FERMENTACIJA: POVIJEST, POSTUPAK, VRSTE, PRIMJERI - BIOLOGIJA - 2025

Fermentacija je kemijski proces kojim se jedan ili više organskih spojeva degradiran jednostavniji spojevi u u odsutnosti kisika (anaerobno). Izvode ga mnoge vrste stanica za proizvodnju energije u obliku ATP-a.

Danas su organizmi sposobni „fermentirati“ molekule u nedostatku kisika vrlo su važni na industrijskoj razini, jer se iskorištavaju za proizvodnju etanola, mliječne kiseline i drugih komercijalno relevantnih proizvoda koji se koriste za proizvodnju vina, piva, sira i jogurta. itd.

Kruh i pivo, dva proizvoda alkoholne fermentacije kvasca (Slika PublicDomainImages na www.pixabay.com)

Riječ fermentacija potječe od latinske riječi fervere, što znači "kuhati" i skovana je aludirajući na mjehuriće uočeno u prvim fermentiranim napicima, po izgledu vrlo sličnom ključanju vruće tekućine.

Danas, kao što je Gay-Lussac sugerirao 1810., opći se pojam koristi za anaerobno razgrađivanje glukoze ili drugih organskih hranjivih tvari kako bi se proizvela energija u obliku ATP-a.

Budući da su prva živa bića koja su se pojavila na zemlji vjerojatno živjela u atmosferi bez kisika, anaerobni raspad glukoze vjerojatno je najstariji metabolički način dobivanja energije iz organskih molekula.

Povijest fermentacije

Čovjekovo poznavanje fenomena fermentacije jednako je staro, koliko i poljoprivreda, jer je tisućama godina čovjek promicao pretvorbu zdrobljenog slatkog grožđanog soka u šumeće vino ili pretvorbu pšeničnog tijesta u kruh., Međutim, za prva društva pretvaranje tih "osnovnih" elemenata u fermentiranu hranu smatralo se svojevrsnim "misterijom" ili "čudotvornim" događajem, jer nije bilo poznato što ga je uzrokovalo.

Napredak znanstvene misli i izum prvih mikroskopa nesumnjivo su postavili važan presedan u području mikrobiologije i s njim su omogućili rješenje fermentacijske „misterije“.

Pokusi Lavoisiera i Gay-Lussaca

Grafički portret Antoinea Lavoisiera (Izvor: H. Rousseau (grafički dizajner), E.Thomas (graver) Augustin Challamel, Desire Lacroix Via Wikimedia Commons)

Lavoisier, francuski znanstvenik, kasnih 1700-ih pokazao je da je u procesu pretvaranja šećera u alkohol i ugljični dioksid (kao što se događa tijekom proizvodnje vina) težina konzumiranih supstrata jednaka onoj proizvoda. umjetni.

Kasnije, 1810., Gay-Lussac je te tvrdnje sažeo u sljedeću kemijsku reakciju:

C6H12O6 (glukoza) → 2CO2 (ugljični dioksid) + 2C2H6O (etanol)

Međutim, dugi niz godina se raspravljalo o tome da su ove kemijske promjene primijećene tijekom fermentacije proizvod molekulskih vibracija koje se emitiraju razgradnjom, odnosno mrtvim stanicama.

Jednostavnijim riječima: svi su istraživači bili uvjereni da je fermentacija sekundarni učinak smrti nekog organizma, a ne nužni proces živog bića.

Kvasac na djelu

Louis Pasteur u svojoj laboratoriji. Via Wikimedia Commons

Kasnije je Louis Pasteur, 1857. godine, označio rođenje mikrobiološkom kemijom kada je povezao fermentaciju s mikroorganizmima poput kvasca, iz kojih je taj pojam bio povezan s idejom postojanja živih stanica, s proizvodnjom plinova i neki organski spojevi.

