5 použití fermentácie

Fermentácia je chemický proces, pri ktorom sa sacharidy, ako napríklad škrob a glukóza, rozkladajú anaeróbne. Fermentácia má veľa zdravotných výhod a používa sa pri výrobe alkoholických nápojov, chleba, jogurtov, kyslej kapusty, jablčného octu a kombuchy. Používa sa tiež v priemysle na výrobu etanolu ako zdroja biopaliva.

V priebehu ľudskej histórie sa vytvorili rôzne kultúry kvasené nápoje ponechaním zŕn a ovocia v zakrytých nádobách bez toho, aby ste pochopili, prečo recept fungoval.

Až keď Joseph Louis Gay-Lussac experimentoval s metódou dlhodobého kvasenia hroznovej šťavy, zistil, že kvasinky sú pre alkoholové kvasenie nevyhnutné. Bol to však Pasteur, ktorý preukázal, že kvasinky sú zodpovedné za transformáciu glukózy na etanol vo fermentovaných nápojoch. Objavil tiež mikroorganizmy, ktoré spôsobujú kysnutie mlieka, o ktorom sa neskôr zistilo, že je to pôsobenie baktérií pri fermentácii kyselinou mliečnou.

Fermentácia je a metabolický proces

Slovo „ferment“ pochádza z latinského slova „fervere“, čo znamená varenie. Veda o fermentácii je známa ako zymológia, z gréčtiny „fungovanie fermentácie“, a je to štúdia biochemického procesu fermentácie a jej aplikácií.

K fermentácii dochádza pod anaeróbne podmienky (nedostatok kyslíka), s účinkom mikroorganizmov (kvasinky, baktérie a plesne), ktoré extrahujú energiu z procesu.

Niektoré druhy kvasiniek, ako napr Saccharomyces cerevisiae, dáva prednosť fermentácii pred aeróbnym dýchaním, aj keď je dostatok kyslíka, pokiaľ je k dispozícii dostatočný prísun cukru. Fermentácia sa neobmedzuje iba na kvasinky, ale môže sa uskutočniť aj vo svaloch, v ktorých svaly katalyzujú premenu glukózy na laktát.

Glykolýza, čo je metabolická cesta, ktorá premieňa glukózu na pyruvát, je prvým krokom fermentácie. Počas procesu glykolýzy sa jedna molekula glukózy, šesť uhlíkový cukor, rozpadne na dve molekuly pyruvátu. Táto exotermická reakcia uvoľňuje energiu na fosforyláciu ADP na ATP a premenu NAD + na NADH.

V prítomnosti kyslíka môže byť pyruvát oxidovaný cyklom trikarboxylových kyselín, čo je proces známy ako aeróbne dýchanie. Naopak, pyruvát sa môže pri fermentácii redukovať na alkohol, kyselinu mliečnu alebo iné produkty pri absencii kyslíka.

Existuje veľa druhov fermentácie, ktoré sa vyznačujú hlavne konečnými produktmi. Dva z najdôležitejších a bežne používaných typov sú etanolovo-alkoholová fermentácia a mliečna fermentácia.

Fermentácia etanolu sa používa pri výrobe alkoholických nápojov. Fermentácia kyselinou mliečnou sa používa na dochucovanie alebo konzervovanie mliečnych výrobkov a zeleniny. Kyselina mliečna fermentuje tiež pri namáhavej činnosti vo svalových bunkách. V tomto prípade svaly spotrebúvajú energiu (ATP) rýchlejšie, ako je možné dodať kyslík, čo vedie k anaeróbnemu prostrediu, a tým k nahromadeniu kyseliny mliečnej a bolesti svalov.

Existujú aj iné typy fermentácie, ako napríklad fermentácia kyselinou octovou, fermentácia acetónom, butanolom a etanolom a zmiešaná kyslá fermentácia.

Fermentácia etanolu je definovaná ako biologický proces, pri ktorom sa z cukru (glukózy, fruktózy a sacharózy) stáva etanol, oxid uhličitý a energia.

Po počiatočnom kroku glykolýzy, ktorý prevádza jednu molekulu glukózy na dve molekuly pyruvátu, pyruvát molekuly sa ďalej rozkladajú na dva acetaldehydové a dve molekuly oxidu uhličitého, čo je krok katalyzovaný pyruvátom dekarboxyláza. Alkohol dehydrogenáza potom uľahčuje premenu dvoch molekúl acetaldehydu na dve molekuly etanolu s využitím energie a vodíka z NADH.

