Fermentarea este un proces chimic prin care carbohidrații, cum ar fi amidonul și glucoza, sunt defalcați anaerob. Fermentarea are multe beneficii pentru sănătate și este utilizată în producția de băuturi alcoolice, pâine, iaurt, varză murată, oțet de mere și kombucha. De asemenea, este utilizat în industrie pentru a genera etanol ca sursă de biocombustibil.
O scurtă istorie a fermentației
De-a lungul istoriei umane, s-au produs diferite culturi băuturi fermentate lăsând boabe și fructe în recipiente acoperite, fără a înțelege de ce a funcționat rețeta.
Abia după ce Joseph Louis Gay-Lussac a experimentat o metodă de menținere a sucului de struguri nefermentat pentru o lungă perioadă de timp, a constatat că drojdia era indispensabilă fermentării alcoolice. Cu toate acestea, Pasteur a demonstrat că drojdia este responsabilă pentru transformarea glucozei în etanol în băuturile fermentate. De asemenea, a descoperit microorganisme care determină acidularea laptelui, care s-a dovedit mai târziu că este acțiunea bacteriilor în fermentația acidului lactic.
Definiția Fermentation
Fermentarea este o proces metabolic în care activitatea microorganismelor aduce o schimbare de dorit la un aliment sau băutură. De exemplu, în producția de băuturi alcoolice sau produse lactate acide. În acest proces chimic, molecule precum glucoza sunt descompuse în condiții anaerobe.
Cuvântul „fermenta” provine din cuvântul latin „fervere”, care înseamnă a fierbe. Știința fermentării este cunoscută sub numele de zimologie, din greacă pentru „funcționarea fermentației” și este un studiu al procesului biochimic al fermentației și al aplicațiilor sale.
Fermentarea are loc sub condiții anaerobe (absența oxigenului), cu acțiunea microorganismelor (drojdii, bacterii și mucegaiuri) care extrag energie din proces.
Unele specii de drojdie, cum ar fi Saccharomyces cerevisiae, preferă fermentarea decât respirația aerobă, chiar și atunci când oxigenul este abundent, atâta timp cât există o cantitate adecvată de zahăr. Fermentarea nu se limitează la drojdie, ci poate fi efectuată și în mușchi, în care mușchii catalizează conversia glucozei în lactat.
Vizualizare biochimică
Glicoliza, care este calea metabolică care transformă glucoza în piruvat, este primul pas în fermentare. În timpul procesului de glicoliză, o moleculă de glucoză, un zahăr de șase carbon, se descompune în două molecule de piruvat. Această reacție exotermă eliberează energie pentru fosforilarea ADP în ATP și conversia NAD + în NADH.
În prezența oxigenului, piruvatul poate fi apoi oxidat prin ciclul acidului tricarboxilic, un proces cunoscut sub numele de respirație aerobă. În schimb, piruvatul poate fi redus la alcool, acid lactic sau alte produse în absența oxigenului, în procesul de fermentare.
Tipuri de fermentație
Există multe tipuri de fermentație, care se disting în principal prin produsele finale. Două dintre cele mai importante și utilizate în mod obișnuit sunt fermentația etanol / alcoolică și fermentația acidului lactic.
Fermentarea etanolului este utilizat în producția de băuturi alcoolice. Fermentarea acidului lactic este folosit pentru aromatizarea sau conservarea produselor lactate și a legumelor. Fermentarea acidului lactic are loc și în celulele musculare sub activitate intensă. În acest caz, mușchii consumă energie (ATP) mai repede decât poate fi furnizat oxigen, rezultând un mediu anaerob și, astfel, acumularea acidului lactic și mușchii dureroși.
Există și alte tipuri de fermentare, cum ar fi fermentarea acidului acetic, fermentarea acetonă-butanol-etanol și fermentarea acidă mixtă.
Fermentarea cu etanol
Fermentarea cu etanol este definită ca procesul biologic care transformă zahărul (glucoza, fructoza și zaharoza) în etanol, dioxid de carbon și energie.
După etapa inițială de glicoliză care transformă o moleculă de glucoză în două molecule de piruvat, piruvatul moleculele se descompun în continuare în două molecule de acetaldehidă și două dioxide de carbon, etapă catalizată de piruvat decarboxilaza. Alcoolul dehidrogenază facilitează apoi conversia celor două molecule de acetaldehidă în două molecule de etanol, utilizând energia și hidrogenul din NADH.
