FERMENTACJA: HISTORIA, PROCES, RODZAJE, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Fermentacja jest procesem chemicznym, w którym jeden lub większą liczbę związków organicznych są degradowane do prostych związków, w tym braku tlenu (anaerobowo). Jest wykonywany przez wiele typów komórek w celu wytworzenia energii w postaci ATP.

Obecnie organizmy zdolne do „fermentacji” cząsteczek pod nieobecność tlenu są bardzo ważne na poziomie przemysłowym, ponieważ są wykorzystywane do produkcji etanolu, kwasu mlekowego i innych produktów o znaczeniu komercyjnym, które są używane do produkcji wina, piwa, sera i jogurtu. itp.

Chleb i piwo, dwa produkty alkoholowej fermentacji drożdży (Zdjęcie: PublicDomainImages na www.pixabay.com)

Słowo fermentacja wywodzi się od łacińskiego słowa fervere, które oznacza „gotować” i zostało stworzone w nawiązaniu do bulgotania obserwowanego w pierwszych sfermentowanych napojach, bardzo podobnego do wrzenia gorącego płynu.

Dzisiaj, jak zasugerował Gay-Lussac w 1810 r., Jest to ogólny termin odnoszący się do beztlenowego rozkładu glukozy lub innych organicznych składników odżywczych w celu wytworzenia energii w postaci ATP.

Ponieważ pierwsze żyjące istoty, które pojawiły się na Ziemi, prawdopodobnie żyły w atmosferze bez tlenu, beztlenowy rozkład glukozy jest prawdopodobnie najstarszym sposobem metabolizmu istot żywych na uzyskanie energii z cząsteczek organicznych.

Historia fermentacji

Ludzka wiedza na temat zjawiska fermentacji jest być może równie stara, jak rolnictwo, ponieważ od tysięcy lat człowiek promuje przekształcanie rozgniecionego słodkiego soku winogronowego w musujące wino lub przetwarzanie ciasta pszennego w chleb. .

Jednak w pierwszych społeczeństwach przemiana tych „podstawowych” elementów w sfermentowaną żywność była uważana za rodzaj „tajemniczego” lub „cudownego” wydarzenia, ponieważ nie było wiadomo, co go spowodowało.

Postęp myśli naukowej i wynalezienie pierwszych mikroskopów niewątpliwie stworzyły ważny precedens w dziedzinie mikrobiologii, a tym samym umożliwiły rozwiązanie fermentacyjnej „tajemnicy”.

Eksperymenty Lavoisiera i Gay-Lussaca

Graficzny portret Antoine Lavoisier (Źródło: H. Rousseau (grafik), E.Thomas (grawer) Augustin Challamel, Desire Lacroix Via Wikimedia Commons)

Lavoisier, francuski naukowiec, pod koniec XVIII wieku wykazał, że w procesie przemiany cukrów w alkohol i dwutlenek węgla (jak to ma miejsce podczas produkcji wina), waga spożywanych substratów była równa masie produktów. syntetyzowane.

Później, w 1810 roku, Gay-Lussac podsumował te twierdzenia w następującej reakcji chemicznej:

C6H12O6 (glukoza) → 2CO2 (dwutlenek węgla) + 2C2H6O (etanol)

Jednak przez wiele lat argumentowano, że te zmiany chemiczne obserwowane podczas fermentacji są efektem drgań molekularnych emitowanych przez rozkładającą się materię, czyli martwe komórki.

Mówiąc prościej: wszyscy badacze byli przekonani, że fermentacja jest wtórnym skutkiem śmierci jakiegoś organizmu, a nie koniecznym procesem dla żywej istoty.

Drożdże w akcji

Louis Pasteur w swoim laboratorium. Via Wikimedia Commons

Później Louis Pasteur, w 1857 r., Zapoczątkował narodziny chemii mikrobiologicznej, wiążąc fermentację z mikroorganizmami, takimi jak drożdże, od których termin był związany z ideą istnienia żywych komórek, z wytwarzaniem gazów i niektóre związki organiczne.

