Fermentace - Fermentation
Fermentace je metabolický proces, který působí chemické změny v organických substrátech působením enzymů . V biochemii je úzce definován jako extrakce energie ze sacharidů v nepřítomnosti kyslíku . V produkci potravin se může v širším smyslu vztahovat na jakýkoli proces, ve kterém aktivita mikroorganismů přináší požadovanou změnu v potravinách nebo nápojích. Věda o kvašení je známá jako zymologie .
V mikroorganismech je fermentace primárním způsobem produkce adenosintrifosfátu (ATP) degradací organických živin anaerobně . Rovnice pro fermentaci je: glukóza → ethanol + oxid uhličitý nebo C
6H
12Ó
6(aq) → 2C
2H
5OH (l) + 2CO
2(G). Lidé používají fermentaci k výrobě potravin a nápojů již od neolitu . Fermentace se například používá ke konzervaci v procesu, který produkuje kyselinu mléčnou obsaženou v takových kyselých potravinách, jako jsou nakládané okurky , kombucha , kimchi a jogurt , a také k výrobě alkoholických nápojů, jako je víno a pivo . Ke kvašení dochází také v gastrointestinálním traktu všech zvířat, včetně lidí.
Definice
Níže jsou uvedeny některé definice fermentace. Pohybují se od neformálních, obecných zvyklostí až po vědečtější definice.
- Metody konzervace potravin prostřednictvím mikroorganismů (obecné použití).
- Jakýkoli rozsáhlý mikrobiální proces probíhající se vzduchem nebo bez vzduchu (běžná definice používaná v průmyslu).
- Jakýkoli proces, který produkuje alkoholické nápoje nebo kyselé mléčné výrobky (obecné použití).
- Jakýkoli metabolický proces uvolňující energii, který probíhá pouze za anaerobních podmínek (poněkud vědeckých).
- Jakýkoli metabolický proces, který uvolňuje energii z cukru nebo jiné organické molekuly, nevyžaduje kyslík ani elektronový transportní systém a používá organickou molekulu jako konečný akceptor elektronů (většina vědeckých).
Biologická role
Spolu s aerobním dýcháním je fermentace metodou k získávání energie z molekul. Tato metoda je jediná společná všem bakteriím a eukaryotům . Je proto považován za nejstarší metabolickou cestu , vhodnou do pravěku - před životem rostlin na Zemi, tedy před kyslíkem v atmosféře.
Kvasinky , forma houby , se vyskytují téměř v jakémkoli prostředí schopném podporovat mikroby, od slupek ovoce přes střeva hmyzu a savců až po hluboký oceán. Kvasinky přeměňují (štěpí) molekuly bohaté na cukr za vzniku ethanolu a oxidu uhličitého.
Základní mechanismy kvašení zůstávají přítomny ve všech buňkách vyšších organismů. Savčí sval provádí fermentaci během období intenzivního cvičení, kde je omezen přísun kyslíku, což vede k tvorbě kyseliny mléčné . U bezobratlých produkuje fermentace také sukcinát a alanin .
Fermentativní bakterie hrají zásadní roli při produkci metanu v biotopech od bachoru skotu po vyhazovače odpadních vod a sladkovodní sedimenty. Produkují vodík, oxid uhličitý, mravenčan a octan a karboxylové kyseliny . Poté konsorcia mikrobů přeměňují oxid uhličitý a acetát na metan. Acetogenní bakterie oxidují kyseliny, získávají více acetátu a buď vodíku, nebo mravenčanu. Nakonec methanogeny (v doméně Archea ) převádějí acetát na metan.
Biochemický přehled
Fermentace reaguje NADH s endogenní , organické akceptor elektronů . Obvykle se jedná o pyruvát vytvořený z cukru glykolýzou . Reakcí se NAD + a organického produktu, typické příklady jsou etanolu , kyseliny mléčné , a plynný vodík (H 2 ) , a často také oxid uhličitý . Fermentací však lze vyrobit exotičtější sloučeniny, jako je kyselina máselná a aceton . Fermentační produkty jsou považovány za odpad, protože je nelze dále metabolizovat bez použití kyslíku.