Kasnije, 1920. godine, otkriveno je da u nedostatku kisika, neki ekstrakti mišića sisavaca kataliziraju stvaranje laktata iz glukoze, te da mnogi spojevi proizvedeni tijekom fermentacije zrna proizvode i mišićne stanice.

Zahvaljujući ovom otkriću, fermentacija je generalizirana kao način korištenja glukoze, a ne kao isključivi postupak kvasca i bakterija.

Mnoge kasnije studije znatno su rafinirale znanje vezano za fenomen fermentacije jer su pročišćeni metabolički putevi i enzimi koji su omogućili njihovu eksploataciju u različite industrijske svrhe.

Opći proces fermentacije

Kao što smo rekli, fermentacija je kemijski proces koji uključuje anaerobnu transformaciju organskog supstrata (bez kisika) u jednostavnije organske spojeve, koji se enzimatskim sustavima ne mogu metabolizirati "nizvodno" bez intervencije kisika.

Izvode ga različiti enzimi i obično se primjećuje u mikroorganizmima kao što su plijesni, kvasci ili bakterije, koji proizvode niz sekundarnih proizvoda koje čovjek koristi u komercijalne svrhe već stoljećima.

U kemijskim reakcijama koje se odvijaju tijekom fermentacije, enzimi (proteini koji su u stanju ubrzati različite kemijske reakcije) hidroliziraju svoje supstrate i razgrađuju ih ili "probavljaju", dobivajući jednostavnije molekule i više hranjivih tvari koje se mogu usvojiti, metabolički govoreći.

Vrijedno je spomenuti da fermentacija nije isključivi proces mikroorganizama, jer se može dogoditi u nekim životinjskim stanicama (na primjer mišićnim stanicama) i u nekim biljnim stanicama pod određenim uvjetima.

Koji su supstrati fermentirani?

Na početku znanstvenih istraživanja vezanih uz fermentaciju mislilo se da su bitni molekuli u tom procesu ugljikohidrati.

Međutim, ubrzo je shvaćeno da su mnoge organske kiseline (uključujući aminokiseline), bjelančevine, masti i drugi spojevi fermentabilni supstrati za različite vrste mikroorganizama, jer mogu djelovati kao izvor hrane i energije za njih.

Važno je razjasniti da anaerobni metabolizam ne daje istu količinu energije kao aerobni metabolizam, jer se supstrati, općenito, ne mogu u potpunosti oksidirati, pa se iz njih ne izvlači sva moguća energija.

Slijedom toga, anaerobni mikroorganizmi imaju tendenciju da troše mnogo veće količine supstrata kako bi izvukli istu energiju koju bi sličan mikroorganizam izlučio u aerobnim uvjetima (u prisutnosti kisika).

O čemu se radi fermentacija?

Kada se disanje ne može dogoditi, bilo zbog nepostojanja vanjskog akceptora elektrona bilo zbog oštećenja staničnog respiratornog lanca, fermentacija je katabolički put koji se koristi za proizvodnju energije iz glukoze ili drugih izvora ugljika.

Na primjer, u slučaju glukoze, njezina se djelomična oksidacija provodi glikolitičkim putem kroz koji se stvaraju piruvat, ATP i NADH (ti se proizvodi razlikuju ovisno o energetskom supstratu).

U aerobnim uvjetima, piruvat se dalje oksidira kada uđe u Krebsov ciklus, a proizvodi ovog ciklusa uđu u lanac transporta elektrona. NAD + se također regenerira tijekom tih procesa, što omogućava da se održi kontinuitet glikolitičkog puta.

Kad nema kisika, to jest u anaerobiozi, piruvat nastao oksidativnim reakcijama (ili drugim rezultirajućim organskim spojevima) prolazi kroz smanjenje. Ovo smanjenje omogućava obnavljanje NAD +, što je temeljni događaj u procesu fermentacije.

