Fermentatsioon on keemiline protsess, mille käigus anaeroobselt lagundatakse süsivesikuid, nagu tärklis ja glükoos. Kääritamisel on palju kasu tervisele ja seda kasutatakse alkohoolsete jookide, leiva, jogurti, hapukapsa, õunasiidriäädika ja kombucha tootmiseks. Seda kasutatakse ka tööstuses etanooli tootmiseks biokütuse allikana.
Kääritamise lühiajalugu
Inimkonna ajaloo jooksul on erinevaid kultuure sündinud kääritatud joogid jättes terad ja puuviljad kaetud anumatesse, saamata aru, miks retsept toimis.
Alles Joseph Louis Gay-Lussac katsetas viinamarjamahla pikka aega kääritamata hoidmise meetodit, kui ta leidis, et pärm on alkohoolseks kääritamiseks hädavajalik. Pasteur tõestas aga, et pärm on vastutav kääritatud jookides glükoosi muundamise eest etanooliks. Ta avastas ka piima hapnemist põhjustavad mikroorganismid, mis hiljem leiti olevat piimhappe kääritamisel bakterite toimel.
Kääritamise mõiste
Kääritamine on a ainevahetusprotsess milles mikroorganismide aktiivsus toob toidule või joogile soovitud muutuse. Näiteks alkohoolsete jookide või happeliste piimatoodete tootmisel. Selles keemilises protsessis lagundatakse sellised molekulid nagu glükoos anaeroobsetes tingimustes.
Sõna “ferment” tuleneb ladinakeelsest sõnast “fervere”, mis tähendab keetmist. Käärimisteadus on tuntud kui zümoloogia, kreeka keelest “käärimise toimimine” ja see on uurimus kääritamise biokeemilisest protsessist ja selle rakendamisest.
Fermentatsioon toimub anaeroobsed tingimused (hapniku puudumine), mikroorganismide (pärmid, bakterid ja hallitusseened) toimel, mis eraldavad protsessist energiat.
Mõned pärmiliigid, näiteks Saccharomyces cerevisiae, eelistab kääritamist aeroobsele hingamisele, isegi kui hapnikku on rohkesti, tingimusel, et suhkrut on piisavalt. Fermentatsioon ei piirdu pärmiga, vaid seda saab teha ka lihastes, kus lihased katalüüsivad glükoosi muundumist laktaadiks.
Biokeemiline vaade
Glükolüüs, mis on metaboolne rada, mis muudab glükoosi püruvaadiks, on kääritamise esimene etapp. Glükolüüsiprotsessi käigus laguneb üks glükoosi molekul, kuus süsinikusuhkrut, kaheks püruvaadi molekuliks. See eksotermiline reaktsioon vabastab energiat ADP fosforüülimiseks ATP-ks ja NAD + muundamiseks NADH-ks.
Hapniku juuresolekul võib püruvaadi seejärel oksüdeerida trikarboksüülhappetsükli kaudu, seda protsessi nimetatakse aeroobseks hingamiseks. Seevastu võib kääritamisprotsessis hapniku puudumisel redutseerida püruvaadi alkoholiks, piimhappeks või muudeks toodeteks.
Fermentatsiooni tüübid
Kääritamistüüpe on palju, mida eristab peamiselt lõpptoode. Kaks kõige olulisemat ja sagedamini kasutatavat tüüpi on etanooli / alkohoolse kääritamine ja piimhappe kääritamine.
Etanooli kääritamine kasutatakse alkohoolsete jookide tootmisel. Piimhappe kääritamine kasutatakse piima- ja köögiviljade maitsestamiseks või säilitamiseks. Piimhappe käärimine toimub tugeva aktiivsuse all ka lihasrakkudes. Sellisel juhul tarbivad lihased energiat (ATP) kiiremini kui hapnikku saab toota, mille tulemuseks on anaeroobne keskkond ning seeläbi piimhappe kogunemine ja lihaste valulikkus.
On ka teisi kääritamisviise, nagu näiteks äädikhappe kääritamine, atsetooni-butanooli ja etanooli kääritamine ja segatud kääritamine.
Etanooli kääritamine
Etanooli kääritamine on bioloogiline protsess, mis muudab suhkru (glükoos, fruktoos ja sahharoos) etanooliks, süsinikdioksiidiks ja energiaks.
Pärast esialgset glükolüüsietappi, mis muudab ühe glükoosimolekuli kaheks püruvaadi molekuliks, püruvaadiks molekulid lagunevad edasi kaheks atseetaldehüüdi ja kaheks süsinikdioksiidi molekuliks, seda etappi katalüüsib püruvaat dekarboksülaas. Alkoholdehüdrogenaas hõlbustab seejärel kahe atsetaldehüüdi molekuli muundamist kaheks etanoolimolekuliks, kasutades NADH-st saadud energiat ja vesinikku.
