Fermentering er en kemisk proces, hvorved kulhydrater, såsom stivelse og glukose, nedbrydes anaerobt. Gæring har mange sundhedsmæssige fordele og bruges til produktion af alkoholholdige drikkevarer, brød, yoghurt, surkål, æblecidereddike og kombucha. Det bruges også i industrien til at generere ethanol som kilde til biobrændstof.
En kort historie om gæring
I løbet af menneskets historie har forskellige kulturer produceret gærede drikkevarer ved at efterlade korn og frugter i overdækkede beholdere uden at forstå, hvorfor opskriften fungerede.
Det var først, før Joseph Louis Gay-Lussac eksperimenterede med en metode til at holde druesaft usyret i lang tid, at han fandt gær uundværlig for alkoholisk gæring. Det var imidlertid Pasteur, der demonstrerede, at gær er ansvarlig for omdannelsen af glukose til ethanol i gærede drikkevarer. Han opdagede også mikroorganismer, der får mælk til at surme, hvilket senere blev fundet at være bakteriens virkning i mælkesyrefermentering.
Definition af gæring
Gæring er en metabolisk proces hvori aktiviteten af mikroorganismer medfører en ønskelig ændring af en mad eller drikkevare. For eksempel i produktionen af alkoholholdige drikkevarer eller sure mejeriprodukter. I denne kemiske proces nedbrydes molekyler såsom glukose under anaerobe forhold.
Ordet "gæring" stammer fra det latinske ord "fervere", hvilket betyder at koge. Fermenteringens videnskab er kendt som zymologi, fra græsk for "gæringens funktion", og er en undersøgelse af den biokemiske proces med gæring og dens anvendelser.
Fermentering sker under anaerobe forhold (mangel på ilt) med virkningen af mikroorganismer (gær, bakterier og skimmelsvampe), der udvinder energi fra processen.
Nogle gærarter, såsom Saccharomyces cerevisiae, foretrækker gæring frem for aerob respiration, selv når der er rigeligt med ilt, så længe der er en tilstrækkelig tilførsel af sukker. Fermentering er ikke begrænset til gær, men kan også udføres i muskler, hvor musklerne katalyserer omdannelsen af glucose til lactat.
Biokemisk syn
Glykolyse, som er den metaboliske vej, der omdanner glukose til pyruvat, er det første trin i gæring. Under glykolyseprocessen nedbrydes et molekyle glukose, et seks kulstof sukker, i to pyruvatmolekyler. Denne eksoterme reaktion frigiver energi til phosphorylering af ADP til ATP og konvertering af NAD + til NADH.
I nærvær af ilt kan pyruvat derefter oxideres gennem tricarboxylsyrecyklussen, en proces kendt som aerob respiration. Omvendt kan pyruvatet reduceres til alkohol, mælkesyre eller andre produkter i fravær af ilt under fermenteringsprocessen.
Typer af gæring
Der er mange typer gæring, der hovedsageligt skelnes af slutprodukterne. To af de vigtigste og mest anvendte typer er ethanol / alkoholholdig gæring og mælkesyrefermentering.
Ethanol gæring bruges til fremstilling af alkoholholdige drikkevarer. Mælkesyrefermentering bruges til at smage eller konservere mejeriprodukter og grøntsager. Mælkesyrefermentering forekommer også i muskelceller under anstrengende aktivitet. I dette tilfælde bruger muskler energi (ATP) hurtigere, end der kan tilføres ilt, hvilket resulterer i et anaerobt miljø og dermed mælkesyreopbygning og ømme muskler.
Der er andre typer fermentering, såsom eddikesyrefermentering, acetone-butanol-ethanolfermentering og blandet syrefermentering.
Ethanolfermentering
Ethanolfermentering defineres som den biologiske proces, der omdanner sukker (glucose, fruktose og saccharose) til ethanol, kuldioxid og energi.
Efter det indledende glykolysetrin, der konverterer et glukosemolekyle til to pyruvatmolekyler, pyruvat molekyler nedbrydes yderligere i to acetaldehyd- og to kuldioxidmolekyler, et trin katalyseret af pyruvat decarboxylase. Alkoholdehydrogenase letter derefter omdannelsen af de to acetaldehydmolekyler til to ethanolmolekyler under anvendelse af energien og brint fra NADH.
