5 Fermentācijas izmantošanas veidi

Fermentācija ir ķīmisks process, kurā anaerobā veidā tiek sadalīti ogļhidrāti, piemēram, ciete un glikoze. Fermentācijai ir daudz ieguvumu veselībai, un to izmanto alkoholisko dzērienu, maizes, jogurta, skābētu kāpostu, ābolu sidra etiķa un kombucha ražošanā. To izmanto arī rūpniecībā, lai iegūtu etanolu kā biodegvielas avotu.

Cilvēces vēstures laikā ir radījušās dažādas kultūras raudzēti dzērieni atstājot graudus un augļus pārklātos traukos, nesaprotot, kāpēc recepte darbojas.

Tikai pēc tam, kad Džozefs Luiss Gajs-Lusaks eksperimentēja ar metodi vīnogu sulas ilgstošai nefermentēšanai, viņš atklāja, ka raugs ir nepieciešams alkohola fermentācijai. Tomēr Pasteurs parādīja, ka raugs ir atbildīgs par glikozes pārveidošanu par etanolu fermentētos dzērienos. Viņš arī atklāja mikroorganismus, kas izraisa piena skābumu, kas vēlāk tika atklāts kā baktēriju darbība pienskābes fermentācijā.

Fermentācija ir a vielmaiņas process kurā mikroorganismu darbība izraisa vēlamas izmaiņas pārtikā vai dzērienā. Piemēram, alkoholisko dzērienu vai skābu piena produktu ražošanā. Šajā ķīmiskajā procesā tādas molekulas kā glikoze tiek sadalītas anaerobos apstākļos.

Vārds “fermentēt” cēlies no latīņu vārda “fervere”, kas nozīmē vārīties. Fermentācijas zinātne ir pazīstama kā zimoloģija, no grieķu valodas nozīmē “fermentācijas darbība”, un tā ir pētījums par fermentācijas bioķīmisko procesu un tā pielietojumu.

Fermentācija notiek zem anaerobi apstākļi (skābekļa trūkums) ar mikroorganismu (rauga, baktēriju un pelējuma) darbību, kas no procesa iegūst enerģiju.

Dažas rauga sugas, piemēram, Saccharomyces cerevisiae, dod priekšroku fermentācijai, nevis aerobai elpošanai, pat ja skābekļa ir daudz, ja vien ir pietiekams cukura daudzums. Fermentācija neaprobežojas tikai ar raugu, bet to var veikt arī muskuļos, kur muskuļi katalizē glikozes pārvēršanos laktātā.

Glikolīze, kas ir metabolisma ceļš, kas pārvērš glikozi piruvātā, ir pirmais fermentācijas posms. Glikolīzes procesā viena glikozes molekula, sešu oglekļa cukurs, sadalās divās piruvāta molekulās. Šī eksotermiskā reakcija atbrīvo enerģiju ADP fosforilēšanai par ATP un NAD + pārveidošanai par NADH.

Skābekļa klātbūtnē piruvātu pēc tam var oksidēt, izmantojot trikarboksilskābes ciklu, procesu, kas pazīstams kā aerobā elpošana. Un otrādi, fermentācijas procesā piruvātu var reducēt par spirtu, pienskābi vai citiem produktiem bez skābekļa.

Ir daudz fermentācijas veidu, kurus galvenokārt izšķir galaprodukti. Divi no vissvarīgākajiem un visbiežāk izmantotajiem veidiem ir etanola / spirta fermentācija un pienskābes fermentācija.

Etanola fermentācija lieto alkoholisko dzērienu ražošanā. Pienskābes fermentācija lieto piena un dārzeņu aromatizēšanai vai konservēšanai. Pienskābes fermentācija notiek arī intensīvas slodzes muskuļu šūnās. Šajā gadījumā muskuļi patērē enerģiju (ATP) ātrāk, nekā var piegādāt skābekli, kā rezultātā rodas anaerobā vide un līdz ar to pienskābes uzkrāšanās un sāpīgi muskuļi.

Ir arī citi fermentācijas veidi, piemēram, etiķskābes fermentācija, acetona-butanola-etanola fermentācija un jaukta skābes fermentācija.

Etanola fermentācija ir definēta kā bioloģisks process, kas cukuru (glikozi, fruktozi un saharozi) pārvērš etanolā, oglekļa dioksīdā un enerģijā.

Pēc sākotnējā glikolīzes posma, kas vienu glikozes molekulu pārvērš par divām piruvāta molekulām - piruvātu molekulas tālāk sadalās divās acetaldehīda un divās oglekļa dioksīda molekulās, šo soli katalizē piruvāts dekarboksilāze. Tad spirta dehidrogenāze atvieglo divu acetaldehīda molekulu pārveidošanu par divām etanola molekulām, izmantojot NADH enerģiju un ūdeņradi.