•••Muudetud alates https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Piimhappe kääritamine
Piimhappe kääritamine on teist tüüpi kääritamine ja seda kirjeldatakse kui ainevahetusprotsessi, mis muudab suhkru metaboliidiks laktaadiks ja energiaks. See on ainus hingamisprotsess, mis ei tekita gaase ja toimub mõnes bakteris (näiteks laktobatsillid) ja lihasrakud.
Seda tüüpi fermentatsioon muudab püruvaadi kaks molekuli glükolüüsist kaheks piimhappemolekuliks ja taastab NAD+ selle käigus tsüklit jätkates. Seda redoksreaktsiooni katalüüsib piimhappe dehüdrogenaas.
Piimhappebakterid võivad läbi viia kas homolaktilist fermentatsiooni, kus peamine toode on piimhape, või heterolaktiline fermentatsioon, kus osa laktaadist metaboliseeritakse edasi etanooliks, süsinikdioksiidiks ja muuks kõrvalsaadused.
•••Muudetud alates https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Kääritamise tähtsus ja eelised
Rikas probiootikumid, kääritatud toidud sisaldavad mikroorganisme, mis aitavad säilitada tervislikku soolestikusüsteemi, nii et see suudab toidust toitaineid tõhusamalt eraldada. Need on inimeste tervisele mitmel viisil kasulikud.
Kääritatud toidus sisalduvad probiootikumid, ensüümid ja piimhape võivad hõlbustada vitamiinide ja mineraalide tarbimist organismis. Fermentatsioon suurendab B- ja C-vitamiine ning suurendab foolhapet, riboflaviini, niatsiini, tiamiini ja biotiini, muutes need imendumiseks hõlpsamini kättesaadavaks.
Kääritamine võib neutraliseerida ka fütiinhapet - teraviljades, pähklites, seemnetes ja kaunviljades sisalduvat ainet, mis põhjustab mineraalide puudust. Fütaadid, fütiinhappe ioniseeritud vorm, muudavad tärklise, valgud ja rasvad vähem seeditavaks.
Kääritatud toidus sisalduvad mikroorganismid või probiootikumid võivad aidata säilitada tervislikku soolestikku antibiootikumide, viirusevastased, seenevastased ja kasvajavastased ained, samuti happelise keskkonna loomine, kus patogeenid ei arene aastal.
Fermentatsiooni igapäevased kasutusalad
Kääritamist kasutatakse laialdaselt alkohoolsete jookide tootmiseks, näiteks puuviljamahlast vein ja teradest õlu. Tärkliserikkaid kartuleid saab ka džinni ja viina valmistamiseks kääritada ja destilleerida.
Fermentatsiooni kasutatakse laialdaselt ka aastal leiva valmistamine. Kui suhkur, pärm, jahu ja vesi ühendatakse tainaks, lagundab pärm suhkru ja eraldab süsinikdioksiidi, mis põhjustab leiva tõusu. Spetsiaalses leivas nagu juuretis kasutatakse nii pärmi kui ka laktobatsille. See kombinatsioon annab tainale veniva tekstuuri ja iseloomuliku hapu maitse.
Piimhappe kääritamist kasutatakse piimatoodete ja köögiviljade, näiteks jogurti, hapukapsa, marineeritud kurgi ja kimchi maitsestamiseks või säilitamiseks.
Äädikhappe kääritamist saab kasutada ka teradest ja puuviljadest pärinevate tärkliste ning suhkrute muutmiseks hapu maitsega äädikaks ja vürtsidesse, sealhulgas õunaäädikaks ja kombuchaks.
Fermentatsiooni tööstuslik kasutamine
Fermentatsiooni kasutatakse tööstuses etanool biokütuse tootmiseks. See on atraktiivne taastuv ressurss, kuna see pärineb lähteainetest, sealhulgas teraviljadest ja sellistest põllukultuuridest nagu mais, suhkruroog, suhkrupeet ja maniokk. See võib pärineda ka puudest, kõrrelistest, põllu- ja metsamajanduse jääkidest.
Ameerika Ühendriikides, mis on suurim etanoolkütuse tootja, on etanoolikütuse peamine lähteaine mais, arvestades selle rohkust ja madalat hinda. Ühest kilogrammist maisist saab toota umbes 0,42 liitrit etanooli. Suuruselt teine tootja on Brasiilia ja suurem osa selle etanoolikütusest tuleb suhkruroost. Enamik autosid töötab Brasiilias puhta etanooli või bensiini ja etanooli seguga.
Fermentatsioon on võimeline tootma ka gaasilist vesinikku, näiteks Clostridium pasteurianum, kus glükoos muundatakse butüraadiks, atsetaadiks, süsinikdioksiidiks ja gaasiliseks vesinikuks. Atsetoon-butanool-etanool kääritamisel lõhustatakse bakterite poolt süsivesikud, nagu tärklis ja glükoos, et saada atsetooni, n-butanooli ja etanooli. Selle protsessi töötas Chaim Weizmann välja esimese meetodina atsetooni valmistamiseks I maailmasõjas.