FERMENTÁCIA: HISTÓRIA, PROCES, TYPY, PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2026

Fermentácia je chemický proces, pri ktorom sa jedna alebo viac organických zlúčenín, degradovaný na jednoduchšie zlúčeniny v v neprítomnosti kyslíka (anaeróbne). Vykonáva sa mnoho typov buniek, aby produkovali energiu vo forme ATP.

V súčasnosti sú na priemyselnej úrovni organizmy schopné „fermentovať“ molekuly v neprítomnosti kyslíka veľmi dôležité, pretože sa využívajú na výrobu etanolu, kyseliny mliečnej a iných komerčne významných výrobkov, ktoré sa používajú na výrobu vína, piva, syrov a jogurtov. , atď.

Chlieb a pivo, dva produkty alkoholového kvasenia kvasníc (Obrázok od PublicDomainImages na www.pixabay.com)

Slovo kvasenie pochádza z latinského slova fervere, čo znamená „variť“ a bol vytvorený v názve bublajúceho pozorovania v prvých kvasených nápojoch, čo sa podobá vzhľadu horúcej kvapaliny.

Dnes, ako to navrhol Gay-Lussac v roku 1810, sa tento všeobecný pojem používa na označenie anaeróbneho rozkladu glukózy alebo iných organických živín s cieľom vyrábať energiu vo forme ATP.

Pretože prvé živé bytosti, ktoré sa objavia na Zemi, pravdepodobne žili v atmosfére bez kyslíka, je anaeróbne odbúravanie glukózy pravdepodobne najstarším metabolickým spôsobom medzi živými vecami, ktorý získava energiu z organických molekúl.

História fermentácie

Ľudské poznanie fenoménu kvasenia je asi také staré, ako je to v poľnohospodárstve, pretože už tisíce rokov človek podporuje premenu drvenej sladkej hroznovej šťavy na šumivé víno alebo premenu pšeničného cesta na chlieb. ,

Pre prvé spoločnosti sa však premena týchto „základných“ prvkov na fermentované potraviny považovala za druh „záhadnej“ alebo „zázračnej“ udalosti, pretože nebolo známe, čo ju spôsobilo.

Pokrok vedeckého myslenia a vynález prvých mikroskopov boli nepochybne dôležitým precedensom v oblasti mikrobiológie a umožnili tým vyriešiť fermentačné „tajomstvo“.

Experimenty s Lavoisierom a Gay-Lussacom

Grafický portrét Antoina Lavoisiera (Zdroj: H. Rousseau (grafický dizajnér), E.Thomas (rytec) Augustin Challamel, Desire Lacroix via Wikimedia Commons)

Lavoisier, francúzsky vedec, koncom 17. storočia ukázal, že v procese premeny cukrov na alkohol a oxid uhličitý (ako sa to deje počas výroby vína) bola hmotnosť spotrebovaných substrátov rovnaká ako hmotnosť výrobkov. syntetizovaný.

Neskôr, v roku 1810, Gay-Lussac zhrnul tieto tvrdenia v nasledujúcej chemickej reakcii:

C6H12O6 (glukóza) → 2CO2 (oxid uhličitý) + 2C2H6O (etanol)

Po mnoho rokov sa však tvrdilo, že tieto chemické zmeny pozorované počas fermentácie boli produktom molekulárnych vibrácií emitovaných rozkladom hmoty, to znamená mŕtvych buniek.

Zjednodušene povedané: všetci vedci boli presvedčení, že fermentácia je sekundárnym efektom smrti niektorého organizmu a nie nevyhnutným procesom pre živú bytosť.

Kvasinky v akcii

Louis Pasteur vo svojom laboratóriu. Cez Wikimedia Commons

Neskôr Louis Pasteur, v roku 1857, označil vznik mikrobiologickej chémie, keď spájal fermentáciu s mikroorganizmami, ako sú kvasinky, z ktorých sa tento pojem spájal s myšlienkou existencie živých buniek, s produkciou plynov. a niektoré organické zlúčeniny.