Ke kvašení obvykle dochází v anaerobním prostředí . V přítomnosti O 2 , NADH a pyruvátu se používají ke generování ATP při dýchání . Toto se nazývá oxidační fosforylace . To generuje mnohem více ATP než samotná glykolýza. Uvolňuje chemickou energii O 2 . Z tohoto důvodu se fermentace používá zřídka, když je k dispozici kyslík. I za přítomnosti hojného kyslíku však některé kmeny kvasinek, jako je Saccharomyces cerevisiae, upřednostňují fermentaci před aerobním dýcháním , pokud existuje dostatečný přísun cukrů (jev známý jako Crabtreeův efekt ). Některé fermentační procesy zahrnují obligátní anaeroby , které nesnášejí kyslík.
Ačkoli kvasinky provádějí kvašení při výrobě ethanolu v pivech , vínech a jiných alkoholických nápojích, není to jediné možné činidlo: bakterie provádějí kvašení při výrobě xanthanové gumy .
Produkty kvašení
Ethanol
Při fermentaci ethanolu se jedna molekula glukózy převede na dvě molekuly ethanolu a dvě molekuly oxidu uhličitého . Používá se k vykynutí chlebového těsta: oxid uhličitý vytváří bubliny a těsto rozpíná do pěny. Ethanol je opojné činidlo v alkoholických nápojích, jako je víno, pivo a alkohol. Fermentací surovin, včetně cukrové třtiny , kukuřice a cukrové řepy , vzniká ethanol, který se přidává do benzínu . U některých druhů ryb, včetně zlatých ryb a kaprů , poskytuje energii, když je kyslíku nedostatek (spolu s fermentací kyseliny mléčné).
Obrázek znázorňuje postup. Před fermentací se molekula glukózy rozpadne na dvě molekuly pyruvátu ( glykolýza ). Energie z této exotermické reakce se používá k navázání anorganických fosfátů na ADP, který ji převádí na ATP, a převádí NAD + na NADH. Pyruváty se rozpadají na dvě molekuly acetaldehydu a uvolňují dvě molekuly oxidu uhličitého jako odpadní produkty. Acetaldehyd se redukuje na ethanol pomocí energie a vodíku z NADH a NADH se oxiduje na NAD + , aby se cyklus mohl opakovat. Reakce je katalyzována enzymy pyruvát dekarboxylázy a alkohol dehydrogenázy.
Kyselina mléčná
Homolaktická fermentace (produkující pouze kyselinu mléčnou) je nejjednodušší druh fermentace. Pyruvát z glykolýzy prochází jednoduchou redoxní reakcí za vzniku kyseliny mléčné . Celkově je jedna molekula glukózy (nebo jakéhokoli šesti uhlíkového cukru) převedena na dvě molekuly kyseliny mléčné:
- C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CHOHCOOH
Vyskytuje se ve svalech zvířat, když potřebují energii rychleji, než krev může dodat kyslík. Vyskytuje se také u některých druhů bakterií (například laktobacilů ) a některých hub . Jedná se o typ bakterií, které v jogurtu přeměňují laktózu na kyselinu mléčnou a dodávají jí nakyslou chuť. Tyto bakterie mléčného kvašení mohou provádět buď homolaktickou fermentaci , kde je konečným produktem převážně kyselina mléčná, nebo heterolaktickou fermentaci , kde je část laktátu dále metabolizována na ethanol a oxid uhličitý (cestou fosfoketolázy ), acetát nebo jiné metabolické produkty, např:
- C 6 H 12 O 6 → CH 3 CHOHCOOH + C 2 H 5 OH + CO 2
Pokud je laktóza fermentována (jako v jogurtech a sýrech), nejprve se přemění na glukózu a galaktózu (oba šest uhlíkové cukry se stejným atomovým vzorcem):
- C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 2 C 6 H 12 O 6
Heterolaktická fermentace je v jistém smyslu meziproduktem mezi fermentací kyseliny mléčné a jinými druhy, např. Alkoholovým kvašením . Důvody, proč jít dále a přeměnit kyselinu mléčnou na něco jiného, zahrnují:
- Kyselost kyseliny mléčné brání biologickým procesům. To může být prospěšné pro kvasící organismus, protože vytlačuje konkurenty, kteří nejsou přizpůsobeni kyselosti. Díky tomu bude mít potravina delší trvanlivost (jedním z důvodů je, že jsou potraviny záměrně fermentovány); po určitém bodě však kyselost začne ovlivňovat organismus, který ho produkuje.
