Fermentatie is een chemisch proces waarbij koolhydraten, zoals zetmeel en glucose, anaëroob worden afgebroken. Fermentatie heeft veel gezondheidsvoordelen en wordt gebruikt bij de productie van alcoholische dranken, brood, yoghurt, zuurkool, appelciderazijn en kombucha. Het wordt ook in de industrie gebruikt om ethanol te genereren als bron van biobrandstof.
Een korte geschiedenis van fermentatie
In de loop van de menselijke geschiedenis hebben verschillende culturen voortgebracht gefermenteerde dranken door granen en fruit in afgedekte containers te laten, zonder te begrijpen waarom het recept werkte.
Pas toen Joseph Louis Gay-Lussac experimenteerde met een methode om druivensap lange tijd ongegist te houden, ontdekte hij dat gist onmisbaar was voor alcoholische gisting. Het was echter Pasteur die aantoonde dat gist verantwoordelijk is voor de omzetting van glucose in ethanol in gefermenteerde dranken. Hij ontdekte ook micro-organismen die ervoor zorgen dat melk verzuurt, wat later de werking van bacteriën bleek te zijn bij de melkzuurfermentatie.
Definitie van fermentatie
Fermentatie is een stofwisselingsproces waarbij de activiteit van micro-organismen een gewenste verandering in een voedingsmiddel of drank teweegbrengt. Bijvoorbeeld bij de productie van alcoholische dranken of zure zuivelproducten. Bij dit chemische proces worden moleculen zoals glucose afgebroken onder anaërobe omstandigheden.
Het woord "ferment" komt van het Latijnse woord "fervere", wat koken betekent. De wetenschap van fermentatie staat bekend als zymologie, uit het Grieks voor "de werking van fermentatie", en is een studie van het biochemische proces van fermentatie en de toepassingen ervan.
Fermentatie vindt plaats onder anaërobe omstandigheden (gebrek aan zuurstof), met de werking van micro-organismen (gisten, bacteriën en schimmels) die energie uit het proces halen.
Sommige soorten gist, zoals Saccharomyces cerevisiae, geeft de voorkeur aan fermentatie boven aërobe ademhaling, zelfs als er veel zuurstof is, zolang er maar voldoende suiker is. Fermentatie is niet beperkt tot gist, maar kan ook worden uitgevoerd in spieren, waarbij de spieren de omzetting van glucose in lactaat katalyseren.
Biochemische weergave
Glycolyse, de metabolische route die glucose omzet in pyruvaat, is de eerste stap in fermentatie. Tijdens het proces van glycolyse valt één molecuul glucose, een suiker met zes koolstofatomen, uiteen in twee pyruvaatmoleculen. Bij deze exotherme reactie komt energie vrij voor de fosforylering van ADP tot ATP en de omzetting van NAD+ in NADH.
In aanwezigheid van zuurstof kan het pyruvaat vervolgens worden geoxideerd door de tricarbonzuurcyclus, een proces dat bekend staat als aerobe ademhaling. Omgekeerd kan het pyruvaat tijdens het fermentatieproces worden gereduceerd tot alcohol, melkzuur of andere producten in afwezigheid van zuurstof.
Soorten fermentatie
Er zijn veel soorten fermentatie, die zich vooral onderscheiden door de eindproducten. Twee van de belangrijkste en meest gebruikte soorten zijn ethanol/alcoholische fermentatie en melkzuurfermentatie.
Ethanol fermentatie wordt gebruikt bij de productie van alcoholische dranken. Melkzuurfermentatie wordt gebruikt om zuivel en groenten op smaak te brengen of te bewaren. Melkzuurfermentatie vindt ook plaats in spiercellen onder inspannende activiteit. In dit geval verbruiken spieren energie (ATP) sneller dan zuurstof kan worden toegevoerd, wat resulteert in een anaërobe omgeving en dus ophoping van melkzuur en pijnlijke spieren.
Er zijn andere soorten fermentatie zoals azijnzuurfermentatie, aceton-butanol-ethanolfermentatie en gemengde zuurfermentatie.
Ethanolfermentatie
Ethanolfermentatie wordt gedefinieerd als het biologische proces dat suiker (glucose, fructose en sucrose) omzet in ethanol, koolstofdioxide en energie.
Na de initiële glycolysestap die één glucosemolecuul omzet in twee pyruvaatmoleculen, wordt het pyruvaat moleculen vallen verder uiteen in twee aceetaldehyde- en twee koolstofdioxidemoleculen, een stap die wordt gekatalyseerd door pyruvaat decarboxylase. Alcoholdehydrogenase vergemakkelijkt vervolgens de omzetting van de twee aceetaldehyde-moleculen in twee ethanolmoleculen, gebruikmakend van de energie en waterstof van NADH.
