Buttersäure

Buttersäure ist der Trivialname der Butansäure, der einfachsten Fettsäure. Es handelt sich um eine Carbonsäure mit der Halbstrukturformel CH₃–(CH₂)₂–COOH. Ihre Dämpfe reizen die Augen sowie die Atemwege und haben einen charakteristischen, unangenehmen Geruch. In der Natur entsteht Buttersäure durch die Buttersäuregärung. Die Salze und Ester der Buttersäure heißen Butyrate, nach der IUPAC-Nomenklatur auch Butanoate genannt.

Geschichte

Die Buttersäure wurde 1814 von Eugène Chevreul unter den Verseifungsprodukten der Butter entdeckt und sorgfältig beschrieben.<ref name="PG1843Annalen" /> Die Herkunft aus dem Butterfett und der Geruch nach Butter (lateinisch butyrum) führten zum Namen der Säure. Théophile-Jules Pelouze beschrieb sie und ihre Reaktionen 1843 genauer<ref name="PG1843JPrakt" /><ref name="PG1843Annalen" /><ref name="PG1843Comptes" /> und nannte dabei folgende Eigenschaften:

„Die Buttersäure ist eine vollkommen farblose Flüssigkeit, durchsichtig, in hohem Grade beweglich, sie besitzt einen Geruch, welcher gleichzeitig an Essigsäure und kräftige Butter erinnert. Sie ist in allen Verhältnissen, in Wasser, Ethanol und Methanol löslich. Bei gewöhnlichem Druck siedet sie bei 164 °C und destilliert ohne bemerkliche Veränderung. Ihr Dampf ist entzündlich und brennt mit blauer Flamme […] ihr Geschmack ist stark sauer und brennend. Sie greift die Haut an und zerstört sie, wie die stärksten Säuren.“<ref name="PG1843Annalen" />

Eigenschaften

Buttersäure macht im Wesentlichen den unangenehmen Geruch von Erbrochenem oder von ranziger Butter aus. Buttersäure trägt auch zum Schweißgeruch und in manchen Fällen zum Mundgeruch bei. Die Dämpfe reizen in höheren Konzentrationen die Augen und die Atemwege. Buttersäure entsteht beim Ranzigwerden von Butter. Sie ist in jedem Verhältnis mit Wasser, Ethanol, Diethylether und Glycerin mischbar. Buttersäure ist im Vergleich zur Ameisensäure und Essigsäure eine schwächere Säure. Eisen, Zink, Magnesium und andere unedle Metalle lösen sich bei Säurekontakt unter Wasserstoffentwicklung ganz langsam auf. Dabei bilden sich Butyrate, die bei Feuchtigkeit wieder Buttersäure freisetzen:

<math>\mathrm{Mg + 2\ C_3H_7COOH \longrightarrow Mg(C_3H_7COO)_2 + H_2}</math>

Reaktion von Magnesium mit Buttersäure

Mit Alkoholen können Ester erzeugt werden, die zum Fruchtaroma beitragen.<ref>Vorlage:Literatur</ref>

<math>\mathrm{C_3H_7COOH + C_2H_5OH \longrightarrow C_3H_7CO_2C_2H_5 + H_2O}</math>

Reaktion von Buttersäure mit Ethanol

Buttersäure bildet bei erhöhter Temperatur entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei 72 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Explosionsbereich liegt zwischen 2,0 Vol.‑% (72 g/m³) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 10,0 Vol.‑% (365 g/m³) als obere Explosionsgrenze (OEG).<ref name="GESTIS" /> Eine Korrelation der Explosionsgrenzen mit der Dampfdruckfunktion ergibt einen unteren Explosionspunkt von 64 °C.<ref name="GESTIS" /> Die Zündtemperatur beträgt 440 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T2.