Redukcija piruvata (ili drugog oksidacijskog produkta) označava početak sinteze otpadnih produkata koji mogu biti alkoholi, plinovi ili organske kiseline koji se izlučuju u izvanćelijski okoliš.

Koliko energije se proizvodi?

Dok potpuna oksidacija jednog mola glukoze u ugljični dioksid (CO2) i vodu pod aerobnim uvjetima stvara 38 mola ATP-a, fermentacija proizvodi između 1 i 3 mola ATP-a za svaki mol glukoze koji se konzumira.

Vrste fermentacije

Postoje različite vrste fermentacije, mnogo puta definirane ne samo krajnjim proizvodima postupka, već i energetskim supstratima koji se koriste kao "gorivo". Mnogi od njih biti će definirani posebno u industrijskom kontekstu.

Kao napomenu čitatelju, vjerojatno je pametno prvo pregledati neke aspekte energetskog metabolizma, posebno u vezi s katabolizmom ugljikohidrata (glikoliza), Krebsovim ciklusom i lancem transporta elektrona (disanje), kako bismo razumjeli ovu temu sa veća dubina.

Može se spomenuti 5 vrsta fermentacije:

- Alkoholna fermentacija

- fermentacija mliječne ili mliječne kiseline

- Propionska fermentacija

- fermentacija maslačka

- Fermentacija miješane kiseline

Alkoholna fermentacija

Kada se govori o ovoj vrsti fermentacije, obično se podrazumijeva da ima veze s proizvodnjom etanola (CH3CH2OH ili C2H6O), koji je vrsta alkohola (kakva alkoholna pića poput vina i piva imaju, na primjer), Industrijski gledano, glavni mikroorganizam koji čovjek koristi za dobivanje alkoholnih pića je gljiva slična kvascu, koja pripada vrsti Saccharomyces cerevisiae.

Alkoholna fermentacija (Izvor: Autor izvorne verzije je Korisnik: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) putem Wikimedia Commonsa)

Kvasači su zapravo aerobni organizmi koji mogu rasti kao fakultativni anaerob, tj. Ako to zahtijevaju uvjeti, mijenjaju metabolizam i prilagođavaju se nedostatku kisika za život.

Kao što smo raspravljali u prethodnom odjeljku, energetska učinkovitost u anaerobnim uvjetima znatno je niža nego u aerobnim, tako da je rast sporiji.

Alkoholna fermentacija uključuje pretvorbu piruvata u etanol, što se odvija u dvostepenom procesu: prvo transformacija piruvata u acetaldehid, a zatim iz acetaldehida u etanol.

Prva reakcija, reakcija pretvorbe piruvata u acetaldehid, je dekarboksilacija u kojoj se oslobađa jedna molekula CO2 za svaku molekulu piruvata i katalizira ga enzim piruvat dekarboksilaza, kojem je potreban kofaktor poznat kao tiamin pirofosfat ili TPP.

Tako proizveden acetaldehid reducira se u etanol pomoću enzima alkohol dehidrogenaze, koji koristi jednu molekulu NADH2 kao kofaktor za svaku molekulu acetaldehida, oslobađajući etanol i NAD +.

NAD + može se ponovo upotrijebiti za smanjenje gliceraldehid 3-fosfata u jednom od koraka glikolitičkog puta, omogućujući sintezu ATP-a da nastavi.

Na industrijskoj razini, različiti sojevi S. cerevisiae koriste se u različite svrhe, jer su neki "specijalizirani" za proizvodnju vina, piva, kruha, itd., Zbog čega mogu pokazati neke karakteristične metaboličke razlike.

Fermentacija mliječne ili mliječne kiseline

Ovu vrstu fermentacije možemo podijeliti na dvije: homofermentativna i heterofermentativna. Prvo se odnosi na proizvodnju mliječne kiseline kao jedinog fermentacijskog produkta redukcije glikolitičkog piruvata, a drugo na proizvodnju mliječne kiseline i etanola.

