Fermentation ist ein chemischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate wie Stärke und Glukose anaerob abgebaut werden. Die Fermentation hat viele gesundheitliche Vorteile und wird bei der Herstellung von alkoholischen Getränken, Brot, Joghurt, Sauerkraut, Apfelessig und Kombucha verwendet. Es wird auch in der Industrie verwendet, um Ethanol als Quelle für Biokraftstoff zu erzeugen.
Eine kurze Geschichte der Fermentation
Im Laufe der Menschheitsgeschichte haben verschiedene Kulturen hervorgebracht fermentierte Getränke indem man Körner und Früchte in abgedeckten Behältern ließ, ohne zu verstehen, warum das Rezept funktionierte.
Erst als Joseph Louis Gay-Lussac mit einer Methode experimentierte, um Traubensaft für lange Zeit unvergoren zu halten, fand er Hefe für die alkoholische Gärung unverzichtbar. Pasteur war es jedoch, der zeigte, dass Hefe für die Umwandlung von Glukose in Ethanol in fermentierten Getränken verantwortlich ist. Er entdeckte auch Mikroorganismen, die Milch sauer machen, was sich später als die Wirkung von Bakterien bei der Milchsäuregärung herausstellte.
Definition von Fermentation
Fermentation ist ein Stoffwechselprozess bei denen die Aktivität von Mikroorganismen eine erwünschte Veränderung eines Lebensmittels oder Getränks bewirkt. Zum Beispiel bei der Herstellung von alkoholischen Getränken oder säurehaltigen Milchprodukten. Bei diesem chemischen Prozess werden Moleküle wie Glukose unter anaeroben Bedingungen abgebaut.
Das Wort „Ferment“ leitet sich vom lateinischen Wort „fervere“ ab, was „kochen“ bedeutet. Die Wissenschaft der Fermentation ist als Zymologie bekannt, aus dem Griechischen für „die Funktionsweise der Fermentation“ und befasst sich mit dem biochemischen Prozess der Fermentation und seinen Anwendungen.
Die Gärung erfolgt unter anaerobe Bedingungen (Sauerstoffmangel) unter Einwirkung von Mikroorganismen (Hefen, Bakterien und Schimmelpilze), die dem Prozess Energie entziehen.
Einige Hefearten, wie z Saccharomyces cerevisiae, zieht die Gärung der aeroben Atmung vor, auch wenn reichlich Sauerstoff vorhanden ist, solange ausreichend Zucker vorhanden ist. Die Fermentation ist nicht auf Hefe beschränkt, sondern kann auch in Muskeln durchgeführt werden, in denen die Muskeln die Umwandlung von Glukose in Laktat katalysieren.
Biochemische Sicht
Glykolyse, der Stoffwechselweg, der Glukose in Pyruvat umwandelt, ist der erste Schritt der Fermentation. Während des Glykolyseprozesses zerfällt ein Molekül Glukose, ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, in zwei Pyruvatmoleküle. Diese exotherme Reaktion setzt Energie für die Phosphorylierung von ADP zu ATP und die Umwandlung von NAD+ zu NADH frei.
In Gegenwart von Sauerstoff kann das Pyruvat dann durch den Tricarbonsäurezyklus oxidiert werden, ein Prozess, der als aerobe Atmung bekannt ist. Umgekehrt kann das Pyruvat im Fermentationsprozess in Abwesenheit von Sauerstoff zu Alkohol, Milchsäure oder anderen Produkten reduziert werden.
Fermentationsarten
Es gibt viele Arten der Fermentation, die sich vor allem durch die Endprodukte unterscheiden. Zwei der wichtigsten und am häufigsten verwendeten Arten sind die Ethanol/Alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung.
Ethanol-Fermentation wird bei der Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet. Milchsäuregärung wird zum Würzen oder Konservieren von Milchprodukten und Gemüse verwendet. Milchsäuregärung findet auch in Muskelzellen unter anstrengender Aktivität statt. In diesem Fall verbrauchen die Muskeln schneller Energie (ATP), als Sauerstoff zugeführt werden kann, was zu einem anaeroben Milieu und damit zu Milchsäureaufbau und Muskelkater führt.
Es gibt andere Arten der Fermentation wie die Essigsäuregärung, die Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation und die Mischsäuregärung.
Ethanol-Fermentation
Die Ethanolfermentation ist definiert als der biologische Prozess, der Zucker (Glukose, Fruktose und Saccharose) in Ethanol, Kohlendioxid und Energie umwandelt.
Nach dem anfänglichen Glykolyseschritt, der ein Glucosemolekül in zwei Pyruvatmoleküle umwandelt, wird das Pyruvat Moleküle zerfallen weiter in zwei Acetaldehyd- und zwei Kohlendioxidmoleküle, ein Schritt, der durch Pyruvat katalysiert wird Decarboxylase. Die Alkoholdehydrogenase erleichtert dann die Umwandlung der beiden Acetaldehyd-Moleküle in zwei Ethanol-Moleküle unter Nutzung der Energie und des Wasserstoffs von NADH.
