La fermentazione è un processo chimico mediante il quale i carboidrati, come l'amido e il glucosio, vengono scomposti anaerobicamente. La fermentazione ha molti benefici per la salute e viene utilizzata nella produzione di bevande alcoliche, pane, yogurt, crauti, aceto di mele e kombucha. Viene anche utilizzato nell'industria per generare etanolo come fonte di biocarburante.
Una breve storia della fermentazione
Nel corso della storia umana, diverse culture hanno prodotto bevande fermentate lasciando cereali e frutta in contenitori coperti, senza capire perché la ricetta funzionasse.
Fu solo quando Joseph Louis Gay-Lussac sperimentò un metodo per mantenere a lungo il succo d'uva non fermentato che scoprì che il lievito era indispensabile per la fermentazione alcolica. Fu Pasteur, tuttavia, a dimostrare che il lievito è responsabile della trasformazione del glucosio in etanolo nelle bevande fermentate. Scoprì anche i microrganismi che causano l'acidità del latte, che in seguito si scoprì essere l'azione dei batteri nella fermentazione dell'acido lattico.
Definizione di fermentazione
La fermentazione è un processo metabolico in cui l'attività dei microrganismi determina un cambiamento desiderabile in un alimento o bevanda. Ad esempio, nella produzione di bevande alcoliche o latticini acidi. In questo processo chimico, molecole come il glucosio vengono scomposte in condizioni anaerobiche.
La parola "fermento" deriva dalla parola latina "fervere", che significa bollire. La scienza della fermentazione è conosciuta come zimologia, dal greco per "il funzionamento della fermentazione", ed è uno studio del processo biochimico della fermentazione e delle sue applicazioni.
La fermentazione avviene sotto condizioni anaerobiche (assenza di ossigeno), con l'azione di microrganismi (lieviti, batteri e muffe) che estraggono energia dal processo.
Alcune specie di lievito, come Saccharomyces cerevisiae, preferisce la fermentazione alla respirazione aerobica, anche quando l'ossigeno è abbondante, purché vi sia un adeguato apporto di zuccheri. La fermentazione non è limitata al lievito ma può essere svolta anche nei muscoli, nei quali i muscoli catalizzano la conversione del glucosio in lattato.
Vista biochimica
glicolisi, che è la via metabolica che converte il glucosio in piruvato, è il primo passo nella fermentazione. Durante il processo di glicolisi, una molecola di glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio, si scompone in due molecole di piruvato. Questa reazione esotermica rilascia energia per la fosforilazione di ADP in ATP e la conversione di NAD+ in NADH.
In presenza di ossigeno, il piruvato può quindi essere ossidato attraverso il ciclo dell'acido tricarbossilico, un processo noto come respirazione aerobica. Viceversa, il piruvato può essere ridotto ad alcool, acido lattico o altri prodotti in assenza di ossigeno, nel processo di fermentazione.
Tipi di fermentazione
Esistono molti tipi di fermentazione, distinti principalmente dai prodotti finali. Due dei tipi più importanti e comunemente usati sono la fermentazione alcolica/alcolica e la fermentazione dell'acido lattico.
Fermentazione dell'etanolo viene utilizzato nella produzione di bevande alcoliche. Fermentazione lattica viene utilizzato per aromatizzare o conservare latticini e verdure. La fermentazione dell'acido lattico si verifica anche nelle cellule muscolari sottoposte ad attività faticose. In questo caso, i muscoli consumano energia (ATP) più velocemente di quanto l'ossigeno possa essere fornito, con conseguente ambiente anaerobico e quindi accumulo di acido lattico e dolori muscolari.
Esistono altri tipi di fermentazione come la fermentazione dell'acido acetico, la fermentazione acetone-butanolo-etanolo e la fermentazione acida mista.
Fermentazione con etanolo
La fermentazione dell'etanolo è definita come il processo biologico che trasforma lo zucchero (glucosio, fruttosio e saccarosio) in etanolo, anidride carbonica ed energia.
Dopo la fase iniziale della glicolisi che converte una molecola di glucosio in due molecole di piruvato, il piruvato molecole si scompongono ulteriormente in due molecole di acetaldeide e due molecole di anidride carbonica, un passaggio catalizzato dal piruvato decarbossilasi. L'alcol deidrogenasi facilita quindi la conversione delle due molecole di acetaldeide in due molecole di etanolo, utilizzando l'energia e l'idrogeno del NADH.