- Homolaktična fermentacija

Piruvat nastao glikolitičkim putem pretvara se izravno u mliječnu kiselinu zahvaljujući enzimskom djelovanju dehidrogenaze mliječne kiseline. U ovoj se reakciji, kao i u drugoj reakciji alkoholnog vrenja, molekula NAD + regenerira kako bi se oksidirala gliceraldehid 3-fosfat u glikolizi.

Za svaku molekulu glukoze koja se potroši tada nastaju dvije molekule piruvata, tako da rezultat mliječne fermentacije odgovara dvije molekule mliječne kiseline po molekuli glukoze (i dvije molekule NAD +).

Ova vrsta fermentacije vrlo je česta kod određenih vrsta bakterija koje se nazivaju bakterija mliječne kiseline i najjednostavnija je vrsta fermentacije koja postoji.

Mliječna kiselina također se može stvoriti u nekim mišićnim stanicama, jer se piruvat, djelovanjem laktat dehidrogenaze (koji koristi NADH2), pretvara u mliječnu kiselinu.

- Heterolaktička fermentacija

U ovoj vrsti fermentacije dvije molekule piruvata dobivene iz glikolize ne koriste se za sintezu mliječne kiseline. Umjesto toga, za svaku molekulu glukoze jedan se piruvat pretvara u mliječnu kiselinu, a drugi u etanol ili octenu kiselinu i CO2.

Bakterije koje metaboliziraju glukozu na ovaj način poznate su kao heterofermentativne bakterije mliječne kiseline.

Oni ne proizvode piruvat kroz cijeli glikolitički put, već umjesto toga koriste dio pentoznog fosfata za proizvodnju gliceraldehid 3-fosfata, koji se potom metabolizira u piruvat glikoliznim enzimima.

Ukratko, te bakterije "izrezuju" 5-fosfat ksiluloze (sintetiziranu iz glukoze) u gliceraldehid 3-fosfat i acetil fosfat koristeći enzim pentoz-fosfat ketolazu, stvarajući gliceraldehid 3-fosfat (GAP) i acetil fosfat.

GAP ulazi u glikolitički put i pretvara se u piruvat, koji se zatim pretvara u mliječnu kiselinu zahvaljujući enzimu laktat dehidrogenazi, dok se acetil fosfat može reducirati u octenu kiselinu ili etanol.

Bakterije mliječne kiseline vrlo su važne za čovjeka, jer se koriste za proizvodnju različitih derivata fermentiranog mlijeka, među kojima se ističe jogurt.

Odgovorni su i za drugu fermentiranu hranu kao što je fermentirani kupus ili „kiseli kupus“, kiseli krastavci i fermentirane masline.

- Propionska fermentacija

To provode propionibakterije, sposobne stvarati propionsku kiselinu (CH3-CH2-COOH) i obitavati u rumenima biljojedivih životinja.

To je vrsta fermentacije u kojoj bakterije koriste glikolizu glukoze za proizvodnju piruvata. Ovaj piruvat se karboksilira u oksaloacetat, koji se zatim u dva koraka reducira kako bi se sukcinirao, koristeći obrnute reakcije Krebsova ciklusa.

Sukcinat se zatim pretvara u sukcinil-CoA, a to zauzvrat, u metil malonil-CoA enzimom metil malonil mutazom, koji katalizira intramolekularnu preuređenje sukcinil-CoA. Metil malonil-CoA se zatim dekarboksilira da se dobije propionil-CoA.

Ovaj propionil-CoA daje propionsku kiselinu kroz reakciju prijenosa CoA-sukcinata, kataliziranu CoA-transferazom. Bakterije mliječne kiseline i propionibakterije koriste se za proizvodnju švicarskog sira, jer mu propionska kiselina daje poseban okus.

