História fermentácie, proces, typy, príklady

Ten fermentácia Je to chemický proces, prostredníctvom ktorého sa jedna alebo viac organických zlúčenín degraduje na jednoduchšie zlúčeniny v neprítomnosti kyslíka (pri anaerobióze). Vykonáva mnoho typov buniek na výrobu energie vo forme ATP.

Dnes sú organizmy schopné „ferment“ molekuly v neprítomnosti kyslíka na priemyselnej úrovni veľmi dôležité, pretože sa využívajú na výrobu etanolu, kyseliny mliečnej a iných komerčne relevantných výrobkov, ktoré slúžia na výrobu vína, piva, syra a jogurtu. , atď.

Chlieb a pivo, dva produkty fermentácie alkoholických kvasiniek.Pixabay.com)

Slovo fermentácia odvodzuje z latinského slova Vyraziť, Čo znamená „variť“ a bol vytvorený navrhovaním na bubb.

V súčasnosti, ako navrhla Gay-Lussac v roku 1810, je to všeobecný výraz, ktorý sa používa na označenie anaeróbnej glukózy alebo iných organických živín s cieľom produkovať energiu vo forme ATP.

Pretože prvé živé bytosti, ktoré sa objavili na Zemi, pravdepodobne žili v atmosfére bez kyslíka, anaeróbna degradácia glukózy je pravdepodobne najstaršou metabolickou formou medzi živými bytosťami na získanie energie z organických molekúl.

[TOC]

História fermentácie

Ľudské znalosti fenoménu fermentácie je také staré, možno, ako je poľnohospodárstvo, pretože tisíce rokov, ktoré človek podporuje premenu šťavy zo sladkého hrozna rozdrveného na šumivé víno alebo konverziu pšeničnej hmoty na chlieb v chlebe.

Avšak pre prvé spoločnosti sa transformácia týchto „základných“ prvkov na fermentované potraviny považovala za druh „tajomstva“ alebo „zázračného“ udalosti, pretože nebolo známe, čo ju spôsobilo.

Pokrok vedeckého myslenia a vynález prvých mikroskopov určite predložili dôležitý precedens v oblasti mikrobiológie a s ním umožnil riešenie fermentatívneho „tajomstva“.

Lavoisier a gay-Lussac experimenty

Grafický portrét Antoine Lavoisier (zdroj: H. Rousseau (grafický dizajnér), e.Thomas (Fear) Augustin Challamel, Desire Lacroix [verejná doména] cez Wikimedia Commons)

Lavoisier, francúzsky vedec, na konci roku 1700 ukázal, že v procese transformácie cukrov na alkohol a oxid uhličitý (napríklad to, čo sa deje počas výroby vína), bola hmotnosť konzumovaných substrátov rovnaká ako v syntetizovaných výrobkoch.

Neskôr, v roku 1810, Gay-Lussac zhrnul tieto tvrdenia v nasledujúcej chemickej reakcii:

C6H12O6 (glukóza) → 2CO2 (oxid uhličitý) + 2C2H6O (etanol)

Po mnoho rokov sa však tvrdilo, že tieto chemické zmeny pozorované počas fermentácie boli produktom molekulárnych vibrácií emitovaných rozkladom, tj mŕtvych buniek.

Jednoduchšie: Všetci vedci boli presvedčení, že fermentácia bola vedľajším účinkom smrti organizmu a nie je to nevyhnutný proces pre živú bytosť.

Kvasinky v pôsobení

Louis Pasteur vo vašom laboratóriu. Cez Wikimedia Commons

Neskôr Louis Pasteur v roku 1857 označil narodenie mikrobiologickej chémie, keď spájal fermentáciu mikroorganizmami, ako sú kvasinky, z ktorých sa tento pojem týka.

Následne, v roku 1920 sa zistilo, že v neprítomnosti kyslíka niektoré svalové extrakty cicavcov katalyzovali tvorbu laktátu z glukózy a že mnohé zo zlúčenín produkovaných počas fermentácie zŕn boli tiež produkované svalovými bunkami.

