5 Bruk av gjæring

Fermentering er en kjemisk prosess der karbohydrater, som stivelse og glukose, brytes ned anaerobt. Gjæring har mange helsemessige fordeler og brukes i produksjonen av alkoholholdige drikker, brød, yoghurt, surkål, eplecidereddik og kombucha. Det brukes også i industrien til å generere etanol som kilde til biodrivstoff.

I løpet av menneskets historie har forskjellige kulturer produsert gjærede drikker ved å legge korn og frukt i dekkede beholdere, uten å forstå hvorfor oppskriften fungerte.

Det var ikke før Joseph Louis Gay-Lussac eksperimenterte med en metode for å holde druesaft usyret i lang tid, at han fant gjær var uunnværlig for alkoholgjæring. Det var imidlertid Pasteur som demonstrerte at gjær er ansvarlig for transformasjonen av glukose til etanol i gjærede drikker. Han oppdaget også mikroorganismer som får melk til å surme, noe som senere ble funnet å være handlingen av bakterier i melkesyregjæring.

Gjæring er en metabolsk prosess hvor aktiviteten til mikroorganismer medfører en ønskelig forandring av mat eller drikke. For eksempel i produksjonen av alkoholholdige drikkevarer eller sure meieriprodukter. I denne kjemiske prosessen brytes molekyler som glukose ned under anaerobe forhold.

Ordet "gjæring" stammer fra det latinske ordet "fervere", som betyr å koke. Vitenskapen om gjæring er kjent som zymologi, fra gresk for "the workings of fermentation", og er en studie av den biokjemiske prosessen med gjæring og dens anvendelser.

Gjæring skjer under anaerobe forhold (fravær av oksygen), med virkningen av mikroorganismer (gjær, bakterier og mugg) som henter ut energi fra prosessen.

Noen arter av gjær, som Saccharomyces cerevisiae, foretrekker gjæring fremfor aerob respirasjon, selv når oksygen er rikelig, så lenge det er tilstrekkelig tilførsel av sukker. Fermentering er ikke begrenset til gjær, men kan også utføres i muskler, der musklene katalyserer omdannelsen av glukose til laktat.

Glykolyse, som er den metabolske banen som omdanner glukose til pyruvat, er det første trinnet i gjæring. I løpet av glykolyseprosessen brytes ett molekyl glukose, et seks karbon sukker, ned i to pyruvatmolekyler. Denne eksoterme reaksjonen frigjør energi for fosforylering av ADP til ATP og konvertering av NAD + til NADH.

I nærvær av oksygen kan pyruvat deretter oksideres gjennom trikarboksylsyresyklusen, en prosess kjent som aerob respirasjon. Omvendt kan pyruvatet reduseres til alkohol, melkesyre eller andre produkter i fravær av oksygen i fermenteringsprosessen.

Det er mange typer gjæring, som hovedsakelig kjennetegnes av sluttproduktene. To av de viktigste og mest brukte typene er etanol / alkoholholdig gjæring og melkesyregjæring.

Etanol gjæring brukes i produksjonen av alkoholholdige drikker. Melkesyregjæring brukes til å smake eller bevare meieriprodukter og grønnsaker. Melkesyregjæring forekommer også i muskelceller under anstrengende aktivitet. I dette tilfellet forbruker muskler energi (ATP) raskere enn oksygen kan tilføres, noe som resulterer i et anaerobt miljø og dermed oppbygging av melkesyre og ømme muskler.

Det er andre typer gjæring som eddiksyrefermentering, aceton-butanol-etanolfermentering og blandet syrefermentering.

Etanolfermentering er definert som den biologiske prosessen som gjør sukker (glukose, fruktose og sukrose) til etanol, karbondioksid og energi.

Etter det første glykolysetrinnet som konverterer ett glukosemolekyl til to pyruvatmolekyler, pyruvat molekyler brytes videre ned i to acetaldehyd- og to karbondioksidmolekyler, et trinn katalysert av pyruvat dekarboksylase. Alkoholdehydrogenase letter deretter omdannelsen av de to acetaldehydmolekylene til to etanolmolekyler ved å utnytte energien og hydrogenet fra NADH.