•••Mainīts no https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration

Pienskābes fermentācija ir vēl viens fermentācijas veids, un to raksturo kā vielmaiņas procesu, kas cukuru pārveido par metabolītu laktātu un enerģiju. Tas ir vienīgais elpošanas process, kas nerada gāzi un notiek dažās baktērijās (piemēram, laktobacilli) un muskuļu šūnas.

Šis fermentācijas veids pārvērš divas piruvāta molekulas no glikolīzes par divām pienskābes molekulām un atjauno NAD⁺ procesā, turpinot ciklu. Šo redoksreakciju katalizē pienskābes dehidrogenāze.

Pienskābes baktērijas var veikt vai nu homolaktisko fermentāciju, kur pienskābe ir galvenais produkts, vai heterolaktiskā fermentācija, kur daži laktāti tiek tālāk metabolizēti etanolā, oglekļa dioksīdā un citos blakusprodukti.

•••Mainīts no https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration

Bagāts ar probiotikas, fermentēti pārtikas produkti satur mikroorganismus, kas var palīdzēt uzturēt veselīgu zarnu sistēmu, tāpēc tā var efektīvāk iegūt barības vielas no pārtikas. Tie ir noderīgi cilvēku veselībai vairākos veidos.

Fermentētos pārtikas produktos esošie probiotiķi, fermenti un pienskābe var atvieglot vitamīnu un minerālvielu uzņemšanu organismā. Fermentācija palielina B un C vitamīnus un uzlabo folskābi, riboflavīnu, niacīnu, tiamīnu un biotīnu, padarot tos pieejamākus absorbcijai.

Fermentācija var neitralizēt arī fitīnskābi - graudos, riekstos, sēklās un pākšaugos esošo vielu, kas izraisa minerālvielu trūkumu. Fitāti, kas ir fitīnskābes jonizētā forma, arī padara cieti, olbaltumvielas un taukus mazāk sagremojamus.

Raudzētā pārtikā esošie mikroorganismi vai probiotikas var palīdzēt uzturēt veselīgu zarnu, ražojot antibiotikas, pretvīrusu, pretsēnīšu un pretaudzēju līdzekļi, kā arī rada skābu vidi, kurā patogēni neklājas iekšā.

Fermentāciju plaši izmanto alkoholisko dzērienu ražošanai, piemēram, vīnu no augļu sulām un alu no graudiem. Kartupeļus, kas bagāti ar cieti, var arī raudzēt un destilēt, lai iegūtu džinu un degvīnu.

Fermentācija tiek plaši izmantota arī maizes pagatavošana. Kad cukurs, raugs, milti un ūdens tiek apvienoti, veidojot mīklu, raugs noārda cukuru un izdala oglekļa dioksīdu, kā rezultātā maize pieaug. Speciālajā maizē, piemēram, skābā mīklā, tiek izmantots gan raugs, gan laktobacilli. Šī kombinācija piešķir mīklai elastīgu tekstūru un raksturīgu skābu garšu.

Pienskābes fermentāciju izmanto piena produktu un dārzeņu, piemēram, jogurta, skābētu kāpostu, marinētu gurķu un kimči, aromatizēšanai vai konservēšanai.

Etiķskābes fermentāciju var izmantot arī, lai cietes un cukurus no graudiem un augļiem pārvērstu par skābu etiķi un garšvielām, ieskaitot ābolu sidra etiķi un kombucha.

Fermentācija tiek izmantota rūpniecībā, lai to iegūtu etanols biodegvielas ražošanai. Tas ir pievilcīgs atjaunojams resurss, jo to iegūst no izejvielām, ieskaitot graudus un kultūras, piemēram, kukurūzu, cukurniedres, cukurbietes un manioku. Tas var rasties arī no kokiem, zālājiem, lauksaimniecības un mežsaimniecības atliekām.

Amerikas Savienotajās Valstīs, kas ir lielākā etanola degvielas ražotāja, galvenā etanola degvielas izejviela ir kukurūza, ņemot vērā tās pārpilnību un zemo cenu. No viena kilograma kukurūzas var saražot aptuveni 0,42 litrus etanola. Otrs lielākais ražotājs ir Brazīlija, un lielākā daļa tā etanola degvielas nāk no cukurniedrēm. Lielākā daļa automašīnu Brazīlijā darbojas ar tīru etanolu vai benzīna un etanola maisījumu.

Fermentācija spēj radīt arī ūdeņraža gāzi, piemēram, Clostridium pasteurianum, kur glikoze tiek pārveidota par butirātu, acetātu, oglekļa dioksīdu un ūdeņraža gāzi. Fermentējot acetonu-butanolu-etanolu, baktērijas sadala ogļhidrātus, piemēram, cieti un glikozi, lai iegūtu acetonu, n-butanolu un etanolu. Šo procesu izstrādāja Chaim Weizmann kā galveno metodi acetona ražošanai 1. pasaules karā.