- Vysoká koncentrace kyseliny mléčné (konečný produkt kvašení) pohání rovnováhu zpět ( Le Chatelierův princip ), snižuje rychlost, jakou může dojít k kvašení, a zpomaluje růst.
- Ethanol, na který lze snadno přeměnit kyselinu mléčnou, je těkavý a snadno uniká, což umožňuje snadný průběh reakce. Produkuje se také CO 2 , který je však jen slabě kyselý a ještě těkavější než ethanol.
- Kyselina octová (další konverzní produkt) je kyselá a není tak těkavá jako ethanol; v přítomnosti omezeného kyslíku však jeho tvorba z kyseliny mléčné uvolňuje další energii. Je to lehčí molekula než kyselina mléčná a vytváří méně vodíkových vazeb se svým okolím (díky tomu, že má méně skupin, které mohou tvořit takové vazby), je tedy těkavější a také umožní rychlejší reakci.
- Pokud je kyselina propionová , kyselina máselná se vyrábí, a delší monokarboxylové kyseliny (viz fermentace smíšený kyseliny ), bude množství kyselosti vyrobeného na spotřebované glukózy klesat, jako ethanolem, což umožňuje rychlejší růst.
Vodíkový plyn
Plynný vodík se vyrábí v mnoha typech fermentace jako způsob regenerace NAD + z NADH. Elektrony jsou přeneseny do ferredoxinu , který je zase oxidována hydrogenase , produkovat H 2 . Plynný vodík je substrátem pro methanogeny a reduktory síranů , které udržují koncentraci vodíku na nízké úrovni a podporují produkci takové energeticky bohaté sloučeniny, ale přesto lze vytvořit plynný vodík v poměrně vysoké koncentraci, jako u flatus .
Například Clostridium pasteurianum fermentuje glukózu na butyrát , acetát , oxid uhličitý a plynný vodík: Reakce vedoucí k acetátu je:
- C 6 H 12 O 6 + 4 H 2 O → 2 CH 3 COO - + 2 HCO 3 - + 4 H + + 4 H 2
Alternativní protein
Fermentaci lze použít k vytvoření alternativních zdrojů bílkovin. Například rostlinné proteinové potraviny, jako je tempeh, se vyrábějí fermentací. Fermentaci lze však použít také ke kultivaci živočišných produktů vyrobených z neživého materiálu in vitro. Vejce, med, sýr a mléko jsou příklady, které jsou vyrobeny z různých bílkovin. Tyto proteiny mohou být produkovány pomocí této konkrétní aplikace fermentace. Látky, které jsou vyrobeny fermentací a které se podobají mléku, se nazývají náhražky mléka . Látky, které se podobají sýru, se nazývají sýrové analogy a látky, které se podobají vajíčkům, se nazývají náhražky vajec .
Některé společnosti začaly zemědělcům poskytovat služby kvašení ( Zemědělství jako služba ).
Heme je bílkovina, která dodává masu charakteristickou texturu, chuť a vůni. Společnost Impossible Foods použila kvašení ke generování konkrétního vlákna hemu pocházejícího z kořenů sóji, zvaného sojový leghemoglobin , které bylo integrováno do Impossible Burger k napodobení chuti a vzhledu masa.
jiný
Mezi další druhy fermentace patří smíšená kyselá fermentace , butandiolová fermentace , butyrátová fermentace , kaproátová fermentace , aceton -butanol -ethanolová fermentace a glyoxylátová fermentace .