Vorkommen

Da die Buttersäure unter anaeroben Bedingungen durch Buttersäurebakterien aus Kohlenhydraten gebildet wird, kommt sie in Lebensmitteln vor, zu deren Zubereitung Gärprozesse notwendig sind, also z. B. Käse, Sauerkraut, Bier und Brot. Daneben kommt sie auch in Milch, Fleischsaft und Schweiß sowie in Holzessig vor.<ref name="Röm">Gerhard Eisenbrand, Peter Schreier: RÖMPP Lexikon Lebensmittelchemie. 2. Auflage, Thieme, 2006, ISBN 978-3-13-736602-7, S. 160.</ref><ref>J. Schormüller: Die Bestandteile der Lebensmittel. Springer, 1965, ISBN 978-3-642-46012-8, S. 765–766.</ref> Weiter findet sie sich in einigen Pflanzenfetten, meistens in geringer Konzentration. Die ursprüngliche Annahme, dass die übelriechende, scharfe und ätzende Flüssigkeit, die verschiedene Arten der Laufkäfer (Carabidae) wie die Echten Laufkäfer (Carabus spp.) zur Abwehr aus der Pygiadialdrüse versprühen, Buttersäure enthält, wurde in späteren Untersuchungen relativiert.<ref>H. Schildknecht, H. Winkler. U. Maschitz: Vergleichend chemische Untersuchungen der Inhaltsstoffe der Pygidialwehrblasen von Carabiden. In: Z. Naturforsch. 23 b, 1968, S. 637–644, doi:10.1515/znb-1968-0512 (PDF; 6,9 MB).</ref>

Herstellung

Datei:Ladbergen Biogasanlage.JPG

Fermenter einer Biogasanlage

Das grampositive, anaerobe, sporenbildende Bakterium Clostridium tyrobutyricum, ist in der Lage, durch Fermentation Buttersäure zu produzieren. Es hat die Fähigkeit, sowohl Glucose als auch Xylose abzubauen. Die wichtigsten metabolischen Endprodukte sind Buttersäure, Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:

<math>\mathrm{C_6H_{12}O_6 \longrightarrow C_3H_7COOH + 2\ H_2 + 2\ CO_2}</math>

Die Ausbeute in Fermentationen ist jedoch erheblich niedriger als das theoretische Maximum, da die Buttersäureproduktion von der Essigsäureerzeugung begleitet wird. Die Produktion von fermentativer Buttersäure wird hauptsächlich in synthetischen Wachstumsmedien mit Glucose, Xylose oder Saccharose als Kohlenstoffquelle durchgeführt.

Während der letzten Jahrzehnte und zur nachhaltigen Produktion von Brennstoffen und Chemikalien aus Restrohstoffen im Vordergrund wurde Buttersäure aus lignocellulosereichen Maisfasern hergestellt. Die Nutzung von Lignocellulose für die biologische Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien erfordert eine Vorbehandlung und enzymatische Hydrolyse, um die fermentierbaren Zucker Glucose und Xylose freizusetzen. Vorbehandlungsverfahren setzen je nach Rohstoff und Härte der Vorbehandlung auch toxische Verbindungen frei, wie Carbonsäuren, Furanderivate und phenolische Verbindungen, die den mikrobiellen Stoffwechsel und das Wachstum hemmen. Daher könnte die Hemmung eines der ersten Hindernisse sein, die überwunden werden müssen, wenn Hydrolysate aus entsprechenden Biomassen für biologische Produktionsprozesse verwendet werden, insbesondere wenn unverdünnte Hydrolysate mit hohen Zuckerkonzentrationen verwendet werden.<ref>G. N. Baroi, I. Baumann, P. Westermann, H. N. Gavala: Butyric acid fermentation from pretreated and hydrolysed wheat straw by an adapted Clostridium tyrobutyricum strain. In: Microbial biotechnology. Band 8, Nummer 5, September 2015, S. 874–882, doi:10.1111/1751-7915.12304, PMID 26230610, Vorlage:PMC.</ref>

Stoffwechsel im Darm

Im menschlichen Dickdarm entsteht Buttersäure vor allem beim Abbau von präbiotischen Kohlenhydraten durch Darmbakterien. Durch die damit verbundene pH-Wert-Verschiebung in den sauren Bereich wird das Milieu für Salmonellen und andere Krankheitserreger ungünstig. Buttersäure scheint darüber hinaus direkt die Darmbewegungen anzuregen und dient den Epithelzellen des Dickdarms als Energiequelle.

Geruch

Der Geruch von Buttersäure kann von Menschen und Tieren bereits in kleinen Spuren wahrgenommen werden. Für den Menschen sind Konzentrationen ab 0,06 mg pro Kubikmeter wahrnehmbar.<ref name="GESTIS" /> Er bewertet den Geruch negativ, für Stubenfliegen ist er dagegen attraktiv und blutsaugenden Zecken wie dem Holzbock dient er zum Auffinden ihrer Wirte.