Później, w 1920 roku, odkryto, że pod nieobecność tlenu niektóre ekstrakty z mięśni ssaków katalizowały tworzenie się mleczanu z glukozy i że wiele związków wytwarzanych podczas fermentacji ziarna było również wytwarzanych przez komórki mięśniowe.

Dzięki temu odkryciu fermentacja została uogólniona jako forma wykorzystania glukozy, a nie jako proces wyłączny dla drożdży i bakterii.

Wiele późniejszych badań znacznie dopracowało wiedzę związaną ze zjawiskiem fermentacji, ponieważ wyjaśniono szlaki metaboliczne i zaangażowane enzymy, co pozwoliło na ich wykorzystanie do różnych celów przemysłowych.

Ogólny proces fermentacji

Jak już powiedzieliśmy, fermentacja jest procesem chemicznym, który polega na beztlenowej przemianie (bez tlenu) substratu organicznego w prostsze związki organiczne, których nie można metabolizować „w dół” przez układy enzymatyczne bez udziału tlenu.

Jest przeprowadzana przez różne enzymy i jest zwykle obserwowana w mikroorganizmach, takich jak pleśnie, drożdże lub bakterie, które wytwarzają szereg produktów wtórnych, które człowiek był używany do celów komercyjnych przez wiele stuleci.

W reakcjach chemicznych zachodzących podczas fermentacji enzymy (białka zdolne do przyspieszania różnych reakcji chemicznych) hydrolizują swoje substraty i rozkładają je lub „trawią”, uzyskując prostsze cząsteczki i lepiej przyswajalne składniki odżywcze, mówiąc metabolicznie.

Warto wspomnieć, że fermentacja nie jest wyłącznym procesem mikroorganizmów, ponieważ może zachodzić w niektórych komórkach zwierzęcych (takich jak na przykład komórki mięśniowe) oraz w niektórych komórkach roślinnych w określonych warunkach.

Jakie substraty podlegają fermentacji?

Na początku badań naukowych związanych z fermentacją uważano, że niezbędnymi do tego procesu cząsteczkami są węglowodany.

Szybko jednak zrozumiano, że wiele kwasów organicznych (w tym aminokwasów), białek, tłuszczów i innych związków jest substratami ulegającymi fermentacji dla różnych typów mikroorganizmów, ponieważ mogą one służyć jako źródło pożywienia i energii.

Ważne jest, aby wyjaśnić, że metabolizm beztlenowy nie dostarcza takiej samej ilości energii jak metabolizm tlenowy, ponieważ na ogół substratów nie można całkowicie utlenić, więc nie jest z nich wydobywana cała możliwa energia.

W konsekwencji mikroorganizmy beztlenowe mają tendencję do konsumowania znacznie większych ilości substratów, aby wydobyć taką samą energię, jaką podobny mikroorganizm pobrałby w warunkach tlenowych (w obecności tlenu).

Na czym polega fermentacja?

Kiedy oddychanie nie może nastąpić, albo z powodu braku zewnętrznego akceptora elektronów, albo z powodu jakiegoś defektu w komórkowym łańcuchu oddechowym, fermentacja jest drogą kataboliczną wykorzystywaną do produkcji energii z glukozy lub innych źródeł węgla.

Na przykład w przypadku glukozy jej częściowe utlenianie odbywa się na drodze glikolitycznej, w której wytwarzane są pirogronian, ATP i NADH (produkty te różnią się w zależności od substratu energetycznego).

W warunkach tlenowych pirogronian jest dalej utleniany, gdy wchodzi do cyklu Krebsa, a produkty tego cyklu wchodzą do łańcucha transportu elektronów. NAD + jest również regenerowany podczas tych procesów, co pozwala na zachowanie ciągłości szlaku glikolitycznego.

W przypadku braku tlenu, czyli w warunkach beztlenowej, pirogronian pochodzący z reakcji utleniania (lub inne powstałe związki organiczne) ulega redukcji. Ta redukcja umożliwia regenerację NAD +, podstawowego wydarzenia dla procesu fermentacji.

Redukcja pirogronianu (lub innego produktu utleniającego) oznacza początek syntezy produktów odpadowych, którymi mogą być alkohole, gazy lub kwasy organiczne, które są wydalane do środowiska zewnątrzkomórkowego.