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Fermentazione dell'acido lattico
La fermentazione dell'acido lattico è un altro tipo di fermentazione ed è descritta come il processo metabolico che trasforma lo zucchero nel metabolita lattato ed energia. È l'unico processo di respirazione che non produce gas e si verifica in alcuni batteri (comesuch lattobacilli) e cellule muscolari.
Questo tipo di fermentazione converte le due molecole di piruvato dalla glicolisi a due molecole di acido lattico e rigenera il NAD+ nel processo, continuando il ciclo. Questa reazione redox è catalizzata dall'acido lattico deidrogenasi.
I batteri dell'acido lattico possono svolgere sia la fermentazione omolattica, in cui l'acido lattico è il prodotto principale, sia fermentazione eterolattica, dove parte del lattato viene ulteriormente metabolizzato in etanolo, anidride carbonica e altro sottoprodotti.
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Importanza e vantaggi della fermentazione
Ricca di probiotici, gli alimenti fermentati contengono microrganismi che possono aiutare a mantenere un sistema intestinale sano, in modo che possa estrarre i nutrienti dal cibo in modo più efficiente. Sono benefici per la salute umana in diversi modi.
I probiotici, gli enzimi e l'acido lattico negli alimenti fermentati possono facilitare l'assunzione di vitamine e minerali da parte dell'organismo. La fermentazione aumenta le vitamine B e C e migliora l'acido folico, la riboflavina, la niacina, la tiamina e la biotina, rendendole più accessibili per l'assorbimento.
La fermentazione può anche neutralizzare l'acido fitico, una sostanza presente in cereali, noci, semi e legumi che causa carenze minerali. I fitati, la forma ionizzata dell'acido fitico, rendono inoltre meno digeribili l'amido, le proteine ei grassi.
I microrganismi, o probiotici, negli alimenti fermentati possono aiutare a mantenere un intestino sano nella produzione di antibiotici, agenti antivirali, antimicotici e antitumorali, oltre a creare un ambiente acido in cui i patogeni non prosperano nel.
Usi quotidiani della fermentazione Fer
La fermentazione è ampiamente utilizzata per la produzione di bevande alcoliche, ad esempio vino da succhi di frutta e birra da cereali. Le patate, ricche di amido, possono anche essere fermentate e distillate per fare gin e vodka.
La fermentazione è anche ampiamente utilizzata in fare il pane. Quando lo zucchero, il lievito, la farina e l'acqua si uniscono per formare l'impasto, il lievito scompone lo zucchero ed emette anidride carbonica, che fa lievitare il pane. Il pane speciale come la pasta madre utilizza sia il lievito che i lattobacilli. Questa combinazione conferisce all'impasto la sua consistenza elastica e il caratteristico sapore aspro.
La fermentazione dell'acido lattico viene utilizzata per aromatizzare o conservare latticini e verdure, ad esempio yogurt, crauti, sottaceti e kimchi.
La fermentazione dell'acido acetico può anche essere utilizzata per trasformare amidi e zuccheri da cereali e frutta in aceto e condimenti dal sapore aspro, tra cui aceto di mele e kombucha.
Applicazione industriale della fermentazione
La fermentazione è utilizzata nell'industria per generare etanolo per la produzione di biocarburanti. È una risorsa rinnovabile attraente perché proviene da materie prime tra cui cereali e colture come mais, canna da zucchero, barbabietole da zucchero e manioca. Può anche provenire da alberi, erbe, residui agricoli e forestali.
Negli Stati Uniti, che è il più grande produttore di carburante a etanolo, la principale materia prima per il carburante a etanolo è il mais, data la sua abbondanza e il suo basso prezzo. Da un chilogrammo di mais si possono produrre circa 0,42 litri di etanolo. Il secondo produttore più grande è il Brasile e la maggior parte del suo carburante etanolo proviene dalla canna da zucchero. La maggior parte delle auto in Brasile funziona con etanolo puro o con una miscela di benzina ed etanolo.
La fermentazione è anche in grado di produrre gas idrogeno, ad esempio in Clostridium pasteurianum, dove il glucosio viene convertito in butirrato, acetato, anidride carbonica e gas idrogeno. Nella fermentazione acetone-butanolo-etanolo, i carboidrati come l'amido e il glucosio vengono scomposti dai batteri per produrre acetone, n-butanolo ed etanolo. Questo processo è stato sviluppato da Chaim Weizmann come metodo principale per produrre acetone nella prima guerra mondiale.