันต่อเซลล์เบต้าจะมีแบคทีเรียในลำไส้ที่สร้างบิวทิเรตในปริมาณน้อย^{[ 5 ]}

เมื่อมีบิวทิเรตอยู่ในลำไส้จะมีการยับยั้งIFN-γ , TNF-α , IL-6และIL-8 ซึ่งเป็นไซโตไคน์ที่ก่อให้เกิดการอักเสบและเพิ่มการอักเสบจนอาจทำให้เกิดการทำลายเนื้อเยื่อได้ นอกจากนี้ บิวทิเรตยังสามารถกระตุ้นการสร้าง IL-10และTGF-βซึ่งเป็นไซโตไคน์ต้านการอักเสบได้อีกด้วยกรดไขมันสายสั้นสามารถปรับเปลี่ยน การเคลื่อนที่ของ นิวโทรฟิลซึ่งช่วยปรับปรุงการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกัน สิ่งนี้มีความสำคัญทางคลินิกในโรคอักเสบของลำไส้เนื่องจากมีลักษณะการอักเสบเรื้อรัง ในโรคอักเสบของลำไส้ พบว่ามีการลดลงของแบคทีเรียที่ผลิตบิวทิเรต ซึ่งทำให้กลไกการป้องกันของเยื่อบุลำไส้ลดลงอย่างมาก^{[ 6 ]}