Ферментация - это метаболический процесс, который вызывает химические изменения в органических субстратах под действием ферментов. В биохимии это узко определяется как извлечение энергии из углеводов в отсутствие кислорода. В контексте производства пищевых продуктов, это может в более широком смысле относиться к любому процессу, в котором активность микроорганизмов вызывает желаемое изменение пищевого продукта или напитка. Наука о ферментации известна как зимология.
. В микроорганизмах ферментация является основным средством производства аденозинтрифосфата (АТФ) путем разложения органических питательных веществ анаэробно. Люди использовали ферментацию для производства продуктов питания и напитков с эпохи неолита. Например, ферментация используется для консервирования в процессе, который производит молочную кислоту, которая содержится в таких кислых продуктах, как соленые огурцы, чайный гриб, кимчи и йогурт, а также для производства алкогольных напитков, таких как вино и пиво. Ферментация также происходит в желудочно-кишечном тракте всех животных, включая человека.
Ниже приведены некоторые определения ферментации. Они варьируются от неформального, общего использования до более научных определений.
Наряду с фотосинтезом и аэробным дыханием, ферментация является методом извлечения энергии из молекул. Этот метод является единственным общим для всех бактерий и эукариот. Поэтому он считается самым древним метаболическим путем, подходящим для первобытной среды - до появления растений на Земле, то есть до появления кислорода в атмосфере.
Дрожжи, форма грибка, встречается практически в любой среде, способной поддерживать микробы, от кожуры фруктов до кишок насекомых и млекопитающих до глубин океана. Дрожжи превращают (расщепляют) молекулы, богатые сахаром, в этанол и диоксид углерода.
Основные механизмы ферментации присутствуют во всех клетках высших организмов. мышцы млекопитающих осуществляют ферментацию в периоды интенсивных упражнений, когда поступление кислорода становится ограниченным, что приводит к образованию молочной кислоты. У беспозвоночных ферментация также производит сукцинат и аланин.
Ферментативные бактерии играют важную роль в производстве метана в местах обитания, начиная с рубца крупного рогатого скота в метантенки и пресноводные отложения. Они производят водород, диоксид углерода, формиат и ацетат и карбоновые кислоты. Затем консорциумы микробов превращают диоксид углерода и ацетат в метан. Ацетогенные бактерии окисляют кислоты, получая больше ацетата и водорода или формиата. Наконец, метаногены (в домене Archea ) превращают ацетат в метан.
Ферментация реагирует NADH с эндогенным, органическим акцептором электронов. Обычно это пируват, образованный из сахара в результате гликолиза. В результате реакции образуется NAD и органический продукт, типичными примерами которого являются этанол, молочная кислота и газообразный водород (H 2), а также часто углекислый газ. Однако путем ферментации могут быть получены и более экзотические соединения, такие как масляная кислота и ацетон. Продукты ферментации считаются отходами, поскольку они не могут быть далее метаболизируется без использования кислорода.
Ферментация обычно происходит в анаэробной среде. В присутствии O 2 НАДН и пируват используются для выработки АТФ в дыхании. Это называется окислительным фосфорилированием. При этом генерируется гораздо больше АТФ, чем при гликолизе. Он высвобождает химическую энергию O 2. По этой причине ферментация редко используется при наличии кислорода. Однако даже в присутствии большого количества кислорода некоторые штаммы дрожжей, такие как Saccharomyces cerevisiae, предпочитают ферментацию аэробной или итерация при условии наличия достаточного количества сахаров (явление, известное как эффект Крэбтри ). В некоторых процессах ферментации участвуют облигатные анаэробы, которые не переносят кислород.
Хотя дрожжи осуществляют ферментацию при производстве этанола в пиве, вин и другие алкогольные напитки, это не единственный возможный агент: бактерии осуществляют ферментацию при производстве ксантановой камеди.
При ферментации этанола одна молекула глюкозы превращается в две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода. Его используют для того, чтобы тесто для хлеба поднималось: углекислый газ образует пузырьки, превращая тесто в пену. Этанол является опьяняющим агентом в алкогольных напитках, таких как вино, пиво и ликеры. Ферментация исходного сырья, включая сахарный тростник, кукурузу и сахарную свеклу, дает этанол, который добавляют в бензин. У некоторых видов рыб, включая золотую рыбку и карпа, он обеспечивает энергию при недостатке кислорода (наряду с молочнокислым брожением).
На рисунке показан процесс. Перед ферментацией молекула глюкозы распадается на две молекулы пирувата (Гликолиз ). Энергия этой экзотермической реакции используется для связывания неорганических фосфатов с АДФ, который преобразует их в АТФ и превращает НАД в НАДН. Пируваты распадаются на две молекулы ацетальдегида и выделяют две молекулы диоксида углерода в качестве побочных продуктов. Ацетальдегид восстанавливается до этанола с использованием энергии и водорода из НАДН, а НАДН окисляется до НАД, так что цикл может повторяться. Реакция катализируется ферментами пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа.
