5 zastosowań fermentacji

Fermentacja to proces chemiczny, w którym węglowodany, takie jak skrobia i glukoza, są rozkładane w warunkach beztlenowych. Fermentacja ma wiele zalet zdrowotnych i jest wykorzystywana do produkcji napojów alkoholowych, chleba, jogurtu, kiszonej kapusty, octu jabłkowego i kombuchy. Jest również wykorzystywany w przemyśle do wytwarzania etanolu jako źródła biopaliwa.

Na przestrzeni dziejów ludzkości powstały różne kultury napoje fermentowane zostawiając ziarna i owoce w przykrytych pojemnikach, nie rozumiejąc, dlaczego przepis zadziałał.

Dopiero gdy Joseph Louis Gay-Lussac przez długi czas eksperymentował z metodą utrzymywania niefermentowanego soku winogronowego, odkrył, że drożdże są niezbędne do fermentacji alkoholowej. To jednak Pasteur wykazał, że drożdże są odpowiedzialne za przemianę glukozy w etanol w napojach fermentowanych. Odkrył również mikroorganizmy powodujące kwaśnienie mleka, co później okazało się działaniem bakterii w fermentacji kwasu mlekowego.

Fermentacja to proces metaboliczny w którym aktywność mikroorganizmów powoduje pożądaną zmianę w jedzeniu lub napoju. Na przykład w produkcji napojów alkoholowych lub kwaśnych produktów mlecznych. W tym procesie chemicznym cząsteczki, takie jak glukoza, są rozkładane w warunkach beztlenowych.

Słowo „ferment” pochodzi od łacińskiego słowa „fervere”, które oznacza gotować. Nauka o fermentacji jest znana jako zymologia, z greckiego „działanie fermentacji” i jest nauką o biochemicznym procesie fermentacji i jego zastosowaniach.

Fermentacja odbywa się pod warunki beztlenowe (brak tlenu), z działaniem mikroorganizmów (drożdże, bakterie i pleśnie), które pobierają energię z procesu.

Niektóre gatunki drożdży, takie jak Saccharomyces cerevisiae, woli fermentację niż oddychanie tlenowe, nawet gdy jest dużo tlenu, o ile jest odpowiednia podaż cukru. Fermentacja nie ogranicza się do drożdży, ale może być również prowadzona w mięśniach, w których mięśnie katalizują konwersję glukozy do mleczanu.

Glikoliza, który jest szlakiem metabolicznym, który przekształca glukozę w pirogronian, jest pierwszym etapem fermentacji. Podczas procesu glikolizy jedna cząsteczka glukozy, sześciowęglowy cukier, rozpada się na dwie cząsteczki pirogronianu. Ta egzotermiczna reakcja uwalnia energię do fosforylacji ADP do ATP i konwersji NAD+ do NADH.

W obecności tlenu pirogronian może zostać następnie utleniony w cyklu kwasów trikarboksylowych, w procesie znanym jako oddychanie tlenowe. Odwrotnie, pirogronian można zredukować do alkoholu, kwasu mlekowego lub innych produktów bez dostępu tlenu w procesie fermentacji.

Istnieje wiele rodzajów fermentacji, wyróżniających się głównie produktami końcowymi. Dwa z najważniejszych i powszechnie stosowanych rodzajów to fermentacja etanolowo-alkoholowa i fermentacja kwasu mlekowego.

Fermentacja etanolowa znajduje zastosowanie w produkcji napojów alkoholowych. Fermentacja kwasu mlekowego służy do aromatyzowania lub konserwowania nabiału i warzyw. Fermentacja kwasu mlekowego zachodzi również w komórkach mięśniowych pod wpływem wzmożonej aktywności. W tym przypadku mięśnie zużywają energię (ATP) szybciej niż tlen może być dostarczany, co skutkuje środowiskiem beztlenowym, a tym samym gromadzeniem się kwasu mlekowego i bólem mięśni.

Istnieją inne rodzaje fermentacji, takie jak fermentacja kwasem octowym, fermentacja acetonowo-butanolowo-etanolowa i mieszana fermentacja kwasowa.

Fermentację etanolową definiuje się jako proces biologiczny, w którym cukier (glukozę, fruktozę i sacharozę) zamienia się w etanol, dwutlenek węgla i energię.

Po początkowym etapie glikolizy, który przekształca jedną cząsteczkę glukozy w dwie cząsteczki pirogronianu, pirogronian cząsteczki dalej rozkładają się na dwie cząsteczki aldehydu octowego i dwie cząsteczki dwutlenku węgla, krok katalizowany przez pirogronian dekarboksylaza. Dehydrogenaza alkoholowa ułatwia następnie konwersję dwóch cząsteczek aldehydu octowego do dwóch cząsteczek etanolu, wykorzystując energię i wodór z NADH.