•••Modificat din https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Fermentarea acidului lactic
Fermentarea acidului lactic este un alt tip de fermentație și este descris ca procesul metabolic care transformă zahărul în metabolit lactat și energie. Este singurul proces de respirație care nu produce gaze și apare la unele bacterii (cum ar fi lactobacili) și celulele musculare.
Acest tip de fermentație transformă cele două molecule de piruvat din glicoliză în două molecule de acid lactic și regenerează NAD+ în acest proces, continuând ciclul. Această reacție redox este catalizată de acid lactic dehidrogenază.
Bacteriile lactice pot efectua fie fermentarea homolactică, unde acidul lactic este produsul principal, fie fermentație heterolactică, în care un anumit lactat este metabolizat în continuare în etanol, dioxid de carbon și altele subproduse.
•••Modificat din https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/fermentation-and-anaerobic-respiration
Importanța și beneficiile fermentării
Bogat in probiotice, alimentele fermentate conțin microorganisme care pot ajuta la menținerea unui sistem intestinal sănătos, astfel încât să poată extrage nutrienții din alimente mai eficient. Ele sunt benefice pentru sănătatea umană în mai multe moduri.
Probioticele, enzimele și acidul lactic din alimentele fermentate pot facilita aportul de vitamine și minerale de către organism. Fermentarea crește vitaminele B și C și îmbunătățește acidul folic, riboflavina, niacina, tiamina și biotina, făcându-le mai accesibile pentru absorbție.
Fermentarea poate neutraliza, de asemenea, acidul fitic, o substanță din cereale, nuci, semințe și leguminoase care provoacă deficiențe minerale. Fitații, forma ionizată a acidului fitic, fac și amidonul, proteinele și grăsimile mai puțin digerabile.
Microorganismele sau probioticele din alimentele fermentate pot ajuta la menținerea unui intestin sănătos în producerea de antibiotice, agenți antivirali, antifungici și antitumorali, precum și crearea unui mediu acid pe care agenții patogeni nu îl dezvoltă în.
Utilizări zilnice ale fermentației
Fermentarea este utilizată pe scară largă pentru producerea de băuturi alcoolice, de exemplu, vin din sucuri de fructe și bere din cereale. Cartofii, bogați în amidon, pot fi, de asemenea, fermentați și distilați pentru a face gin și vodcă.
Fermentarea este de asemenea utilizată pe scară largă în fabricarea pâinii. Când zahărul, drojdia, făina și apa sunt combinate pentru a forma aluat, drojdia descompune zahărul și degajă dioxid de carbon, ceea ce determină creșterea pâinii. Pâinea specială, cum ar fi aluatul, folosește atât drojdie, cât și lactobacili. Această combinație conferă aluatului textura sa întinsă și gustul acru distinctiv.
Fermentarea acidului lactic este utilizată pentru aromatizarea sau conservarea produselor lactate și a legumelor, de exemplu iaurt, varză murată, murături și kimchi.
Fermentarea acidului acetic poate fi, de asemenea, utilizată pentru a transforma amidonul și zaharurile din cereale și fructe în oțet cu gust acru și condimente, inclusiv oțet de mere și kombucha.
Aplicarea industrială a fermentației
Fermentarea este utilizată în industrie pentru a genera etanol pentru producerea de biocombustibili. Este o resursă regenerabilă atractivă, deoarece provine din materii prime, inclusiv cereale și culturi precum porumb, trestie de zahăr, sfeclă de zahăr și manioc. Poate proveni și din copaci, ierburi, reziduuri agricole și forestiere.
În Statele Unite, care este cel mai mare producător de combustibil de etanol, principala materie primă pentru combustibilul de etanol este porumbul dat fiind abundența și prețul scăzut. Aproximativ 0,42 litri de etanol pot fi produși dintr-un kilogram de porumb. Al doilea producător ca mărime este Brazilia, iar cea mai mare parte a combustibilului său de etanol provine din trestie de zahăr. Majoritatea mașinilor din Brazilia funcționează cu etanol pur sau un amestec de benzină și etanol.
Fermentarea este, de asemenea, capabilă să producă hidrogen gazos, de exemplu în Clostridium pasteurianum, unde glucoza este transformată în butirat, acetat, dioxid de carbon și hidrogen gazos. În fermentarea acetonă-butanol-etanol, glucidele precum amidonul și glucoza sunt defalcate de bacterii pentru a produce acetonă, n-butanol și etanol. Acest proces a fost dezvoltat de Chaim Weizmann ca metodă principală de fabricare a acetonei în primul război mondial.