Neskôr, v roku 1920 sa zistilo, že pri absencii kyslíka niektoré extrakty cicavčích svalov katalyzovali tvorbu laktátu z glukózy a že mnohé zo zlúčenín produkovaných počas fermentácie zŕn boli tiež produkované svalovými bunkami.

Vďaka tomuto objavu bola fermentácia zovšeobecnená ako spôsob použitia glukózy a nie ako výlučný proces kvasiniek a baktérií.

Mnoho neskorších štúdií značne zdokonaľovalo poznatky súvisiace s javom fermentácie, pretože boli objasnené metabolické cesty a enzýmy, čo umožnilo ich využitie na rôzne priemyselné účely.

Všeobecný proces fermentácie

Ako sme už uviedli, fermentácia je chemický proces, ktorý zahŕňa anaeróbnu transformáciu (bez kyslíka) organického substrátu na jednoduchšie organické zlúčeniny, ktoré nemôžu byť metabolizované „po prúde“ enzymatickými systémami bez zásahu kyslíka.

Vykonáva sa rôznymi enzýmami a bežne sa pozoruje v mikroorganizmoch, ako sú plesne, kvasinky alebo baktérie, ktoré produkujú sériu sekundárnych produktov, ktoré človek používa na komerčné účely po mnoho storočí.

Pri chemických reakciách, ktoré sa vyskytujú počas fermentácie, enzýmy (proteíny schopné urýchliť rôzne chemické reakcie) hydrolyzujú svoje substráty a rozložia ich alebo „rozštiepia“, čím sa získajú jednoduchšie molekuly a viac asimilovateľných výživných látok metabolicky.

Stojí za zmienku, že fermentácia nie je výlučný proces mikroorganizmov, pretože sa môže vyskytnúť v niektorých živočíšnych bunkách (napríklad svalových bunkách) av niektorých rastlinných bunkách za určitých podmienok.

Aké substráty sú skvasiteľné?

Na začiatku vedeckého výskumu súvisiaceho s fermentáciou sa predpokladalo, že podstatnými molekulami tohto procesu sú uhľohydráty.

Čoskoro sa však pochopilo, že mnoho organických kyselín (vrátane aminokyselín), proteínov, tukov a ďalších zlúčenín je fermentovateľných substrátov pre rôzne typy mikroorganizmov, pretože pre nich môžu fungovať ako zdroj potravy a energie.

Je dôležité objasniť, že anaeróbny metabolizmus nevytvára rovnaké množstvo energie ako aeróbny metabolizmus, pretože substráty vo všeobecnosti nemôžu byť úplne oxidované, takže z nich nie je extrahovaná všetka možná energia.

V dôsledku toho majú anaeróbne mikroorganizmy tendenciu spotrebovať oveľa väčšie množstvo substrátov, aby extrahovali rovnakú energiu, akú by podobný mikroorganizmus extrahoval za aeróbnych podmienok (v prítomnosti kyslíka).

O čom je fermentácia?

Ak nemôže dôjsť k dýchaniu, buď v dôsledku neprítomnosti externého akceptora elektrónov alebo v dôsledku nejakého defektu v bunkovom respiračnom reťazci, fermentácia je katabolická cesta používaná na produkciu energie z glukózy alebo iných zdrojov uhlíka.

Napríklad v prípade glukózy sa jej čiastočná oxidácia uskutočňuje glykolytickou cestou, ktorou sa produkuje pyruvát, ATP a NADH (tieto produkty sa líšia v závislosti od energetického substrátu).

Za aeróbnych podmienok sa pyruvát ďalej oxiduje, keď vstupuje do Krebsovho cyklu a produkty tohto cyklu vstupujú do transportného reťazca elektrónov. Počas týchto procesov sa regeneruje aj NAD +, čo umožňuje zachovanie kontinuity glykolytickej dráhy.

Ak nie je prítomný kyslík, to znamená, že pri anaerobióze dochádza k redukcii pyruvátu odvodeného z oxidačných reakcií (alebo iných výsledných organických zlúčenín). Táto redukcia umožňuje regeneráciu NAD +, čo je zásadná udalosť pre proces fermentácie.