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

Fermentacja kwasu mlekowego jest innym rodzajem fermentacji i jest opisywana jako proces metaboliczny, który przekształca cukier w mleczan metabolitu i energię. Jest to jedyny proces oddychania, który nie wytwarza gazu i występuje u niektórych bakterii (takich jak: lactobacilli) i komórki mięśniowe.

Ten rodzaj fermentacji przekształca dwie cząsteczki pirogronianu z glikolizy w dwie cząsteczki kwasu mlekowego i regeneruje NAD⁺ w procesie, kontynuując cykl. Ta reakcja redoks jest katalizowana przez dehydrogenazę kwasu mlekowego.

Bakterie kwasu mlekowego mogą przeprowadzać fermentację homomlekową, w której kwas mlekowy jest głównym produktem, lub fermentacja heterolaktyczna, w której część mleczanu jest dalej metabolizowana do etanolu, dwutlenku węgla i innych przez produkty.

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

Bogaty w probiotyki, sfermentowana żywność zawiera mikroorganizmy, które mogą pomóc w utrzymaniu zdrowego układu jelitowego, dzięki czemu może wydajniej wydobywać składniki odżywcze z pożywienia. Są one korzystne dla zdrowia człowieka na wiele sposobów.

Probiotyki, enzymy i kwas mlekowy w sfermentowanej żywności mogą ułatwić organizmowi przyjmowanie witamin i minerałów. Fermentacja zwiększa ilość witamin B i C oraz kwas foliowy, ryboflawinę, niacynę, tiaminę i biotynę, czyniąc je bardziej dostępnymi do wchłaniania.

Fermentacja może również neutralizować kwas fitynowy, substancję występującą w ziarnach, orzechach, nasionach i roślinach strączkowych, która powoduje niedobory minerałów. Fityniany, zjonizowana forma kwasu fitynowego, sprawiają, że skrobia, białka i tłuszcze są mniej strawne.

Mikroorganizmy lub probiotyki w sfermentowanej żywności mogą pomóc w utrzymaniu zdrowych jelit w produkcji antybiotyków, środki przeciwwirusowe, przeciwgrzybicze i przeciwnowotworowe, a także tworzenie kwaśnego środowiska, w którym patogeny nie rozwijają się w.

Fermentacja jest szeroko stosowana do produkcji napojów alkoholowych, np. wina z soków owocowych i piwa ze zbóż. Bogate w skrobię ziemniaki można również fermentować i destylować na gin i wódkę.

Fermentacja jest również szeroko stosowana w pieczenie chleba. Kiedy cukier, drożdże, mąka i woda łączą się w ciasto, drożdże rozkładają cukier i wydzielają dwutlenek węgla, który powoduje, że chleb rośnie. Specjalny chleb, taki jak na zakwasie, wykorzystuje zarówno drożdże, jak i lactobacilli. Ta kombinacja nadaje ciastu rozciągliwą konsystencję i charakterystyczny kwaśny smak.

Fermentacja kwasem mlekowym służy do przyprawiania lub konserwowania produktów mlecznych i warzyw, np. jogurtu, kapusty kiszonej, pikli i kimchi.

Fermentację kwasem octowym można również wykorzystać do przekształcenia skrobi i cukrów z ziaren i owoców w ocet o kwaśnym smaku i przyprawy, w tym ocet jabłkowy i kombucha.

Fermentacja jest wykorzystywana w przemyśle do wytwarzania etanol do produkcji biopaliw. Jest atrakcyjnym surowcem odnawialnym, ponieważ pochodzi z surowców, w tym zbóż i roślin uprawnych, takich jak kukurydza, trzcina cukrowa, buraki cukrowe i maniok. Może również pochodzić z drzew, traw, pozostałości rolniczych i leśnych.

W Stanach Zjednoczonych, które są największym producentem paliwa etanolowego, głównym surowcem do produkcji paliwa etanolowego jest kukurydza, biorąc pod uwagę jej obfitość i niską cenę. Z jednego kilograma kukurydzy można wyprodukować około 0,42 litra etanolu. Drugim co do wielkości producentem jest Brazylia, a większość paliwa etanolowego pochodzi z trzciny cukrowej. Większość samochodów w Brazylii jeździ na czystym etanolu lub mieszance benzyny i etanolu.

Fermentacja może również wytwarzać gazowy wodór, na przykład w Clostridium pasteurianum, gdzie glukoza jest przekształcana w maślan, octan, dwutlenek węgla i gazowy wodór. W fermentacji aceton-butanol-etanol węglowodany, takie jak skrobia i glukoza, są rozkładane przez bakterie na aceton, n-butanol i etanol. Proces ten został opracowany przez Chaima Weizmanna jako podstawowa metoda wytwarzania acetonu podczas I wojny światowej.