•••Ændret fra https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Mælkesyrefermentering
Mælkesyrefermentering er en anden form for fermentering og beskrives som den metaboliske proces, der omdanner sukker til metabolitten lactat og energi. Det er den eneste respirationsproces, der ikke producerer en gas og forekommer i nogle bakterier (f.eks lactobaciller) og muskelceller.
Denne type fermentering omdanner de to pyruvatmolekyler fra glykolyse til to mælkesyremolekyler og regenererer NAD+ i processen fortsætter cyklussen. Denne redoxreaktion katalyseres af mælkesyredehydrogenase.
Mælkesyrebakterier kan udføre enten homolaktisk fermentering, hvor mælkesyre er hovedproduktet, eller heterolaktisk gæring, hvor noget lactat metaboliseres yderligere til ethanol, kuldioxid og andet biprodukter.
•••Ændret fra https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Betydningen og fordelene ved gæring
Rig på probiotika, fermenterede fødevarer indeholder mikroorganismer, der kan hjælpe med at opretholde et sundt tarmsystem, så det kan udvinde næringsstoffer fra mad mere effektivt. De er gavnlige for menneskers sundhed på en række måder.
Probiotika, enzymer og mælkesyre i gærede fødevarer kan lette indtagelsen af vitaminer og mineraler i kroppen. Fermentering øger vitamin B og C og forbedrer folinsyre, riboflavin, niacin, thiamin og biotin, hvilket gør dem mere tilgængelige for absorption.
Fermentering kan også neutralisere fytinsyre, et stof i korn, nødder, frø og bælgfrugter, der forårsager mineralmangel. Fytater, den ioniserede form af fytinsyre, gør også stivelse, proteiner og fedt mindre fordøjelige.
Mikroorganismerne, eller probiotika, i gæret mad kan hjælpe med at opretholde en sund tarm til fremstilling af antibiotika, antivirale, antifungale og antitumor agenter samt skabe et surt miljø, som patogener ikke trives i.
Daglige anvendelser af gæring
Gæring anvendes i vid udstrækning til produktion af alkoholholdige drikkevarer, for eksempel vin fra frugtsaft og øl fra korn. Kartofler, rig på stivelse, kan også gæres og destilleres for at fremstille gin og vodka.
Fermentering anvendes også i vid udstrækning i brødfremstilling. Når sukker, gær, mel og vand kombineres til at danne dej, nedbryder gær sukkeret og afgiver kuldioxid, hvilket får brødet til at hæve sig. Specialbrød såsom surdej bruger både gær og lactobaciller. Denne kombination giver dejen sin elastiske struktur og karakteristiske sure smag.
Mælkesyrefermentering bruges til at smage eller konservere mejeriprodukter og grøntsager, for eksempel yoghurt, surkål, syltede agurker og kimchi.
Eddikesyrefermentering kan også bruges til at gøre stivelse og sukker fra korn og frugt til syrlig eddike og krydderier, herunder æblecidereddike og kombucha.
Industriel anvendelse af gæring
Gæring bruges i industrien til at generere ethanol til produktion af biobrændstof. Det er en attraktiv vedvarende ressource, fordi den stammer fra råvarer, herunder korn og afgrøder som majs, sukkerrør, sukkerroer og kassava. Det kan også komme fra træer, græs, landbrugs- og skovbrugsrester.
I USA, som er den største producent af ethanolbrændstof, er det vigtigste råmateriale til ethanolbrændstof majs i betragtning af dets overflod og lave pris. Cirka 0,42 liter ethanol kan produceres fra et kilo majs. Den næststørste producent er Brasilien, og det meste af dens ethanolbrændstof kommer fra sukkerrør. De fleste biler i Brasilien kører på ren ethanol eller en blanding af benzin og ethanol.
Fermentering er også i stand til at producere brintgas, for eksempel i Clostridium pasteurianum, hvor glucose omdannes til butyrat, acetat, kuldioxid og hydrogengas. I fermentering af acetone-butanol-ethanol nedbrydes kulhydrater såsom stivelse og glukose af bakterier til dannelse af acetone, n-butanol og ethanol. Denne proces blev udviklet af Chaim Weizmann som en primær metode til fremstilling af acetone i første verdenskrig.