FERMENTACIJA: ZGODOVINA, POSTOPEK, VRSTE, PRIMERI - BIOLOGIJA - 2026

Fermentacija je kemični proces, pri katerem se ena ali več organskih spojin razgradi na enostavnejši spojin v odsotnosti kisika (anaerobno). Izvajajo ga številne vrste celic za proizvodnjo energije v obliki ATP.

Danes so organizmi, ki lahko »fermentirajo« molekule v odsotnosti kisika, zelo pomembni na industrijski ravni, saj jih izkoriščajo za proizvodnjo etanola, mlečne kisline in drugih tržno pomembnih izdelkov, ki se uporabljajo za izdelavo vina, piva, sira in jogurta. itd.

Kruh in pivo, dva izdelka alkoholne fermentacije kvasovk (Slika PublicDomainImages na www.pixabay.com)

Beseda fermentacija izvira iz latinske besede fervere, kar pomeni "vreti", in je bila skovana po besedah ​​mehurčka, opaženega v prvih fermentiranih pijačah, po videzu zelo podobnega vrenju vroče tekočine.

Danes, kot je leta 1810 predlagal Gay-Lussac, je splošni izraz, ki se nanaša na anaerobno razgradnjo glukoze ali drugih organskih hranil, da se proizvede energija v obliki ATP.

Ker so prva živa bitja, ki so se pojavila na zemlji, verjetno živela v atmosferi brez kisika, je anaerobni razpad glukoze verjetno najstarejši metabolični način med živimi bitji za pridobivanje energije iz organskih molekul.

Zgodovina fermentacije

Človeško poznavanje pojava fermentacije je verjetno tako staro kot tudi kmetijstvo, saj človek že tisočletja spodbuja pretvorbo zdrobljenega sladkega grozdnega soka v šumeče vino ali pretvorbo pšeničnega testa v kruh. .

Toda za prva društva je preoblikovanje teh "osnovnih" elementov v fermentirano hrano veljalo za nekakšno "skrivnost" ali "čudežni" dogodek, saj ni bilo znano, kaj ga je povzročilo.

Napredek znanstvene misli in izum prvih mikroskopov je nedvomno pomenil pomemben precedens na področju mikrobiologije in z njo omogočil rešitev fermentativne »skrivnosti«.

Poskusov Lavoisier in Gay-Lussac

Grafični portret Antoina Lavoisierja (Vir: H. Rousseau (grafični oblikovalec), E.Thomas (graver) Augustin Challamel, Desire Lacroix Via Wikimedia Commons)

Lavoisier, francoski znanstvenik, je v poznih 1700-ih letih prejšnjega stoletja pokazal, da je bila v procesu pretvorbe sladkorja v alkohol in ogljikov dioksid (kot se to dogaja med proizvodnjo vina) teža zaužitih substratov enaka kot pri izdelkih. sintetizirano.

Kasneje, leta 1810, je Gay-Lussac te trditve povzel v naslednji kemični reakciji:

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

Vendar pa se je dolga leta trdilo, da so te kemične spremembe, ki jih opažamo med fermentacijo, produkt molekulskih vibracij, ki jih oddajajo snovi, ki se razgradijo, torej mrtve celice.

Z enostavnejšimi besedami: vsi raziskovalci so bili prepričani, da je fermentacija sekundarni učinek smrti nekega organizma in ne nujen postopek živega bitja.

Kvas v akciji

Louis Pasteur v svojem laboratoriju. Prek Wikimedia Commons

Kasneje je Louis Pasteur leta 1857 zaznamoval rojstvo mikrobiološke kemije, ko je fermentacijo povezal z mikroorganizmi, kot so kvasovke, iz česar je bil izraz povezan s predstavo o obstoju živih celic, s proizvodnjo plinov in nekatere organske spojine.

Kasneje, leta 1920, je bilo ugotovljeno, da nekateri mišični ekstrakti sesalcev katalizirajo tvorbo laktata iz glukoze in da številne spojine, nastale med fermentacijo zrn, proizvajajo tudi mišične celice.

Zahvaljujoč temu odkritju je bila fermentacija posplošena kot oblika izrabe glukoze in ne kot ekskluziven postopek za kvas in bakterije.

Številne poznejše študije so bistveno izboljšale znanje v zvezi s pojavom fermentacije, saj so bile razjasnjene presnovne poti in vpleteni encimi, kar je omogočilo njihovo izkoriščanje za različne industrijske namene.

Splošni postopek fermentacije

Kot smo že rekli, je fermentacija kemični postopek, ki vključuje anaerobno preoblikovanje (brez kisika) organskega substrata v preprostejše organske spojine, ki jih encimatski sistemi brez posredovanja kisika ne morejo metabolizirati "navzdol".