Buttersäure ist neben Propionsäure, Schwefelwasserstoff und flüchtigen schwefelhaltigen organischen Verbindungen (Methanthiol, Dimethylsulfid) ein Verursacher von Mundgeruch beim Menschen.<ref name="Legrum">Wolfgang Legrum: Riechstoffe, zwischen Gestank und Duft. Vieweg + Teubner Verlag, 2011, ISBN 978-3-8348-1245-2, S. 61–62.</ref>

Da die Entstehung von Buttersäure ein Zeichen von Fäulnis darstellt, dient ihre Geruchswahrnehmung als Warngeruch. Der Geruch von Buttersäure kann mit Basen, wie Natronlauge, Lösungen von Carbonaten usw. vermindert werden. Dabei bilden sich geruchlose Butyrate.

Verwendung

Datei:Celluloseacetobutyrat SCHEMATIC Structural Formula V.2.png

Strukturformel von Celluloseacetatbutyrat

Zur Herstellung von preisgünstigen, besonders wirksamen und lange anhaltenden Stinkbomben wird nebst Schwefelwasserstoff Buttersäure verwendet.<ref>Institut für Prävention und Arbeitsmedizin: Geruchsbelästigungen am Arbeitsplatz - Herausforderungen für die arbeitsmedizinische Praxis, IPA-Journal 03/2018, abgerufen am 5. November 2022</ref> Der penetrante Geruchsstoff wird auch dazu verwendet, Maulwürfe zu vertreiben.<ref name="selbst.de">selbst.de: Maulwurf bekämpfen | selbst.de, abgerufen am 5. November 2022</ref><ref name="heimwerker.de">heimwerker.de: Maulwürfe bekämpfen – 7 Tipps zum verschrecken von Maulwürfen - heimwerker.de, abgerufen am 5. November 2022</ref> Der Vertrieb dieses Mittels für diesen Zweck ist jedoch verboten, da es keine Zulassung als Biozid hat.<ref name="rechtslupe.de">Rechtslupe: Buttersäure für die Maulwurfbekämpfung | Rechtslupe, abgerufen am 5. November 2022</ref>

Buttersäure findet in verschiedenen Branchen Verwendung. Gegenwärtig besteht ein großes Interesse daran, sie als Vorstufe für Biokraftstoffe, z. B. Biobutanol, zu verwenden. Aufgrund des Anstiegs des Ölpreises sowie der kontinuierlichen Verringerung der Erdölverfügbarkeit und des wachsenden Bedarfs an sauberen Energiequellen wurden in jüngster Zeit Forschungsarbeiten auf alternative Kraftstoffquellen ausgerichtet.

Buttersäure findet auch zahlreiche Anwendungen in der pharmazeutischen und chemischen Industrie. In der chemischen Industrie wird Buttersäure hauptsächlich zur Herstellung von Celluloseacetatbutyrat-Kunststoffen verwendet. Die aus Buttersäure hergestellten Buttersäureester werden zudem als Aromen und Riechstoffe in der Getränke-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie verwendet.<ref name="Röm" />

In der Analytik dient Buttersäure traditionell als Leitsubstanz für Wiederkäuer-Milchfett, da sie nicht in tierischen Körperfetten oder pflanzlichen Fetten vorkommt.<ref name="Röm" />

Salze

Butyrate (systematisch auch Butanoate) ist neben einer Bezeichnung für Buttersäureester auch die Bezeichnung für die Salze der Buttersäure. Diese bestehen aus Butyrat-Anionen C₃H₇COO⁻ und einem Kation. Beispiele sind Natriumbutyrat (NaC₃H₇COO), Magnesiumbutyrat<ref>Vorlage:Substanzinfo</ref> [Mg(C₃H₇COO)₂] und Ammoniumbutyrat<ref>Vorlage:Substanzinfo</ref> (NH₄C₃H₇COO). Bei Feuchtigkeit besitzen sie den gleichen charakteristischen Geruch wie Buttersäure. Wird ein Butyrat-Salz mit einer stärkeren Säure behandelt, entsteht wiederum Buttersäure.

Das Calcium-Salz der Buttersäure (Calciumbutyrat<ref>Vorlage:Substanzinfo</ref>) ist ein in der Gerberei-Industrie benutztes Entkalkungsmittel für Häute.<ref name="Röm" />

Ester

Die Ester der Buttersäure haben in vielen Fällen einen Geruch nach Früchten und kommen in vielen Fruchtaromen natürlich vor.<ref>George A Burdock: Fenaroli's Handbook of Flavor Ingredients. Sixth Edition, CRC Press, 2009, ISBN 978-1-4200-9077-2.</ref>

Einzelnachweise

<references> <ref name="PG1843Annalen"> Vorlage:Literatur </ref> <ref name="PG1843JPrakt"> Vorlage:Literatur </ref> <ref name="PG1843Comptes"> Vorlage:Literatur </ref> </references>