Redukcia pyruvátu (alebo iného oxidačného produktu) znamená začiatok syntézy odpadových produktov, ktorými môžu byť alkoholy, plyny alebo organické kyseliny, ktoré sa vylučujú do extracelulárneho prostredia.

Koľko energie sa vyrába?

Zatiaľ čo úplná oxidácia jedného mólu glukózy na oxid uhličitý (CO2) a voda za aeróbnych podmienok generuje 38 mólov ATP, fermentáciou sa vytvára 1 až 3 móly ATP na každý mól spotrebovanej glukózy.

Druhy fermentácie

Existujú rôzne druhy fermentácie, ktoré sú mnohokrát definované nielen konečnými produktmi procesu, ale aj energetickými substrátmi, ktoré sa používajú ako „palivo“. Mnohé z nich budú definované najmä v priemyselnom kontexte.

Ako poznámku pre čitateľa je pravdepodobne dobré najskôr preskúmať niektoré aspekty energetického metabolizmu, najmä vo vzťahu k uhľohydrátovému katabolizmu (glykolýza), Krebsovmu cyklu a reťazci transportu elektrónov (dýchanie), aby sme pochopili túto tému pomocou väčšia hĺbka.

Možno uviesť 5 druhov fermentácie:

- Alkoholické kvasenie

- fermentácia kyseliny mliečnej alebo kyseliny mliečnej

- Propionická fermentácia

- Butylová fermentácia

- zmiešané kyslé kvasenie

Alkoholové kvasenie

Pokiaľ ide o tento druh fermentácie, obyčajne sa rozumie, že to súvisí s výrobou etanolu (CH3CH2OH alebo C2H6O), čo je druh alkoholu (napríklad alkoholické nápoje ako víno a pivo) ,

Z priemyselného hľadiska je hlavným mikroorganizmom, ktorý človek využíva na získavanie alkoholických nápojov, kvasinková huba patriaca k druhu Saccharomyces cerevisiae.

Alkoholové kvasenie (Zdroj: Autor pôvodnej verzie je Používateľ: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Kvasinky sú vlastne aeróbne organizmy, ktoré môžu rásť ako fakultatívne anaeróby, to znamená, že ak si to podmienky vyžadujú, menia svoj metabolizmus a prispôsobujú sa neprítomnosti kyslíka, aby mohli žiť.

Ako sme diskutovali v predchádzajúcej časti, energetická hospodárnosť v anaeróbnych podmienkach je oveľa nižšia ako v aeróbnych podmienkach, takže rast je pomalší.

Alkoholové kvasenie zahŕňa konverziu pyruvátu na etanol, ktorá sa uskutočňuje v dvojkrokovom procese: najskôr transformáciou pyruvátu na acetaldehyd a potom z acetaldehydu na etanol.

Prvou reakciou, konverznou reakciou pyruvát na acetaldehyd, je dekarboxylácia, pri ktorej sa pre každú molekulu pyruvátu uvoľní jedna molekula CO2 a je katalyzovaná enzýmom pyruvát dekarboxylázy, ktorý potrebuje kofaktor známy ako tiamín pyrofosfát alebo TPP.

Takto vyrobený acetaldehyd sa redukuje na etanol pomocou enzýmu alkoholdehydrogenázy, ktorý používa jednu molekulu NADH2 ako kofaktor pre každú molekulu acetaldehydu, pričom uvoľňuje etanol a NAD +.

NAD + sa môže znovu použiť na redukciu glyceraldehyd-3-fosfátu v jednom z krokov glykolytickej dráhy, čo umožňuje pokračovanie syntézy ATP.

Na priemyselnej úrovni sa rôzne druhy S. cerevisiae využívajú na rôzne účely, pretože niektoré sa „špecializujú“ na výrobu vína, piva, chleba atď., A preto môžu vykazovať určité výrazné metabolické rozdiely.

Fermentácia kyseliny mliečnej alebo kyseliny mliečnej

Tento typ fermentácie možno rozdeliť na dva: homofermentatívne a heterofermentatívne. Prvá sa týka výroby kyseliny mliečnej ako jediného fermentačného produktu redukcie glykolytického pyruvátu a druhá sa týka výroby kyseliny mliečnej a etanolu.