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

Fermentácia kyselinou mliečnou je ďalším typom fermentácie a je opísaná ako metabolický proces, ktorý premieňa cukor na metabolit laktát a energiu. Je to jediný dýchací proces, ktorý neprodukuje plyn a vyskytuje sa v niektorých baktériách (napr laktobacily) a svalové bunky.

Tento typ fermentácie prevádza dve molekuly pyruvátu z glykolýzy na dve molekuly kyseliny mliečnej a regeneruje NAD⁺ v procese, pokračujúc v cykle. Táto redoxná reakcia je katalyzovaná dehydrogenázou kyseliny mliečnej.

Baktérie mliečneho kvasenia môžu vykonávať buď homolaktickú fermentáciu, kde je hlavným produktom kyselina mliečna, alebo heterolaktická fermentácia, pri ktorej sa časť laktátu ďalej metabolizuje na etanol, oxid uhličitý a ďalšie vedľajšie produkty.

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

Bohatýv probiotiká, fermentované potraviny obsahujú mikroorganizmy, ktoré pomáhajú udržiavať zdravý črevný systém, takže môžu efektívnejšie extrahovať živiny z potravy. Sú prospešné pre ľudské zdravie rôznymi spôsobmi.

Probiotiká, enzýmy a kyselina mliečna vo fermentovaných potravinách môžu telu uľahčiť príjem vitamínov a minerálov. Fermentácia zvyšuje vitamíny B a C a zvyšuje hladinu kyseliny listovej, riboflavínu, niacínu, tiamínu a biotínu, čím zvyšuje ich absorpciu.

Fermentácia môže tiež neutralizovať kyselinu fytovú, látku v zrnách, orechoch, semenách a strukovinách, ktorá spôsobuje nedostatok minerálov. Fytáty, ionizovaná forma kyseliny fytovej, tiež spôsobujú, že škrob, bielkoviny a tuky sú menej stráviteľné.

Mikroorganizmy alebo probiotiká vo fermentovaných potravinách môžu pomôcť udržať zdravé črevá pri výrobe antibiotík, antivírusové, protiplesňové a protinádorové látky, ako aj vytváranie kyslého prostredia, v ktorom sa patogénom nedarí v.

Fermentácia sa často používa na výrobu alkoholických nápojov, napríklad vína z ovocných štiav a piva zo zŕn. Zemiaky, bohaté na škrob, možno tiež fermentovať a destilovať, aby sa z nich vytvoril gin a vodka.

Vo veľkej miere sa používa aj fermentácia výroba chleba. Keď sa z cukru, droždia, múky a vody vytvorí cesto, droždie štiepi cukor a uvoľňuje oxid uhličitý, čo spôsobuje, že chlieb stúpa. Špeciálny chlieb, ako napríklad kysnuté cesto, používa kvasnice aj laktobacily. Táto kombinácia dodáva cestu jeho pružnú textúru a výraznú kyslú chuť.

Fermentácia pomocou kyseliny mliečnej sa používa na dochutenie alebo konzervovanie mliečnych výrobkov a zeleniny, napríklad jogurtov, kyslej kapusty, solených kyslých uhoriek a kimči.

Fermentáciou pomocou kyseliny octovej sa dá tiež premeniť škroby a cukry zo zŕn a ovocia na ocot s kyslou chuťou a koreninami vrátane jablčného octu a kombuchy.

Fermentácia sa v priemysle používa na výrobu etanol na výrobu biopaliva. Je to atraktívny obnoviteľný zdroj, pretože pochádza z východiskových surovín vrátane obilnín a plodín, ako je kukurica, cukrová trstina, cukrová repa a maniok. Môže tiež pochádzať zo stromov, tráv, poľnohospodárskych a lesných zvyškov.

V Spojených štátoch, ktoré sú najväčším výrobcom etanolového paliva, je hlavnou surovinou pre etanolové palivo kukurica, a to vzhľadom na jej množstvo a nízku cenu. Z jedného kilogramu kukurice sa dá vyrobiť približne 0,42 litra etanolu. Druhým najväčším producentom je Brazília a väčšina jej etanolového paliva pochádza z cukrovej trstiny. Väčšina automobilov v Brazílii používa čistý etanol alebo zmes benzínu a etanolu.

Fermentácia je tiež schopná produkovať plynný vodík, napríklad v Clostridium pasteurianum, kde sa glukóza mení na butyrát, octan, oxid uhličitý a plynný vodík. Pri fermentácii acetón-butanol-etanol sa sacharidy, ako napríklad škrob a glukóza, štiepia baktériami, čím sa získa acetón, n-butanol a etanol. Tento proces vyvinul Chaim Weizmann ako primárny spôsob výroby acetónu v prvej svetovej vojne.