- fermentacija maslačka

Fermentacija maslačka. Izvor: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Izvode ga bakterije koje stvaraju spore koje su obligacijski anaerobi i općenito pripadaju rodu Clostridium. Ovisno o vrsti, te bakterije mogu proizvesti i butanol, octenu kiselinu, etanol, izopropanol i aceton (ugljični dioksid je uvijek proizvod).

Ove bakterije razgrađuju glukozu kroz glikolitički put i stvaraju piruvat, koji se dekarboksilira kako bi tvorio acetil-CoA.

U nekim bakterijama dvije molekule acetil-CoA kondenzirane su enzimom tiolaze, stvarajući acetoacetil-CoA i oslobađajući CoA. Acetoacetil-CoA dehidrira se enzimom P-hidroksibutiril-CoA dehidrogenaza, čime nastaje P-hidroksibutiril-CoA.

Ovaj posljednji proizvod daje Crotonil-CoA djelovanjem enzima krotonaza. Crotonyl-CoA ponovo je reduciran butiril-CoA dehidrogenazom povezanom s FADH2, stvarajući butiril-CoA.

Konačno, butiril-CoA se pretvara u maslačnu kiselinu uklanjanjem dijela CoA i dodavanjem molekule vode. Pod alkalnim (visok pH) neke bakterije mogu pretvoriti maslačnu kiselinu u n-butanol

- Fermentacija miješane kiseline

Čest je u bakterijama poznatim kao Enterobacteriaceae, koje mogu rasti sa ili bez kisika. Naziva se "mješovitom kiselinom", jer kao rezultat fermentacije nastaju različite vrste organskih kiselina i neutralnih spojeva.

Sažetak sheme fermentacije miješane kiseline (Izvor: Izvorni učitavač bio je NicolasGrandjean na Francuskoj Wikipediji. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) putem Wikimedia Commons)

Ovisno o vrstama, mogu se proizvesti mravlje kiselina, octena kiselina, jantarna kiselina, mliječna kiselina, etanol, CO2, butanediol itd.

Često je poznata i kao fermentacija mravlje kiseline, budući da u anaerobnim uvjetima neke bakterije mogu formirati mravlju kiselinu i acetil-CoA iz piruvata djelovanjem enzima mravlje kiseline-piruvatnog liza.

Primjeri procesa u kojima dolazi do fermentacije

Postoji mnogo primjera procesa fermentacije i njihovih proizvoda. Neki od ovih primjera mogu uključivati:

Jogurt, fermentacijski proizvod (Slika tvrtke Imo Flow na www.pixabay.com)

- salama (fermentirano meso), nastala mliječnom fermentacijom bakterija mliječne kiseline

- Jogurt (fermentirano mlijeko), također proizveden od bakterija mliječne kiseline

- sir (fermentirano mlijeko), proizveden od bakterija mliječne kiseline i propionibakterija mliječnom i propionskom fermentacijom

Sir, proizvod fermentacije bakterija mliječne kiseline i propionibakterija (Slika lipefontes0 na www.pixabay.com)

- kruh (fermentacija glutena iz pšeničnog tijesta), proizveden kvascima alkoholnom fermentacijom

- Vino i pivo (fermentacija šećera u soku od grožđa i šećera u žitaricama), proizvedena kvascima alkoholnom fermentacijom

- Kava i kakao (fermentacija šećera prisutnih u sluzi voća), koje stvaraju bakterije mliječne kiseline i kvasci mliječnom i alkoholnom fermentacijom.

Reference

1. Ciani, M., Comitini, F., & Mannazzu, I. (2013). Vrenje.
2. Junker, B. (2000). Vrenje. Kirk-Othmer Enciklopedija kemijske tehnologije.
3. Fruton, J. (2006). Fermentacija: vitalni ili kemijski proces ?. Brill.
4. Doelle, HW (1975). Vrenje. Bakterijski metabolizam, 559-692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Lehningerovi principi biokemije. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Počeci mikrobiologije i biokemije: doprinos istraživanju kvasca. Mikrobiologija, 149 (3), 557-567.