Vďaka tomuto objavu bola fermentácia zovšeobecnená ako forma použitia glukózy a nie ako exkluzívny proces kvasiniek a baktérií.

Mnoho následných štúdií značne vylepšilo vedomosti týkajúce sa fenoménu fermentácie, pretože boli objasnené metabolické trasy a enzýmy, čo umožnilo jeho využitie na rôzne priemyselné účely.

Všeobecný proces fermentácie

Ako sme už povedali, fermentácia je chemický proces, ktorý naznačuje anaeróbnu (bez kyslíka) transformáciu organického substrátu v jednoduchších organických zlúčeninách, ktoré nemožno metabolizovať „downstream“ enzymatickými systémami bez intervencie kyslíka.

Môže vám slúžiť: epiblast

Vykonáva sa rôznymi enzýmami a zvyčajne sa pozoruje v mikroorganizmoch, ako sú plesne, kvasinky alebo baktérie, ktoré produkujú sériu sekundárnych výrobkov, ktoré Man využil na komerčné účely po mnoho storočí.

V chemických reakciách, ktoré sa uskutočňujú počas fermentácie, enzýmy (proteíny schopné urýchliť rôzne chemické reakcie) hydrolyzujú svoje substráty a rozkladajú sa alebo „digie“, ktoré platia jednoduchšie a viac živínske molekuly, ktoré by boli viac, metabolické, metabolické hovoriace.

Za zmienku stojí, že fermentácia nie je exkluzívnym procesom mikroorganizmov, pretože sa môže vyskytnúť v niektorých živočíšnych bunkách (napríklad svaly) a v niektorých rastlinných bunkách za určitých podmienok.

Ktoré substráty sú fermentovateľné?

Na začiatku vedeckého výskumu súvisiaceho s fermentáciou sa predpokladalo, že základnými molekulami pre takýto proces boli sacharidy.

Krátko po tom, čo sa však zložilo, však mnoho organických kyselín (vrátane aminokyselín), bielkovín, tukov a iných zlúčenín je fermentovateľnými substrátmi pre rôzne typy mikroorganizmov, pretože pre tieto môžu fungovať ako zdroj potravy a energie.

Je dôležité objasniť, že anaeróbny metabolizmus neprináša rovnaké množstvo energie ako aeróbny metabolizmus, pretože substráty vo všeobecnosti nemôžu byť úplne oxidované, takže z týchto možných energetických energie nie je extrahovaný.

V dôsledku toho anaeróbne mikroorganizmy zvyčajne konzumujú oveľa väčšie množstvo substrátov, aby boli schopné extrahovať rovnakú energiu, ktorá by extrahovala podobný mikroorganizmus v aeróbnych podmienkach (v prítomnosti kyslíka).

O čom je fermentácia?

Ak sa nedýchanie nedá podať, buď z dôvodu neprítomnosti externého akceptora elektrónov alebo pre určitý defekt v respiračnom reťazci buniek, fermentácia je katabolická cesta, ktorá sa používa na výrobu energie z glukózy alebo iných zdrojov uhlíka.

Napríklad v prípade glukózy sa jej čiastočná oxidácia vykonáva glykolytickou cestou, cez ktorú sa vyskytujú pyruvát, ATP a NADH (tieto výrobky sa líšia podľa energetického substrátu).

V podmienkach aerobiózy je pyruvát ešte viac oxidovaný, keď vstupuje do cyklu Krebs a produkty tohto cyklu vstupujú do elektrónového dopravného reťazca reťazca. Počas týchto procesov sa tiež regeneruje NAD+, čo umožňuje udržiavanie kontinuity glykolytickej trasy.

Ak neexistuje kyslík, tj pri anaerobióze, pyruvát odvodený z oxidačných reakcií (alebo iných výsledných organických zlúčenín) trpí redukciou. Toto zníženie umožňuje regeneráciu základnej udalosti NAD+pre proces fermentácie.

Redukcia pyruvátu (alebo iného oxidačného produktu) znamená začiatok syntézy odpadových produktov, ktorým môžu byť alkoholy, plyny alebo organické kyseliny, ktoré sa vylučujú do extracelulárneho prostredia.