- Homolaktická fermentácia

Pyruvát produkovaný glykolytickou cestou sa premieňa priamo na kyselinu mliečnu vďaka enzymatickému pôsobeniu dehydrogenázy kyseliny mliečnej. V tejto reakcii, rovnako ako v druhej reakcii alkoholovej fermentácie, sa molekula NAD + regeneruje na oxidáciu glyceraldehydu 3-fosfátu v glykolýze.

Pre každú konzumovanú molekulu glukózy sa potom vytvoria dve molekuly pyruvátu, takže výsledok laktátovej fermentácie zodpovedá dvom molekulám kyseliny mliečnej na molekulu glukózy (a dvom molekulám NAD +).

Tento typ fermentácie je veľmi častý u určitých typov baktérií nazývaných baktérie mliečneho kvasenia a je najjednoduchším typom fermentácie, ktorý existuje.

Kyselinu mliečnu môžu tiež produkovať niektoré svalové bunky, pretože pyruvát sa pôsobením laktátdehydrogenázy (ktorá používa NADH2) premieňa na kyselinu mliečnu.

- Heterolaktická fermentácia

Pri tomto type fermentácie sa dve molekuly pyruvátu odvodené od glykolýzy nepoužívajú na syntézu kyseliny mliečnej. Namiesto toho sa pre každú molekulu glukózy jeden pyruvát premení na kyselinu mliečnu a druhá na etanol alebo kyselinu octovú a CO2.

Baktérie, ktoré metabolizujú glukózu týmto spôsobom, sú známe ako heterofermentatívne baktérie mliečneho kvasenia.

Nevyrábajú pyruvát v celej glykolytickej ceste, ale namiesto toho používajú časť pentózofosfátovej dráhy na výrobu glyceraldehyd-3-fosfátu, ktorý je potom metabolizovaný na pyruvát glykolytickými enzýmami.

Stručne povedané, tieto baktérie "štiepia" xylulózu 5-fosfát (syntetizovaný z glukózy) na glyceraldehyd 3-fosfát a acetylfosfát s použitím enzýmu pentóza-fosfát-ketolázy spojeného s TPP, čím sa produkuje glyceraldehyd-3-fosfát (GAP) a acetylfosfát.

GAP vstupuje do glykolytickej dráhy a premieňa sa na pyruvát, ktorý sa vďaka enzýmu laktátdehydrogenázy transformuje na kyselinu mliečnu, zatiaľ čo acetylfosfát sa môže redukovať na kyselinu octovú alebo etanol.

Baktérie kyseliny mliečnej sú pre človeka veľmi dôležité, pretože sa používajú na výrobu rôznych fermentovaných derivátov mlieka, medzi ktorými vyniká jogurt.

Sú zodpovedné aj za iné fermentované potraviny, ako napríklad fermentovanú kapustu alebo „kapusta“, uhorky a fermentované olivy.

- Propionická fermentácia

Toto sa uskutočňuje pomocou propionibaktérií, ktoré sú schopné produkovať kyselinu propiónovú (CH3-CH2-COOH) a ktoré obývajú bachor býložravých zvierat.

Je to druh fermentácie, pri ktorej baktérie používajú glukózu glykolyticky na výrobu pyruvátu. Tento pyruvát sa karboxyluje na oxaloacetát, ktorý sa potom redukuje v dvoch krokoch na sukcináciu pomocou reverzných reakcií Krebsovho cyklu.

Sukcinát sa potom konvertuje na sukcinyl-CoA a to zase na metyl malonyl-CoA enzýmom metyl malonyl mutáza, ktorý katalyzuje intramolekulárne prešmykovanie sukcinyl-CoA. Metylmalynyl-CoA sa potom dekarboxyluje za vzniku propionyl-CoA.

Tento propionyl-CoA poskytuje kyselinu propiónovú prostredníctvom CoA-sukcinátovej transferovej reakcie, katalyzovanej CoA-transferázou. Baktérie mliečneho kvasenia a propionibaktérie sa používajú na výrobu švajčiarskeho syra, pretože kyselina propiónová mu dodáva osobitnú chuť.