Ile energii jest produkowane?

Podczas gdy całkowite utlenienie jednego mola glukozy do dwutlenku węgla (CO2) i wody w warunkach tlenowych wytwarza 38 moli ATP, fermentacja wytwarza od 1 do 3 moli ATP na każdy mol spożytej glukozy.

Rodzaje fermentacji

Istnieją różne rodzaje fermentacji, które wielokrotnie definiowane są nie tylko przez produkty końcowe procesu, ale także przez substraty energetyczne, które są używane jako „paliwo”. Wiele z nich zostanie zdefiniowanych szczególnie w kontekście przemysłowym.

Uwaga dla czytelnika, prawdopodobnie rozsądnie byłoby najpierw przejrzeć niektóre aspekty metabolizmu energetycznego, szczególnie w odniesieniu do katabolizmu węglowodanów (glikolizy), cyklu Krebsa i łańcucha transportu elektronów (oddychanie), aby zrozumieć ten temat za pomocą większa głębokość.

Można wymienić 5 rodzajów fermentacji:

- Fermentacja alkoholowa

- Fermentacja mlekowa lub mlekowa

- Fermentacja propionowa

- Fermentacja masłowa

- Fermentacja mieszana kwaśna

Fermentacja alkoholowa

Odnosząc się do tego typu fermentacji, zwykle rozumie się, że ma to związek z produkcją etanolu (CH3CH2OH lub C2H6O), który jest rodzajem alkoholu (w tym napojów alkoholowych, na przykład wina i piwa) .

Mówiąc przemysłowo, głównym mikroorganizmem wykorzystywanym przez człowieka do wytwarzania napojów alkoholowych jest grzyb drożdżopodobny należący do gatunku Saccharomyces cerevisiae.

Fermentacja alkoholowa (Źródło: Autorem oryginalnej wersji jest User: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)

Drożdże są w rzeczywistości organizmami tlenowymi, które mogą rosnąć jako fakultatywne beztlenowce, to znaczy, jeśli pozwalają na to warunki, zmieniają swój metabolizm i przystosowują się do braku tlenu do życia.

Jak omówiliśmy w poprzedniej sekcji, charakterystyka energetyczna w warunkach beztlenowych jest znacznie niższa niż w warunkach tlenowych, więc wzrost jest wolniejszy.

Fermentacja alkoholowa polega na konwersji pirogronianu do etanolu, która zachodzi w dwuetapowym procesie: najpierw przemiana pirogronianu w aldehyd octowy, a następnie z aldehydu octowego w etanol.

Pierwsza reakcja, reakcja konwersji pirogronianu do aldehydu octowego, to dekarboksylacja, w której jedna cząsteczka CO2 jest uwalniana na każdą cząsteczkę pirogronianu i jest katalizowana przez enzym dekarboksylazę pirogronianową, który wymaga kofaktora znanego jako pirofosforan tiaminy lub TPP.

Wytworzony w ten sposób aldehyd octowy jest redukowany do etanolu za pomocą enzymu dehydrogenazy alkoholowej, który wykorzystuje jedną cząsteczkę NADH2 jako kofaktor dla każdej cząsteczki aldehydu octowego, uwalniając etanol i NAD +.

NAD + można ponownie wykorzystać do redukcji 3-fosforanu gliceraldehydu na jednym z etapów szlaku glikolitycznego, umożliwiając kontynuację syntezy ATP.

Na poziomie przemysłowym różne szczepy S. cerevisiae są wykorzystywane do różnych celów, ponieważ niektóre z nich są „wyspecjalizowane” w produkcji wina, piwa, chleba itp., Dlatego mogą wykazywać pewne charakterystyczne różnice metaboliczne.

Fermentacja mlekowa lub mlekowa

Ten rodzaj fermentacji można podzielić na dwie kategorie: homofermentacyjna i heterofermentacyjna. Pierwsza dotyczy produkcji kwasu mlekowego jako jedynego produktu fermentacji redukcji pirogronianu glikolitycznego, a druga produkcji kwasu mlekowego i etanolu.