Izvajajo ga različni encimi in ga običajno opazimo v mikroorganizmih, kot so plesni, kvasovke ali bakterije, ki proizvajajo vrsto sekundarnih izdelkov, ki jih človek uporablja v komercialne namene že več stoletij.

V kemijskih reakcijah, ki se odvijajo med fermentacijo, encimi (beljakovine, ki lahko pospešijo različne kemijske reakcije) hidrolizirajo svoje substrate in jih razgradijo ali "prebavijo", tako da metabolično gledano nastanejo enostavnejše molekule in več asimilativnih hranil.

Omeniti velja, da fermentacija ni izključen proces mikroorganizmov, saj se lahko v nekaterih živalskih celicah (kot so na primer mišične celice) in v nekaterih rastlinskih celicah pod določenimi pogoji.

Kateri substrati so fermentirani?

Na začetku znanstvenih raziskav, povezanih s fermentacijo, je veljalo, da so bistvene molekule za ta postopek ogljikovi hidrati.

Vendar je bilo kmalu ugotovljeno, da so številne organske kisline (vključno z aminokislinami), beljakovine, maščobe in druge spojine fermentirajoče podlage za različne vrste mikroorganizmov, saj lahko zanje delujejo kot vir hrane in energije.

Pomembno je pojasniti, da anaerobni metabolizem ne daje enake količine energije kot aerobni metabolizem, saj podlage na splošno ni mogoče oksidirati, zato se iz njih ne črpa vsa mogoča energija.

Posledično anaerobni mikroorganizmi porabijo veliko večje količine substrata, da bi črpali enako energijo, kot bi jo podoben mikroorganizem izlužil v aerobnih pogojih (v prisotnosti kisika).

Kaj je fermentacija?

Kadar dihanja ni mogoče, bodisi zaradi odsotnosti zunanjega akceptorja elektronov bodisi zaradi neke napake v celični dihalni verigi, je fermentacija katabolična pot, ki se uporablja za pridobivanje energije iz glukoze ali drugih virov ogljika.

Na primer pri glukozi se njena delna oksidacija izvede po glikolitični poti, po kateri nastajajo piruvat, ATP in NADH (ti izdelki se razlikujejo glede na energijski substrat).

Pod aerobnimi pogoji se piruvat še dodatno oksidira, ko vstopi v Krebsov cikel, proizvodi tega cikla pa vstopijo v elektronsko transportno verigo. Med temi procesi se obnavlja tudi NAD +, kar omogoča ohranjanje kontinuitete glikolitične poti.

Kadar ni kisika, torej pri anaerobiozi, se piruvat, pridobljen iz oksidativnih reakcij (ali drugih nastalih organskih spojin), zmanjša. To znižanje omogoča regeneracijo NAD +, ki je temeljni dogodek fermentacijskega procesa.

Redukcija piruvata (ali drugega oksidativnega produkta) pomeni začetek sinteze odpadnih produktov, ki so lahko alkoholi, plini ali organske kisline, ki se izločijo v zunajcelično okolje.

Koliko energije proizvedemo?

Medtem ko popolna oksidacija enega molekule glukoze v ogljikov dioksid (CO2) in vodo pod aerobnimi pogoji ustvari 38 molov ATP, fermentacija proizvede med 1 in 3 moli ATP za vsak mol porabljene glukoze.

Vrste fermentacije

Obstajajo različne vrste fermentacije, ki jih večkrat ne opredeljujejo le končni proizvodi postopka, temveč tudi energijski substrati, ki se uporabljajo kot "gorivo". Mnoge od njih bodo opredeljene zlasti v industrijskem okviru.

Kot opombo bralcu je verjetno pametno najprej pregledati nekatere vidike energijskega metabolizma, zlasti v zvezi z katabolizmom ogljikovih hidratov (glikoliza), Krebsovim ciklom in elektronsko transportno verigo (dihanje), da bi razumeli to temo večja globina.

Omenimo lahko 5 vrst fermentacije:

- Alkoholno vrenje

- fermentacija mlečne ali mlečne kisline

- Propionska fermentacija

- Maslačno vrenje

- Mešano kislinsko vrenje

Alkoholno vrenje

Ko govorimo o tej vrsti fermentacije, običajno razumemo, da ima to povezavo s proizvodnjo etanola (CH3CH2OH ali C2H6O), ki je vrsta alkohola (od tega alkoholne pijače, na primer vino in pivo, na primer) .

Industrijsko gledano je glavni mikroorganizem, ki ga človek izkorišča za pridobivanje alkoholnih pijač, glivi, ki je podobna kvasu, ki spada v vrsto Saccharomyces cerevisiae.

Alkoholna fermentacija (Vir: Avtor izvirne različice je Uporabnik: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) prek Wikimedia Commons)

Kvas so pravzaprav aerobni organizmi, ki lahko rastejo kot fakultativni anaerob, torej če to zahtevajo razmere, spremenijo svoj metabolizem in se prilagodijo odsotnosti kisika za življenje.