•••Modifisert fra https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration

Melkesyregjæring er en annen type gjæring og blir beskrevet som den metabolske prosessen som omdanner sukker til metabolitten laktat og energi. Det er den eneste respirasjonsprosessen som ikke produserer en gass og forekommer i noen bakterier (for eksempel laktobasiller) og muskelceller.

Denne typen gjæring omdanner de to molekylene av pyruvat fra glykolyse til to melkesyremolekyler og regenererer NAD⁺ i prosessen, fortsetter syklusen. Denne redoksreaksjonen katalyseres av melkesyre dehydrogenase.

Melkesyrebakterier kan utføre enten homolaktisk gjæring, der melkesyre er hovedproduktet, eller heterolaktisk gjæring, hvor noe laktat metaboliseres videre til etanol, karbondioksid og annet biprodukter.

•••Modifisert fra https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration

Rik på probiotika, gjærede matvarer inneholder mikroorganismer som kan bidra til å opprettholde et sunt tarmsystem, slik at det kan utvinne næringsstoffer fra maten mer effektivt. De er gunstige for menneskers helse på flere måter.

Probiotika, enzymer og melkesyre i gjæret mat kan lette inntaket av vitaminer og mineraler i kroppen. Gjæring øker vitamin B og C og forbedrer folsyre, riboflavin, niacin, tiamin og biotin, noe som gjør dem mer tilgjengelige for absorpsjon.

Gjæring kan også nøytralisere fytinsyre, et stoff i korn, nøtter, frø og belgfrukter som forårsaker mineralmangel. Fytater, den ioniserte formen av fytinsyre, gjør også stivelse, proteiner og fett mindre fordøyelige.

Mikroorganismene, eller probiotika, i gjæret mat kan bidra til å opprettholde en sunn tarm i produksjonen av antibiotika, antivirale, soppdrepende og antitumor midler, samt skape et surt miljø som patogener ikke trives i.

Gjæring brukes mye til produksjon av alkoholholdige drikker, for eksempel vin fra fruktjuice og øl fra korn. Poteter, rik på stivelse, kan også gjæres og destilleres for å lage gin og vodka.

Gjæring brukes også mye i brødproduksjon. Når sukker, gjær, mel og vann kombineres for å danne deig, bryter gjær ned sukkeret og avgir karbondioksid, noe som får brødet til å heve seg. Spesialitetsbrød som surdeig bruker både gjær og laktobasiller. Denne kombinasjonen gir deigen sin elastiske tekstur og særegne syrlige smak.

Melkesyregjæring brukes til å smake eller bevare meieriprodukter og grønnsaker, for eksempel yoghurt, surkål, sylteagurk og kimchi.

Eddiksyrefermentering kan også brukes til å gjøre stivelse og sukker fra korn og frukt til syrlig eddik og krydder, inkludert eplecidereddik og kombucha.

Gjæring brukes i industrien til å generere etanol for produksjon av biodrivstoff. Det er en attraktiv fornybar ressurs fordi den stammer fra råvarer inkludert korn og avlinger som mais, sukkerrør, sukkerroer og kassava. Det kan også komme fra trær, gress, jordbruks- og skogrester.

I USA, som er den største produsenten av etanolbrensel, er det viktigste råstoffet for etanolbrensel mais gitt sin overflod og lave pris. Cirka 0,42 liter etanol kan produseres fra ett kilo mais. Den nest største produsenten er Brasil, og det meste av etanolbrenselet kommer fra sukkerrør. De fleste biler i Brasil kjører på ren etanol eller en blanding av bensin og etanol.

Fermentering er også i stand til å produsere hydrogengass, for eksempel i Clostridium pasteurianum, hvor glukose omdannes til butyrat, acetat, karbondioksid og hydrogengass. I fermentering av aceton-butanol-etanol brytes karbohydrater som stivelse og glukose ned av bakterier for å produsere aceton, n-butanol og etanol. Denne prosessen ble utviklet av Chaim Weizmann som en primær metode for å lage aceton i første verdenskrig.