Koľko energie sa vyrába?

Zatiaľ čo úplná oxidácia glukózy mol až do oxidu uhličitého (CO2) a vody v aeróbnych podmienkach vytvára 38 mólov ATP, fermentácia vytvára medzi 1 a 3 móla ATP pre každý mol glukózy spotrebovanej glukózy.

Typy fermentácie

Existujú rôzne typy fermentácie, často definované nielen konečnými produktmi procesu, ale aj energetickými substrátmi, ktoré sa používajú ako „palivo“. Mnohé z nich budú obzvlášť definované v priemyselnom kontexte.

Ako poznámka pre čitateľa je pravdepodobne vhodné prehodnotiť niektoré aspekty metabolizmu energie predtým, najmä vo vzťahu k uhľohydrátovej katabolizmu (glykolýza), cyklus Krebs a reťazca elektrónového transportu (dýchanie) hĺbka.

Je možné spomenúť 5 typov fermentácie:

- Alkoholická fermentácia

- Fermentácia mliečnych alebo kyslých

- Fermentácia

- Butyrická fermentácia

- Fermentácia zmiešanej kyseliny

Alkoholická fermentácia

Ak sa odkazuje na tento typ fermentácie, zvyčajne sa chápe, že to súvisí s výrobou etanol (CH3CH2OH alebo C2H6O), čo je druh alkoholu (z ktorého napríklad alkoholické nápoje, ako je víno a pivo, majú napríklad).

Môže vám slúžiť: tukové tkanivo

Priemyselne povedané, hlavným mikroorganizmom, ktorý človek využíva na získanie alkoholických nápojov Sacharomyces cerevisiae.

Alkoholická fermentácia (zdroj: autor pôvodnej verzie je používateľ: Norro. /Cc By-SA (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/4.0) Via Wikimedia Commons)

Kvasinky sú v skutočnosti aeróbne organizmy, ktoré môžu rásť ako voliteľné anaeróby, to znamená, že ak si podmienky zásluhy zmenia svoj metabolizmus a prispôsobujú sa neprítomnosti kyslíka na život.

Ako sme diskutovali v predchádzajúcej časti, energetická výkonnosť v anaeróbnych podmienkach je oveľa nižšia ako v aeróbnych podmienkach, takže rast je pomalší.

Alkoholická fermentácia znamená konverziu pyruvátu na etanol, ktorý sa odohráva v procese dvoch krokov: najskôr transformácia pyruvátu na acetaldehyd a po acetaldehyde na etanol.

Prvá reakcia, konverzná reakcia pyruvátu v acetaldehyde, je dekarboxylácia, kde sa molekula CO2 uvoľňuje pre každú molekulu pyruvátu a je katalyzovaná enzýmom Discarboxylázovým pyruvátom, ktorý potrebuje kofaktor známy ako tiamín pyrofosfát alebo TPP.

Takto vyrobený acetaldehyd sa redukuje na etanol pomocou enzýmovej alkoholovej dehydrogenázy, ktorá používa molekulu NADH2 ako kofaktor pre každú molekulu acetaldehydu, uvoľňuje etanol a NAD+.

NAD+ sa môže znovu použiť na glyceraldehyd 3-fosfát.

Na priemyselnej úrovni rôzne kmene Siež. cerevisiae Využívajú sa s rôznymi účelmi, pretože niektoré z nich boli „špecializované“ na výrobu vína, piva, chleba atď., Takže môžu predstavovať niektoré výrazné metabolické rozdiely.

Fermentácia mliečnych alebo kyslých

Tento typ fermentácie možno rozdeliť na dva: homoferementatívne a heterofermentatívne. Prvý sa týka produkcie kyseliny mliečnej ako jediného fermentatívneho produktu glykolytického pyruvátu a druhý znamená produkciu kyseliny mliečnej a etanolu.