Provozní režimy
Většina průmyslových fermentací používá dávkové nebo dávkové postupy, ačkoli kontinuální fermentace může být ekonomičtější, pokud lze splnit různé výzvy, zejména obtížnost udržování sterility.
Šarže
V dávkovém procesu se všechny přísady spojí a reakce probíhají bez dalšího vstupu. Dávková fermentace se používá po tisíciletí k výrobě chleba a alkoholických nápojů a stále je to běžná metoda, zvláště když tento proces není dobře pochopen. Může to však být drahé, protože fermentor musí být mezi dávkami sterilizován pomocí vysokotlaké páry. Přesně řečeno, často se přidává malé množství chemikálií pro kontrolu pH nebo potlačení pěnění.
Dávkové kvašení prochází řadou fází. Existuje fáze zpoždění, ve které se buňky přizpůsobují svému prostředí; pak fáze, ve které dochází k exponenciálnímu růstu. Jakmile se spotřebuje mnoho živin, růst se zpomalí a stane se neexponenciálním, ale produkce sekundárních metabolitů (včetně komerčně důležitých antibiotik a enzymů) se zrychlí. To pokračuje stacionární fází poté, co byla spotřebována většina živin, a poté buňky zemřou.
Fed-dávka
Fermentovaná vsázková fermentace je variací vsádkové fermentace, kde se během fermentace přidávají některé přísady. To umožňuje větší kontrolu nad fázemi procesu. Zejména lze produkci sekundárních metabolitů zvýšit přidáním omezeného množství živin během neexponenciální růstové fáze. Fed-batch operations are often sandwiched between batch operations.
Otevřeno
Vysokým nákladům na sterilizaci fermentoru mezi šaržemi lze zabránit použitím různých přístupů otevřené fermentace, které jsou schopné odolat kontaminaci. Jedním z nich je použití přirozeně vyvinuté smíšené kultury. To je zvláště výhodné při čištění odpadních vod, protože smíšené populace se mohou přizpůsobit široké škále odpadů. Termofilní bakterie mohou produkovat kyselinu mléčnou při teplotách kolem 50 ° Celsia, což je dostatečné pro zamezení mikrobiální kontaminace; a ethanol byl vyroben při teplotě 70 ° C. To je těsně pod bodem varu (78 ° C), což usnadňuje extrakci. Halofilní bakterie mohou produkovat bioplasty v hypersalinních podmínkách. Fermentace v pevné fázi přidává malé množství vody k pevnému substrátu; je široce používán v potravinářském průmyslu k výrobě příchutí, enzymů a organických kyselin.
Průběžně
Při kontinuální fermentaci se přidávají substráty a konečné produkty se kontinuálně odebírají. Existují tři odrůdy: chemostaty , které udržují hladinu živin konstantní; turbidostaty , které udržují konstantní hmotnost buněk; a reaktory s pístovým tokem, ve kterých kultivační médium proudí stabilně trubicí, zatímco buňky jsou recyklovány z výstupu do vstupu. Pokud proces funguje dobře, dochází ke stálému toku krmiva a odpadních vod a odpadá náklady na opakované zřizování dávky. Rovněž může prodloužit fázi exponenciálního růstu a vyhnout se vedlejším produktům, které inhibují reakce, jejich nepřetržitým odstraňováním. Je však obtížné udržet ustálený stav a vyhnout se kontaminaci a návrh bývá složitý. Fermentor musí běžet více než 500 hodin, aby byl úspornější než dávkové procesory.
Historie využití kvašení
Využití fermentace, zejména u nápojů , existuje již od neolitu a je doloženo datováním od 7 000 do 6 600 př. N. L. V Jiahu , Čína , 5 000 př. N. L. V Indii, Ayurveda uvádí mnoho léčivých vín, 6 000 př. N. L. V Gruzii, 3 150 př. N. L. Ve starověkém Egyptě , 3 000 př. N. L. V Babylonu , 2 000 př. N. L. V předhispánském Mexiku a 1 500 př . N. L. V Súdánu . Fermentovaná jídla mají v judaismu a křesťanství náboženský význam . Baltic boha Rugutis byl uctíván jako agent fermentace.