Гомолочная ферментация (производящая только молочную кислоту) является простейшим типом ферментации. Пируват в результате гликолиза подвергается простой окислительно-восстановительной реакции с образованием молочной кислоты. Это, вероятно, единственный процесс дыхания, при котором не выделяется газ в качестве побочного продукта. В целом, одна молекула глюкозы (или любого шестиуглеродного сахара) превращается в две молекулы молочной кислоты:
Это происходит в мышцах животных, когда они в этом нуждаются. энергия быстрее, чем кровь может поставлять кислород. Он также встречается у некоторых видов бактерий (таких как лактобациллы ) и некоторых грибов. Это тип бактерий, которые превращают лактозу в молочную кислоту в йогурте, придавая ему кислый вкус. Эти молочнокислые бактерии могут осуществлять либо гомолактическую ферментацию, где конечным продуктом является в основном молочная кислота, либо гетеролактическую ферментацию, при которой некоторое количество лактата далее метаболизируется до этанола и диоксида углерода (через фосфокетолазу путь), ацетат или другие продукты метаболизма, например:
Если лактоза ферментируется (как в йогуртах и сырах), сначала он превращается в глюкозу и галактозу (оба шестиуглеродных сахара с одинаковой атомной формулой):
Гетеролактическая ферментация в некотором смысле является промежуточной между молочнокислое брожение и другие типы, например спиртовое брожение. Причины пойти дальше и преобразовать молочную кислоту во что-то еще включают:
Газообразный водород образуется во многих типах ферментации как способ регенерации НАД из НАДН. Электроны переносятся на ферредоксин, который, в свою очередь, окисляется гидрогеназой с образованием H 2. Газообразный водород является субстратом для метаногенов и сульфатредукторов, которые поддерживают низкую концентрацию водорода и способствуют производству такого богатого энергией соединения, но водорода Тем не менее, газ в довольно высокой концентрации может образовываться, как в газе.
. Например, Clostridium pasteurianum сбраживает глюкозу до бутирата, ацетата, диоксид углерода и газообразный водород: Реакция, приводящая к ацетату:
Другие типы ферментации включают смешанную кислотную ферментацию, бутандиоловую ферментацию, бутиратную ферментацию, ацетон-бутанол-этанольная ферментация, и.
В большинстве случаев промышленной ферментации используются периодические процедуры или процедуры с подпиткой, хотя непрерывная ферментация может быть более экономичной, если могут быть решены различные проблемы, в частности, сложность поддержания стерильности.
В периодическом процессе все ингредиенты объединяются, и реакции протекают без какого-либо дополнительного ввода. Периодическая ферментация использовалась на протяжении тысячелетий для изготовления хлеба и алкогольных напитков, и это все еще распространенный метод, особенно когда процесс не совсем понятен. Однако это может быть дорогостоящим, поскольку ферментер необходимо стерилизовать с использованием пара высокого давления между партиями. Строго говоря, часто добавляют небольшие количества химикатов для контроля pH или подавления пенообразования.
Периодическая ферментация проходит через серию фаз. Существует лаг-фаза, в которой клетки приспосабливаются к окружающей среде; затем фаза, в которой происходит экспоненциальный рост. После того, как многие питательные вещества потреблены, рост замедляется и становится неэкспоненциальным, но производство вторичных метаболитов (включая коммерчески важные антибиотики и ферменты) ускоряется. Это продолжается в течение стационарной фазы после того, как большая часть питательных веществ будет потреблена, а затем клетки погибнут.
Периодическая ферментация с подпиткой - это разновидность периодической ферментации, при которой некоторые из ингредиенты добавляются во время брожения. Это позволяет лучше контролировать этапы процесса. В частности, производство вторичных метаболитов может быть увеличено путем добавления ограниченного количества питательных веществ во время неэкспоненциальной фазы роста. Периодические операции с подпиткой часто располагаются между партиями.
Высоких затрат на стерилизацию ферментера между партиями можно избежать, используя различные подходы к открытой ферментации, которые способны противостоять загрязнению. Один из них - использовать естественно возникшую смешанную культуру. Это особенно важно при очистке сточных вод, поскольку смешанные группы населения могут адаптироваться к широкому спектру отходов. Термофильные бактерии могут продуцировать молочную кислоту при температуре около 50 ° по Цельсию, что достаточно для предотвращения микробного заражения; а этанол производился при температуре 70 ° C. Это чуть ниже точки кипения (78 ° C), поэтому его легко извлечь. Галофильные бактерии могут производить биопластик в гиперсоленых условиях. При твердофазной ферментации к твердому субстрату добавляется небольшое количество воды; он широко используется в пищевой промышленности для производства ароматизаторов, ферментов и органических кислот.