- Butylová fermentácia

Butylová fermentácia. Zdroj: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Vykonáva sa baktériami vytvárajúcimi spóry, ktoré sú povinnými anaeróbmi a všeobecne patria do rodu Clostridium. V závislosti od druhu môžu tieto baktérie tiež produkovať butanol, kyselinu octovú, etanol, izopropanol a acetón (oxid uhličitý je vždy produktom).

Tieto baktérie štiepia glukózu glykolytickou cestou a produkujú pyruvát, ktorý je dekarboxylovaný za vzniku acetyl-CoA.

V niektorých baktériách sú dve molekuly acetyl-CoA kondenzované enzýmom tiolázy, produkujúc acetoacetyl-CoA a uvoľňujú CoA. Acetoacetyl-CoA sa dehydrogenuje enzýmom p-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenáza za vzniku P-hydroxybutyryl-CoA.

Tento posledný produkt poskytuje Crotonil-CoA pôsobením enzýmu krotonázy. Crotonyl-CoA je opäť redukovaný butyryl-CoA dehydrogenázou spojenou s FADH2, pričom vzniká butyryl-CoA.

Nakoniec sa butyryl-CoA prevedie na kyselinu maslovú odstránením časti CoA a pridaním molekuly vody. V zásaditých podmienkach (vysoké pH) môžu niektoré baktérie konvertovať kyselinu maslovú na n-butanol

- zmiešané kyslé kvasenie

To je bežné u baktérií známych ako Enterobacteriaceae, ktoré môžu rásť s kyslíkom alebo bez kyslíka. Nazýva sa „zmiešaná kyselina“, pretože v dôsledku fermentácie vznikajú rôzne druhy organických kyselín a neutrálnych zlúčenín.

Súhrnná schéma fermentácie zmiešaných kyselín (Zdroj: Pôvodným poskytovateľom nahrávok bol NicolasGrandjean na francúzskej Wikipédii. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) prostredníctvom Wikimedia Commons)

V závislosti od druhu sa môžu vyrábať kyselina mravčia, kyselina octová, kyselina jantárová, kyselina mliečna, etanol, CO2, butándiol atď.

Je tiež často známa ako fermentácia kyseliny mravčej, pretože za anaeróbnych podmienok môžu niektoré baktérie tvoriť kyselinu mravčiu a acetyl-CoA z pyruvátu pôsobením enzýmu lýzy kyseliny mravčej a kyseliny pyruvátovej.

Príklady procesov, pri ktorých prebieha fermentácia

Existuje mnoho príkladov fermentačných procesov a ich produktov. Niektoré z týchto príkladov by mohli zahŕňať:

Jogurt, produkt fermentácie (Obrázok od Imo Flow na www.pixabay.com)

- Salami (fermentované mäso), vyrobené mliečnym kvasením baktérií mliečneho kvasenia

- Jogurt (fermentované mlieko), tiež produkovaný baktériami kyseliny mliečnej

- Syry (fermentované mlieko) vyrábané baktériami kyseliny mliečnej a propionibaktériami mliečnou a propiónovou fermentáciou

Syry, produkt fermentácie baktérií mliečneho kvasenia a propionibaktérií (Obrázok lipefontes0 na www.pixabay.com)

- Chlieb (fermentácia lepku z pšeničného cesta), vyrábaný kvasnicami alkoholovým kvasením

- Víno a pivo (kvasenie cukrov v hroznovej šťave a cukrov v obilninách), vyrábané kvasnicami alkoholovým kvasením

- Káva a kakao (fermentácia cukrov prítomných v slizu ovocia), produkovaná baktériami kyseliny mliečnej a kvasinkami mliečnym a alkoholovým kvasením.

Referencie

1. Ciani, M., Comitini, F. a Mannazzu, I. (2013). Fermentácie.
2. Junker, B. (2000). Fermentácie. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology.
3. Fruton, J. (2006). Fermentácia: vitálny alebo chemický proces? Brill.
4. Doelle, HW (1975). Fermentácie. Bakteriálny metabolizmus, 559 - 692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerove princípy biochémie. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Počiatky mikrobiológie a biochémie: prínos výskumu kvasiniek. Microbiology, 149 (3), 557-567.