V roce 1837 Charles Cagniard de la Tour , Theodor Schwann a Friedrich Traugott Kützing nezávisle publikovali práce, které v důsledku mikroskopických zkoumání dospěly k závěru, že kvasinky jsou živý organismus, který se rozmnožuje pučením . Schwann vařil hroznovou šťávu, aby kvasinky zabil, a zjistil, že k fermentaci nedojde, dokud nebudou přidány nové kvasnice. Mnoho chemiků, včetně Antoina Lavoisiera , však nadále považovalo fermentaci za jednoduchou chemickou reakci a odmítlo představu, že by do ní mohly být zapojeny živé organismy. To bylo považováno za návrat k vitalismu a bylo parodováno v anonymní publikaci Justuse von Liebiga a Friedricha Wöhlera .
Zlom nastal, když Louis Pasteur (1822–1895) během padesátých a šedesátých let minulého století opakoval Schwannovy experimenty a ukázal, že fermentaci zahájily živé organismy v sérii vyšetřování. V roce 1857 Pasteur ukázal, že fermentace kyseliny mléčné je způsobena živými organismy. V roce 1860 předvedl, jak bakterie způsobují kyselost v mléce, což byl proces, který se dříve považoval za pouhou chemickou změnu. Jeho práce při identifikaci role mikroorganismů při kazení potravin vedla k procesu pasterizace .
V roce 1877, ve snaze zlepšit francouzský pivovarnický průmysl , vydal Pasteur svůj slavný papír o kvašení „ Etudes sur la Bière “, který byl v roce 1879 přeložen do angličtiny jako „Studie o kvašení“. Fermentaci definoval (nesprávně) jako „život bez vzduchu“, přesto správně ukázal, jak specifické typy mikroorganismů způsobují specifické typy fermentací a specifické konečné produkty.
Ačkoli ukázka kvašení vyplývající z působení živých mikroorganismů byla průlomová, nevysvětlila základní povahu kvašení; ani nedokažte, že je způsobena mikroorganismy, které se zdají být vždy přítomny. Mnoho vědců, včetně Pasteura, se neúspěšně pokusilo extrahovat fermentační enzym z kvasinek .
Úspěch se dostavil v roce 1897, kdy německý chemik Eduard Buechner rozdrtil droždí, extrahoval z nich šťávu a poté ke svému úžasu zjistil, že tato „mrtvá“ kapalina zkvaší cukerný roztok a vytvoří oxid uhličitý a alkohol podobně jako živé kvasinky.
Buechnerovy výsledky jsou považovány za počátek biochemie. „Neorganizované kvasinky“ se chovaly stejně jako ty organizované. Od té doby se termín enzym začal používat na všechny fermenty. Poté bylo pochopeno, že kvašení je způsobeno enzymy produkovanými mikroorganismy. V roce 1907 získal Buechner za svou práci Nobelovu cenu za chemii .
Pokroky v mikrobiologii a fermentační technologii pokračují až do současnosti. Například ve třicátých letech 20. století bylo objeveno, že mikroorganismy lze mutovat fyzikálními a chemickými úpravami tak, aby byly výnosnější, rychleji rostly, snášely méně kyslíku a mohly používat koncentrovanější médium. Vyvinul se také výběr kmenů a hybridizace , což ovlivnilo většinu moderních fermentací potravin .
Etymologie
Slovo „kvas“ je odvozeno z latinského slovesa fervere , což znamená vařit. Předpokládá se, že byl poprvé použit na konci 14. století v alchymii , ale pouze v širokém smyslu. V moderním vědeckém smyslu nebyl použit až do roku 1600.
Viz také
Reference
externí odkazy
- Díla Louis Pasteur Pasteur Brewing.
- Chemická logika fermentace a dýchání