- Fermentacja homolaktyczna

Pirogronian wytwarzany na drodze glikolitycznej jest bezpośrednio przekształcany w kwas mlekowy dzięki enzymatycznemu działaniu dehydrogenazy kwasu mlekowego. W tej reakcji, podobnie jak w drugiej reakcji fermentacji alkoholowej, regenerowana jest cząsteczka NAD + w celu utlenienia 3-fosforanu gliceraldehydu w procesie glikolizy.

Z każdej zużytej cząsteczki glukozy powstają zatem dwie cząsteczki pirogronianu, a więc wynik fermentacji mlekowej odpowiada dwóm cząsteczkom kwasu mlekowego na cząsteczkę glukozy (i dwóm cząsteczkom NAD +).

Ten rodzaj fermentacji jest bardzo powszechny w niektórych typach bakterii zwanych bakteriami kwasu mlekowego i jest najprostszym rodzajem fermentacji, jaki istnieje.

Kwas mlekowy może być również wytwarzany przez niektóre komórki mięśniowe, ponieważ pirogronian pod działaniem dehydrogenazy mleczanowej (wykorzystującej NADH2) przekształca się w kwas mlekowy.

- Fermentacja heterolaktyczna

W tego rodzaju fermentacji dwie cząsteczki pirogronianu pochodzące z glikolizy nie są wykorzystywane do syntezy kwasu mlekowego. Zamiast tego dla każdej cząsteczki glukozy jeden pirogronian zamienia się w kwas mlekowy, a drugi w etanol lub kwas octowy i CO2.

Bakterie, które metabolizują glukozę w ten sposób, są znane jako heterofermentacyjne bakterie kwasu mlekowego.

Nie wytwarzają pirogronianu na całym szlaku glikolitycznym, ale zamiast tego wykorzystują część szlaku pentozofosforanowego do produkcji gliceraldehydo-3-fosforanu, który jest następnie metabolizowany do pirogronianu przez enzymy glikolityczne.

W skrócie, te bakterie „tną” ksylulozo-5-fosforan (syntetyzowany z glukozy) na 3-fosforan glicerolu i acetylofosforan przy użyciu enzymu ketolazy pentozofosforanowo-związanej z TPP, wytwarzając 3-fosforan aldehydu glicerynowego (GAP) i fosforan acetylu.

GAP wchodzi na szlak glikolityczny i jest przekształcany w pirogronian, który jest następnie przekształcany w kwas mlekowy dzięki enzymowi dehydrogenazy mleczanowej, podczas gdy fosforan acetylu można zredukować do kwasu octowego lub etanolu.

Bakterie kwasu mlekowego są bardzo ważne dla człowieka, ponieważ są wykorzystywane do produkcji różnych sfermentowanych pochodnych mleka, wśród których wyróżnia się jogurt.

Odpowiadają również za inne fermentowane produkty, takie jak kiszona kapusta lub kiszona kapusta, pikle i sfermentowane oliwki.

- Fermentacja propionowa

Jest to przeprowadzane przez propionibakterie, zdolne do wytwarzania kwasu propionowego (CH3-CH2-COOH), które zamieszkują żwacz zwierząt roślinożernych.

Jest to rodzaj fermentacji, w której bakterie wykorzystują glukozę do produkcji pirogronianu w sposób glikolityczny. Ten pirogronian jest karboksylowany do szczawiooctanu, który jest następnie redukowany w dwóch etapach do bursztynianu, przy użyciu odwrotnych reakcji cyklu Krebsa.

Bursztynian jest następnie przekształcany w sukcynylo-CoA, a to z kolei w metylomalonylo-CoA przez enzym mutazę metylomalonylową, która katalizuje wewnątrzcząsteczkową przegrupowanie sukcynylo-CoA. Metylomalonylo-CoA następnie dekarboksyluje się z wytworzeniem propionylo-CoA.

Ten propionylo-CoA daje kwas propionowy w reakcji przeniesienia bursztynianu CoA, katalizowanej przez transferazę CoA. Do produkcji sera szwajcarskiego wykorzystuje się bakterie kwasu mlekowego i propionibakterie, które dzięki kwasowi propionowemu nadają mu szczególnego smaku.