Kot smo že govorili v prejšnjem razdelku, je energetska učinkovitost v anaerobnih pogojih veliko nižja kot v aerobnih, zato je rast počasnejša.

Alkoholna fermentacija vključuje pretvorbo piruvata v etanol, ki poteka v dvostopenjskem postopku: najprej pretvorba piruvata v acetaldehid in nato iz acetaldehida v etanol.

Prva reakcija, reakcija pretvorbe piruvata v acetaldehid, je dekarboksilacija, pri kateri se za vsako molekulo piruvata sprosti ena molekula CO2 in katalizira encim piruvat dekarboksilaza, ki potrebuje kofaktor, znan kot tiamin pirofosfat ali TPP.

Tako proizveden acetaldehid reduciramo na etanol s pomočjo encima alkohol dehidrogenaza, ki uporablja eno molekulo NADH2 kot kofaktor za vsako molekulo acetaldehida, sprošča etanol in NAD +.

NAD + je mogoče ponovno uporabiti za zmanjšanje 3-fosfata gliceraldehida v enem od korakov glikolitične poti, kar omogoča nadaljevanje sinteze ATP.

Na industrijski ravni se različni sevi vrste S. cerevisiae izkoriščajo za različne namene, saj so nekateri "specializirani" za proizvodnjo vina, piva, kruha itd., Zato lahko predstavljajo nekatere značilne presnovne razlike.

Mlečno ali mlečnokislinsko vrenje

To vrsto fermentacije lahko delimo na dva: homofermentativno in heterofermentativno. Prvo se nanaša na proizvodnjo mlečne kisline kot edinega fermentacijskega produkta redukcije glikolitičnega piruvata, drugo pa na proizvodnjo mlečne kisline in etanola.

- Homolaktična fermentacija

Piruvat, ki nastaja po glikolitični poti, se zaradi encimskega delovanja mlečnokislinske dehidrogenaze neposredno pretvori v mlečno kislino. Tako se pri tej reakciji, kot pri drugi reakciji alkoholnega vrenja, regenerira molekula NAD +, ki oksidira gliceraldehid 3-fosfat v glikolizi.

Za vsako molekulo glukoze, ki jo porabimo, potem nastaneta dve molekuli piruvata, tako da rezultat mlečne fermentacije ustreza dvema molekulama mlečne kisline na molekulo glukoze (in dvema molekulama NAD +).

Ta vrsta fermentacije je zelo pogosta pri nekaterih vrstah bakterij, ki se imenujejo mlečnokislinske bakterije in je najpreprostejša vrsta fermentacije, ki obstaja.

Mlečno kislino lahko proizvajajo tudi nekatere mišične celice, saj se piruvat z delovanjem laktat dehidrogenaze (ki uporablja NADH2) pretvori v mlečno kislino.

- Heterolaktična fermentacija

Pri tej vrsti fermentacije se dve molekuli piruvata, ki izhaja iz glikolize, ne uporabljata za sintezo mlečne kisline. Namesto tega se za vsako molekulo glukoze en piruvat spremeni v mlečno kislino, drugi pa v etanol ali ocetno kislino in CO2.

Bakterije, ki metabolizirajo glukozo na ta način, so znane kot heterofermentativne mlečnokislinske bakterije.

Ne proizvajajo piruvata skozi celotno glikolitično pot, temveč namesto tega uporabljajo del pentoznega fosfatnega procesa za proizvodnjo gliceraldehid 3-fosfata, ki se nato presnovi v piruvat z glikolitičnimi encimi.

Na kratko te bakterije "razrežejo" 5-fosfat ksiluloze (sintetiziranega iz glukoze) v gliceraldehid 3-fosfat in acetil fosfat z encimom pentoza fosfata ketolaze z vezavo TPP, pri čemer nastane gliceraldehid 3-fosfat (GAP) in acetil fosfat.

GAP vstopi v glikolitično pot in se pretvori v piruvat, ki ga nato zahvaljujoč encimu laktat dehidrogenaza pretvori v mlečno kislino, medtem ko se acetil fosfat lahko zmanjša v ocetno kislino ali etanol.

Mlečnokislinske bakterije so za človeka zelo pomembne, saj se uporabljajo za proizvodnjo različnih derivatov fermentiranega mleka, med katerimi izstopa jogurt.

Odgovorni so tudi za drugo fermentirano hrano, kot je fermentirano zelje ali "kislo zelje", kumarice in fermentirane oljke.

- Propionska fermentacija

To izvajajo propionibakterije, ki lahko proizvajajo propionsko kislino (CH3-CH2-COOH) in naseljujejo rumene rastlinojede živali.