При непрерывной ферментации субстраты добавляются, а конечные продукты удаляются непрерывно. Существует три разновидности: хемостатов, которые поддерживают постоянный уровень питательных веществ; турбидостаты, которые поддерживают постоянную массу клеток; и реакторы с поршневым потоком, в которых культуральная среда непрерывно протекает через трубку, в то время как клетки рециркулируют от выхода к входу. Если процесс работает хорошо, поток сырья и сточных вод будет стабильным, а затраты на повторную настройку партии избегаются. Кроме того, он может продлить фазу экспоненциального роста и избежать побочных продуктов, которые тормозят реакции, путем их постоянного удаления. Однако трудно поддерживать устойчивое состояние и избегать загрязнения, и конструкция имеет тенденцию быть сложной. Обычно ферментер должен работать более 500 часов, чтобы быть более экономичным, чем процессоры периодического действия.
Использование ферментации, особенно для напитки, существует с неолита и зарегистрировано датируемым 7000–6600 гг. до н.э. в Цзяху, Китай, 5000 г. до н.э. в Индии, Аюрведа упоминает множество лечебных вин, 6000 г. до н. э. в Джорджии, 3150 г. до н. э. в Древнем Египте, 3000 г. до н. э. в Вавилоне, 2000 г. до н. э. в доиспанской Мексике и 1500 г. до н. э. в Судане. Ферментированные продукты имеют религиозное значение в иудаизме и христианстве. Балтийский бог Ругутис почитался как агент брожения.
Луи Пастер в своей лабораторииВ 1837 году Шарль Каньяр де ла Тур, Теодор Шванн и Фридрих Трауготт Кютцинг независимо опубликовали статьи, в которых в результате микроскопических исследований был сделан вывод, что дрожжи - это живой организм, который размножается почкованием. Шванн сварил виноградный сок, чтобы убить дрожжи, и обнаружил, что брожение не произойдет, пока не будут добавлены новые дрожжи. Однако многие химики, в том числе Антуан Лавуазье, продолжали рассматривать ферментацию как простую химическую реакцию и отвергали идею о том, что в ней могут быть задействованы живые организмы. Это было воспринято как возврат к витализму и высмеялось в анонимной публикации Юстусом фон Либихом и Фридрихом Велером.
Переломный момент наступил, когда Луи Пастер (1822–1895), в течение 1850-х и 1860-х годов, повторил эксперименты Шванна и показал, что ферментация инициируется живыми организмами в серии исследований. В 1857 году Пастер показал, что брожение молочной кислоты вызывается живыми организмами. В 1860 году он продемонстрировал, как бактерии вызывают скисание молока - процесс, который раньше считался просто химическим изменением. Его работа по определению роли микроорганизмов в порче пищевых продуктов привела к процессу пастеризации.
. В 1877 году, работая над улучшением французской пивоваренной промышленности, Пастер опубликовал свою знаменитую статью о ферментации «Этюды». sur la Bière », который в 1879 году был переведен на английский язык как« Исследования по ферментации ». Он определил ферментацию (неправильно) как «жизнь без воздуха», но правильно показал, как определенные типы микроорганизмов вызывают определенные типы ферментации и определенные конечные продукты.
Хотя демонстрация ферментации в результате действия живых микроорганизмов была прорывом, она не объясняла основную природу ферментации; ни доказать, что это вызвано микроорганизмами, которые, кажется, всегда присутствуют. Многие ученые, в том числе Пастер, безуспешно пытались извлечь ферментный фермент из дрожжей.
Успех пришел в 1897 году, когда немецкий химик Эдуард Бюхнер измельчил дрожжи, извлек сок из них, а затем, к своему изумлению, обнаружил, что эта «мертвая» жидкость сбраживает раствор сахара, образуя углекислый газ и спирт, как живые дрожжи.
Считается, что результаты Бюхнера знаменуют рождение биохимии. «Неорганизованные ферменты» вели себя так же, как и организованные. С тех пор термин «фермент» стал применяться ко всем ферментам. Тогда стало понятно, что ферментация вызывается ферментами, производимыми микроорганизмами. В 1907 году Бюхнер получил Нобелевскую премию по химии за свою работу.
Успехи в микробиологии и технологии ферментации неуклонно продолжаются до настоящего времени. Например, в 1930-х годах было обнаружено, что микроорганизмы могут быть мутированы с помощью физических и химических обработок, чтобы они были более урожайными, быстрее растущими, устойчивыми к меньшему количеству кислорода и могли использовать более концентрированную среду. Штамм отбор и гибридизация также были разработаны, что повлияло на большинство современных пищевых ферментаций.
Слово «фермент» происходит от латинского глагола fervere, что означает кипятить. Считается, что впервые он был использован в конце 14 века в алхимии, но только в широком смысле. Он не использовался в современном научном смысле примерно до 1600 года.
Wikisource содержит текст Британской энциклопедии 1911 года статья Ферментация. |
На сайте Wikimedia Commons есть материалы, относящиеся к ферментации. |