- Fermentacja masłowa

Fermentacja masłowa. Źródło: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Jest przeprowadzana przez bakterie przetrwalnikujące, które są bezwzględnymi beztlenowcami i na ogół należą do rodzaju Clostridium. W zależności od gatunku bakterie te mogą również wytwarzać butanol, kwas octowy, etanol, izopropanol i aceton (dwutlenek węgla jest zawsze produktem).

Bakterie te rozkładają glukozę na szlaku glikolitycznym i wytwarzają pirogronian, który jest dekarboksylowany, tworząc acetylo-CoA.

W niektórych bakteriach dwie cząsteczki acetylo-CoA są kondensowane przez enzym tiolazę, wytwarzając acetoacetylo-CoA i uwalniając CoA. Acetoacetylo-CoA ulega odwodornieniu przez enzym dehydrogenazę β-hydroksybutyrylo-CoA, tworząc P-hydroksybutyryl-CoA.

Ten ostatni produkt powoduje powstanie Crotonil-CoA poprzez działanie enzymu krotonazy. Krotonylo-CoA jest ponownie redukowany przez dehydrogenazę butyrylo-CoA związaną z FADH2, wytwarzając butyryl-CoA.

Na koniec butyryl-CoA przekształca się w kwas masłowy przez usunięcie części CoA i dodanie cząsteczki wody. W warunkach zasadowych (przy wysokim pH) niektóre bakterie mogą przekształcić kwas masłowy w n-butanol

- Fermentacja mieszana kwaśna

Występuje często w bakteriach znanych jako Enterobacteriaceae, które mogą rosnąć z tlenem lub bez. Nazywa się go „kwasem mieszanym”, ponieważ w wyniku fermentacji powstają różne rodzaje kwasów organicznych i związków obojętnych.

Schemat podsumowujący mieszaną fermentację kwaśną (źródło: pierwotnym przesyłającym był NicolasGrandjean z francuskiej Wikipedii. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) przez Wikimedia Commons)

W zależności od gatunku można wytwarzać kwas mrówkowy, kwas octowy, kwas bursztynowy, kwas mlekowy, etanol, CO2, butanodiol itp.

Jest również często znany jako fermentacja kwasem mrówkowym, ponieważ w warunkach beztlenowych niektóre bakterie mogą tworzyć kwas mrówkowy i acetylo-CoA z pirogronianu pod działaniem enzymu liazy kwas mrówkowy-pirogronian.

Przykłady procesów, w których zachodzi fermentacja

Istnieje wiele przykładów procesów fermentacyjnych i ich produktów. Niektóre z tych przykładów mogą obejmować:

Jogurt, produkt fermentacji (Zdjęcie: Imo Flow na www.pixabay.com)

- Salami (mięso fermentowane), produkowane w wyniku fermentacji mlekowej bakterii kwasu mlekowego

- Jogurt (mleko fermentowane), również wytwarzany przez bakterie kwasu mlekowego

- Ser (mleko fermentowane), wytwarzany przez bakterie kwasu mlekowego i propionibakterie w procesie fermentacji mlekowej i propionowej

Ser, produkt fermentacji bakterii kwasu mlekowego i propionibakterii (Zdjęcie lipefontes0 na www.pixabay.com)

- Chleb (fermentacja glutenu z ciasta pszennego), produkowany przez drożdże w drodze fermentacji alkoholowej

- Wino i piwo (fermentacja cukrów w soku winogronowym i cukrów w ziarnach), produkowane przez drożdże w drodze fermentacji alkoholowej

- Kawa i kakao (fermentacja cukrów obecnych w śluzie owocu), produkowane przez bakterie kwasu mlekowego i drożdże w wyniku fermentacji mlekowej i alkoholowej.

Bibliografia

1. Ciani, M., Comitini, F. i Mannazzu, I. (2013). Fermentacja.
2. Junker, B. (2000). Fermentacja. Kirk-Othmer Encyklopedia technologii chemicznej.
3. Fruton, J. (2006). Fermentacja: proces życiowy czy chemiczny? Skarp.
4. Doelle, HW (1975). Fermentacja. Metabolizm bakterii, 559–692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Początki mikrobiologii i biochemii: wkład badań drożdży. Microbiology, 149 (3), 557–567.