- Homolaktická fermentácia

Pyruvát produkovaný glykolytickou cestou sa priamo premieňa na kyselinu mliečnu vďaka enzymatickému pôsobeniu kyseliny mliečnej mliečnej dehydrogenázy. V tejto reakcii, ako v druhej reakcii alkoholovej fermentácie, sa molekula NAD+ regeneruje na oxidovanie glycerálnehodehydu 3-fosfátu pri glykolýze.

Pre každú konzumáciu glukózy, ktorá sa konzumuje, sa potom vytvoria dve pyruvát molekuly, takže výsledok mliečnej fermentácie zodpovedá dvom molekulám kyseliny mliečnej glukózou (a dvoma molekulami NAD+).

Tento typ fermentácie je veľmi častý v určitých typoch baktérií nazývaných kyslé baktérie a je najjednoduchším typom fermentácie, ktorý existuje.

Kyselina mliečna môže byť tiež produkovaná niektorými svalovými bunkami, pretože pyruvát, pôsobením laktátu dehydrogenázy (používaný NADH2), sa premieňa na kyselinu mliečnu.

- Heterolaktická fermentácia

Pri tomto type fermentácie sa dve pyruvátové molekuly odvodené z glykolýzy nepoužívajú na syntézu kyseliny mliečnej. Namiesto toho pre každú molekulu glukózy sa pyruvát stáva kyselinou mliečnou a druhá sa stáva etanolom alebo kyselinou octovou a CO2.

Baktérie, ktoré metabolizujú glukózu týmto spôsobom, sú známe ako heterofermentatívne baktérie kyseliny laktickej.

Tieto neprodukujú pyruvát v celej glykolytickej dráhe, ale používajú časť cesty penóza fosfátu na produkciu 3-fosfátového glycerálnehodehydu, ktorý sa potom metabolizuje na pyruvát glykolytickými enzýmami.

In summary, these bacteria "cut" the xylulose 5-phosphate (synthesized from glucose) in glyceraldehyde 3-phosphate and acetyl phosphate using an enzyme cetolase pentose pentose phosphate attached to TPP, producing glyceraldehyde 3-phosphate (gap) and acetyl phosphate.

Môže vám slúžiť: tioglycolát vývar: základ, príprava a použitia

Medzera vstupuje do glykolytickej cesty a premieňa sa na pyruvát, ktorý sa neskôr transformuje na kyselinu mliečnu vďaka enzýmu laktátu dehydrogenázy, zatiaľ čo acetylfosfát sa môže redukovať na kyselinu octovú alebo etanol.

Kyslé laktické baktérie sú pre človeka veľmi dôležité, pretože sa používajú na výrobu rôznych derivátov fermentovaného mlieka, medzi ktorými vyniká jogurt.

Sú tiež zodpovední za iné fermentované potraviny, ako je fermentovaná kapusta alebo „sauerkraut“, špendlíky a fermentované olivy.

- Fermentácia

Vykonáva to propionibactéria, schopná produkovať kyselinu propiónovú (CH3-COOH) a ktorá obýva chrbtom bylinožravých zvierat.

Je to typ fermentácie, ktorým baktérie používajú glukózu glykolytiku na produkciu pyruvátu. Tento pyruvát je karboxylovaný na oxalacetát, ktorý sa potom redukuje v dvoch krokoch na sukináciu pomocou reverzných reakcií cyklu Krebsov.

Sukcinát sa potom prevedie na sukcinyl-CoA, a to zase na melonil-coA metyl cez enzým Malonil mutázy, ktorý katalyzuje intramolekulárny zadný chrbát sukcinyl-CoA. Malonyl-CoA metyl potom stmaví, aby vykonal propionil-coa.

Táto propionická propiony. Kyslé laktické baktérie a propionibactérie sa používajú na výrobu švajčiarskeho syra, pretože kyselina propiónová dodáva špeciálnu príchuť.

- Butyrická fermentácia

Butyrická fermentácia. Zdroj: Bellwasthow/CC By-SA (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/4.0)

Vykonáva sa formátovaním baktérií spór, ktoré sú povinné anaeróbia a ktoré vo všeobecnosti patria do žánru Clostridium. V závislosti od druhu môžu tieto baktérie tiež produkovať bután, kyselinu octovú, etanol, izopropanol a acetón (oxid uhličitý je vždy produktom).