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Milchsäuregärung
Milchsäuregärung ist eine andere Art der Gärung und wird als der Stoffwechselprozess beschrieben, der Zucker in den Metaboliten Laktat und Energie umwandelt. Es ist der einzige Atmungsprozess, der kein Gas produziert und bei einigen Bakterien (wie z Laktobazillen) und Muskelzellen.
Diese Art der Fermentation wandelt die beiden Pyruvatmoleküle aus der Glykolyse in zwei Milchsäuremoleküle um und regeneriert das NAD+ dabei den Kreislauf fortsetzen. Diese Redoxreaktion wird durch Milchsäuredehydrogenase katalysiert.
Milchsäurebakterien können entweder eine homolaktische Fermentation durchführen, bei der Milchsäure das Hauptprodukt ist, oder heterolaktische Fermentation, bei der ein Teil des Laktats weiter in Ethanol, Kohlendioxid und andere verstoffwechselt wird Nebenprodukte.
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Bedeutung und Vorteile der Fermentation
Reich an Probiotika, fermentierte Lebensmittel enthalten Mikroorganismen, die dazu beitragen können, ein gesundes Darmsystem aufrechtzuerhalten, sodass Nährstoffe effizienter aus der Nahrung extrahiert werden können. Sie sind in vielerlei Hinsicht von Vorteil für die menschliche Gesundheit.
Die Probiotika, Enzyme und Milchsäure in fermentierten Lebensmitteln können die Aufnahme von Vitaminen und Mineralstoffen durch den Körper erleichtern. Die Fermentation erhöht die Vitamine B und C und verbessert Folsäure, Riboflavin, Niacin, Thiamin und Biotin, wodurch sie für die Absorption besser zugänglich sind.
Die Fermentation kann auch Phytinsäure neutralisieren, eine Substanz in Getreide, Nüssen, Samen und Hülsenfrüchten, die einen Mineralstoffmangel verursacht. Phytate, die ionisierte Form der Phytinsäure, machen auch Stärke, Proteine und Fette weniger verdaulich.
Die Mikroorganismen oder Probiotika in fermentierten Lebensmitteln können helfen, einen gesunden Darm bei der Produktion von Antibiotika zu erhalten. antivirale, antimykotische und Antitumormittel sowie die Schaffung einer sauren Umgebung, in der Krankheitserreger nicht gedeihen im.
Tägliche Anwendung der Fermentation
Die Fermentation wird häufig zur Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet, zum Beispiel Wein aus Fruchtsäften und Bier aus Getreide. Kartoffeln, die reich an Stärke sind, können auch fermentiert und destilliert werden, um Gin und Wodka herzustellen.
Fermentation wird auch häufig in Brot machen. Wenn Zucker, Hefe, Mehl und Wasser zu einem Teig verbunden werden, zersetzt Hefe den Zucker und gibt Kohlendioxid ab, wodurch das Brot aufgeht. Spezialbrot wie Sauerteig verwendet sowohl Hefe als auch Laktobazillen. Diese Kombination verleiht dem Teig seine dehnbare Textur und seinen unverwechselbaren sauren Geschmack.
Milchsäuregärung wird zum Würzen oder Konservieren von Milchprodukten und Gemüse verwendet, zum Beispiel Joghurt, Sauerkraut, Gurken und Kimchi.
Die Essigsäuregärung kann auch verwendet werden, um Stärke und Zucker aus Getreide und Früchten in sauer schmeckenden Essig und Gewürze wie Apfelessig und Kombucha zu verwandeln.
Industrielle Anwendung der Fermentation
Fermentation wird in der Industrie zur Erzeugung von Ethanol zur Herstellung von Biokraftstoff. Es ist ein attraktiver nachwachsender Rohstoff, da es aus Rohstoffen wie Getreide und Feldfrüchten wie Mais, Zuckerrohr, Zuckerrüben und Maniok stammt. Es kann auch von Bäumen, Gräsern, land- und forstwirtschaftlichen Reststoffen stammen.
In den Vereinigten Staaten, dem größten Hersteller von Ethanolkraftstoff, ist Mais aufgrund seiner Fülle und seines niedrigen Preises der wichtigste Rohstoff für Ethanolkraftstoff. Aus einem Kilogramm Mais können etwa 0,42 Liter Ethanol hergestellt werden. Der zweitgrößte Produzent ist Brasilien, und der größte Teil seines Ethanolkraftstoffs stammt aus Zuckerrohr. Die meisten Autos in Brasilien werden mit reinem Ethanol oder einer Mischung aus Benzin und Ethanol betrieben.
Fermentation ist auch in der Lage, Wasserstoffgas zu erzeugen, zum Beispiel in Clostridium pasteurianum, wo Glucose in Butyrat, Acetat, Kohlendioxid und Wasserstoffgas umgewandelt wird. Bei der Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation werden Kohlenhydrate wie Stärke und Glucose von Bakterien zu Aceton, n-Butanol und Ethanol abgebaut. Dieses Verfahren wurde von Chaim Weizmann als primäre Methode zur Herstellung von Aceton im Ersten Weltkrieg entwickelt.