Gre za vrsto fermentacije, pri kateri bakterije uporabljajo glukozo glikolitično za proizvodnjo piruvata. Ta piruvat se karboksilira v oksaloacetat, ki se nato v dveh korakih reducira za sukinacijo z uporabo obratnih reakcij Krebsovega cikla.

Sukcinat se nato pretvori v sukcinil-CoA in to posledično v metil malonil-CoA s pomočjo encima metil malonil mutaze, ki katalizira intramolekularno preureditev sukcinil-CoA. Metil malonil-CoA nato dekarboksiliramo, da dobimo propionil-CoA.

Ta propionil-CoA daje propionsko kislino s reakcijo prenosa CoA-sukcinata, katalizirano s CoA-transferazo. Mlečnokislinske bakterije in propionibakterije se uporabljajo za proizvodnjo švicarskega sira, saj mu propionska kislina daje poseben okus.

- Maslačno vrenje

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

Izvajajo ga bakterije, ki tvorijo spore, ki so obligacijski anaerob in na splošno spadajo v rod Clostridium. Te bakterije lahko glede na vrsto proizvajajo tudi butanol, ocetno kislino, etanol, izopropanol in aceton (ogljikov dioksid je vedno izdelek).

Te bakterije razgrajujejo glukozo po glikolitični poti in tvorijo piruvat, ki ga dekarboksilira, da tvori acetil-CoA.

Pri nekaterih bakterijah se dve molekuli acetil-CoA kondenzirata z encimom tiolaze, pri čemer nastane acetoacetil-CoA in sprosti CoA. Acetoacetil-CoA dehidrira encim β-hidroksibutiril-CoA dehidrogenaza, da nastane P-hidroksibutiril-CoA.

Zadnji izdelek povzroči Crotonil-CoA z delovanjem encima krotonaza. Crotonyl-CoA se ponovno zmanjša z butiril-CoA dehidrogenazo, povezano s FADH2, pri čemer nastane butiril-CoA.

Na koncu se butiril-CoA pretvori v maslo kisline z odstranjevanjem dela CoA in dodajanjem molekule vode. V alkalnih pogojih (z visokim pH) lahko nekatere bakterije pretvorijo mastično kislino v n-butanol

- Mešano kislinsko vrenje

Pogosta je pri bakterijah, znanih kot Enterobacteriaceae, ki lahko rastejo s kisikom ali brez njega. Imenuje se "mešana kislina", ker se zaradi fermentacije proizvajajo različne vrste organskih kislin in nevtralnih spojin.

Povzetek sheme mešane kislinske fermentacije (Vir: Prvotni pošiljatelj je bil NicolasGrandjean iz francoske Wikipedije. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) prek Wikimedia Commons)

Odvisno od vrste lahko nastanejo mravljična kislina, ocetna kislina, jantarna kislina, mlečna kislina, etanol, CO2, butandiol itd.

Pogosto ga poznamo tudi kot fermentacija mravljinčne kisline, saj lahko v anaerobnih pogojih nekatere bakterije tvorijo mravljično kislino in acetil-CoA iz piruvata z delovanjem encima mravljična liza mravljične kisline-piruvata.

Primeri postopkov fermentacije

Obstaja veliko primerov fermentacijskih postopkov in njihovih izdelkov. Nekateri od teh primerov lahko vključujejo:

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

- Salami (fermentirano meso), pridobljeno z mlečno fermentacijo mlečnokislinskih bakterij

- Jogurt (fermentirano mleko), ki ga proizvajajo tudi mlečnokislinske bakterije

- sir (fermentirano mleko), ki ga proizvajajo mlečnokislinske bakterije in propionibakterije z mlečno in propionsko fermentacijo

Sir, produkt fermentacije mlečnokislinskih bakterij in propionibakterij (Slika lipefontes0 na www.pixabay.com)

- kruh (fermentacija glutena iz pšeničnega testa), ki ga tvorijo kvasovke z alkoholno fermentacijo

- vino in pivo (fermentacija sladkorjev v grozdnem soku in sladkorja v zrnu), ki jih kvasovke pridobivajo z alkoholno fermentacijo

- Kava in kakav (fermentacija sladkorjev, prisotnih v sluzi sadja), ki jih proizvajajo mlečnokislinske bakterije in kvasovke z mlečno in alkoholno fermentacijo.

Reference

1. Ciani, M., Comitini, F., & Mannazzu, I. (2013). Fermentacija.
2. Junker, B. (2000). Fermentacija. Kirk-Othmerjeva enciklopedija za kemijsko tehnologijo.
3. Fruton, J. (2006). Fermentacija: vitalni ali kemični proces ?. Brill.
4. Doelle, HW (1975). Fermentacija. Bakterijska presnova, 559–692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Začetki mikrobiologije in biokemije: prispevek kvasnih raziskav. Mikrobiologija, 149 (3), 557–567.