Tieto baktérie degrad.

V niektorých baktériách kondenzujú dve molekuly acetyl-CoA pomocou enzýmu Tisolasa, ktorý produkuje acetoacetyl-CoA a uvoľňujú COA. Acetoacetyl-CoA je dehydrogénovaný pomocou p-hydroxybutiril-coA enzýmov dehydrogenázy za vzniku p-hydroxybutirilu-coA.

Tento posledný produkt vedie k Crotonil-CoA pôsobením enzýmu Crotonasa. Crotonil-CoA je opäť znížená o butyril-coA dehydrogenáza spojená s FADH2, produkujúcim butiril-coa.

Nakoniec sa butiril-coA premieňa na kyselinu maslovú elimináciou časti COA a pridaním molekuly vody. V alkalických podmienkach (vysoké pH) môžu niektoré baktérie premeniť kyselinu maslovú na N-butanol

- Fermentácia zmiešanej kyseliny

Je bežná v baktériách známych ako enterobaktéria, ktoré môžu rásť s kyslíkom alebo bez kyslíka. Nazýva sa „zmiešané kyseliny“, pretože rôzne typy organických kyselín a neutrálnych zlúčenín sa vyrábajú v dôsledku fermentácie.

Súhrnná schéma fermentácie zmiešanej kyseliny (Zdroj: Pôvodný Uploader bol Nicolasgrandjean na francúzskej Wikipédii. /Cc By-SA (http: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0/) cez Wikimedia Commons)

V závislosti od druhu, kyseliny mravčej, kyseliny octovej, kyseliny suktinovej, kyseliny mliečnej, etanolu, CO2, butanediolu atď.

Mnohokrát sa tiež nazýva fermentácia kyseliny mravčej, pretože v anaeróbnych podmienkach môžu niektoré baktérie tvoriť formálnu a acetyl-CoA kyselinu z pyruvátu pôsobením enzýmovej mravčovej kyseliny-pyruvát liasa.

Príklady procesov, v ktorých dochádza k fermentácii

Existuje veľa príkladov fermentatívnych procesov a ich výrobkov. Medzi niektoré z týchto príkladov by sme mohli zahŕňať:

Jogurt, fermentačný produkt (imo tokový obrázok na www.Pixabay.com)

- On saláma (fermentované mäso), produkované mliečnou fermentáciou baktérií chatovania kyseliny

- On jogurt (Fermentované mlieko), tiež produkované kyslými laktickými baktériami

- On syr (Fermentované mlieko), produkované baktériami a propionibaktériami kyselinou pomocou mliečna a propionickej fermentácie

Syr, produkt fermentácie kyslých lokalitických baktérií a propionibactérií (obrázok Lipefontes0 na www.Pixabay.com)

- On chlieb (Fermentácia pšeničných hmôt), produkované kvasinkami prostredníctvom alkoholovej fermentácie

- On prišiel a pivo (Fermentácia cukrov v hroznom a cukrách zŕn), produkovaných kvasinkami prostredníctvom alkoholovej fermentácie

- On káva a kakao (fermentácia cukrov prítomných v sliznici ovocia), produkovaná kyslými baktériami a kvasinkami mliečnymi a alkoholickými fermentáciou.

Odkazy

1. Ciani, m., Comitini, f., & Mannazzu, i. (2013). Fermentácia.
2. Junker, B. (2000). Fermentácia. Kirk --thmer Encyclopedia of Chemical Technology.
3. Fruton, J. (2006). Fermentácia: Vital alebo chemický proces?. Bahno.
4. Doelle, h. W. (1975). Fermentácia. Metabolizmus baktérií, 559-692.
5. Nelson, D. L., Lehninger, a. L., & Cox, M. M. (2008). Lehninger princípy biochémie. Macmillan.
6. Barnett, J. Do. (2003). Začiatky mikrobiológie a biochémie: Príspevok výskumu YEAS. Microbiology, 149 (3), 557-567.