•••Gewijzigd van https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Melkzuurfermentatie
Melkzuurfermentatie is een ander type fermentatie en wordt beschreven als het metabolische proces dat suiker omzet in de metaboliet lactaat en energie. Het is het enige ademhalingsproces dat geen gas produceert en voorkomt bij sommige bacteriën (zoals lactobacillen) en spiercellen.
Dit type fermentatie zet de twee moleculen pyruvaat van glycolyse om in twee melkzuurmoleculen en regenereert de NAD+ in het proces, het voortzetten van de cyclus. Deze redoxreactie wordt gekatalyseerd door melkzuurdehydrogenase.
Melkzuurbacteriën kunnen ofwel homolactische fermentatie uitvoeren, waarbij melkzuur het belangrijkste product is, of heterolactische fermentatie, waarbij een deel van het lactaat verder wordt gemetaboliseerd tot ethanol, koolstofdioxide en andere bijproducten.
•••Gewijzigd van https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Belang en voordelen van fermentatie
Rijk aan probiotica, gefermenteerd voedsel bevat micro-organismen die kunnen helpen een gezond darmstelsel te behouden, zodat het voedingsstoffen efficiënter uit voedsel kan halen. Ze zijn op verschillende manieren gunstig voor de menselijke gezondheid.
De probiotica, enzymen en melkzuur in gefermenteerde voedingsmiddelen kunnen de opname van vitamines en mineralen door het lichaam vergemakkelijken. Fermentatie verhoogt vitamine B en C en verbetert foliumzuur, riboflavine, niacine, thiamine en biotine, waardoor ze beter toegankelijk zijn voor absorptie.
Fermentatie kan ook fytinezuur neutraliseren, een stof in granen, noten, zaden en peulvruchten die mineraaltekorten veroorzaakt. Fytaten, de geïoniseerde vorm van fytinezuur, maken ook zetmeel, eiwitten en vetten minder verteerbaar.
De micro-organismen, of probiotica, in gefermenteerd voedsel kunnen helpen om een gezonde darm te behouden bij het produceren van antibiotica, antivirale, antischimmel- en antitumormiddelen, evenals het creëren van een zure omgeving waarin ziekteverwekkers niet gedijen in.
Dagelijks gebruik van fermentatie
Fermentatie wordt veel toegepast bij de productie van alcoholische dranken, bijvoorbeeld wijn uit vruchtensappen en bier uit granen. Aardappelen, rijk aan zetmeel, kunnen ook worden gefermenteerd en gedistilleerd om gin en wodka te maken.
Fermentatie wordt ook veel gebruikt in brood maken. Wanneer suiker, gist, bloem en water worden gecombineerd om deeg te vormen, breekt gist de suiker af en geeft koolstofdioxide af, waardoor het brood gaat rijzen. Speciaalbrood zoals zuurdesem gebruikt zowel gist als lactobacillen. Deze combinatie geeft het deeg zijn rekbare textuur en kenmerkende zure smaak.
Melkzuurfermentatie wordt gebruikt om zuivelproducten en groenten, zoals yoghurt, zuurkool, augurken en kimchi, op smaak te brengen of te bewaren.
Azijnzuurfermentatie kan ook worden gebruikt om zetmeel en suikers uit granen en fruit om te zetten in zuur smakende azijn en specerijen zoals appelciderazijn en kombucha.
Industriële toepassing van fermentatie
Fermentatie wordt in de industrie gebruikt om ethanol voor de productie van biobrandstof. Het is een aantrekkelijke hernieuwbare hulpbron omdat het afkomstig is van grondstoffen zoals granen en gewassen zoals maïs, suikerriet, suikerbieten en cassave. Het kan ook afkomstig zijn van bomen, grassen, land- en bosbouwresiduen.
In de Verenigde Staten, de grootste producent van ethanolbrandstof, is maïs de belangrijkste grondstof voor ethanolbrandstof, gezien de overvloed en de lage prijs. Uit één kilogram maïs kan ongeveer 0,42 liter ethanol worden gemaakt. De op een na grootste producent is Brazilië, en het grootste deel van zijn ethanolbrandstof komt uit suikerriet. De meeste auto's in Brazilië rijden op pure ethanol of een mengsel van benzine en ethanol.
Fermentatie is ook in staat om waterstofgas te produceren, bijvoorbeeld in Clostridium pasteurianum, waar glucose wordt omgezet in butyraat, acetaat, kooldioxide en waterstofgas. Bij de fermentatie van aceton-butanol-ethanol worden koolhydraten zoals zetmeel en glucose door bacteriën afgebroken om aceton, n-butanol en ethanol te produceren. Dit proces is ontwikkeld door Chaim Weizmann als een primaire methode voor het maken van aceton in de Eerste Wereldoorlog.