FERMENTACE: HISTORIE, PROCES, TYPY, PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Fermentace je chemický proces, při kterém se jedna nebo více organických sloučenin, degradován na jednodušší sloučeniny v v nepřítomnosti kyslíku (anaerobně). To je prováděno mnoha typy buněk k produkci energie ve formě ATP.

V současné době jsou organismy schopné „fermentovat“ molekuly v nepřítomnosti kyslíku na průmyslové úrovni velmi důležité, protože se využívají k výrobě ethanolu, kyseliny mléčné a dalších komerčně významných produktů, které se používají k výrobě vína, piva, sýrů a jogurtů., atd.

Chléb a pivo, dva produkty alkoholového kvašení kvasinek (Obrázek od PublicDomainImages na www.pixabay.com)

Slovo fermentace pochází z latinského slova fervere, což znamená „vařit“ a bylo vytvořeno s odkazem na bublání pozorované v prvních kvašených nápojích, velmi podobné vzhledem k varu horké kapaliny.

Dnes, jak Gay-Lussac navrhl v roce 1810, se jedná o obecný termín používaný k označení anaerobního rozkladu glukózy nebo jiných organických živin za účelem výroby energie ve formě ATP.

Protože první živé bytosti, které se objevily na Zemi, pravděpodobně žily v atmosféře bez kyslíku, je anaerobní rozklad glukózy pravděpodobně nejstarším metabolickým způsobem mezi živými věcmi, který získává energii z organických molekul.

Historie kvašení

Lidská znalost fenoménu fermentace je možná stará, snad i zemědělství, protože po tisíce let člověk podporuje přeměnu drceného sladkého hroznového džusu na šumivé víno nebo přeměnu pšeničných těst na chléb..

Avšak pro první společnosti byla přeměna těchto „základních“ prvků do fermentovaných potravin považována za druh „záhadné“ nebo „zázračné“ události, protože nebylo známo, co ji způsobilo.

Pokrok vědeckého myšlení a vynález prvních mikroskopů bezpochyby vytvořil důležitý precedens v oblasti mikrobiologie a umožnil řešení fermentačního „tajemství“.

Experimenty Lavoisier a Gay-Lussac

Grafický portrét Antoina Lavoisiera (Zdroj: H. Rousseau (grafický designér), E.Thomas (rytec) Augustin Challamel, Touha Lacroix přes Wikimedia Commons)

Lavoisier, francouzský vědec, na konci 17. století ukázal, že v procesu přeměny cukrů na alkohol a oxid uhličitý (jak se děje během výroby vína) byla hmotnost spotřebovaných substrátů stejná jako u produktů. syntetizováno.

Pozdnější, v 1810, Gay-Lussac shrnul tato tvrzení v následující chemické reakci:

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

Po mnoho let se však tvrdilo, že tyto chemické změny pozorované během fermentace byly produktem molekulárních vibrací emitovaných rozkladem hmoty, tj. Mrtvými buňkami.

Zjednodušeně řečeno: všichni vědci byli přesvědčeni, že fermentace je sekundárním účinkem smrti některého organismu a není nutným procesem pro živou bytost.

Kvasinky v akci

Louis Pasteur ve své laboratoři. Prostřednictvím Wikimedia Commons

Pozdnější, Louis Pasteur, v 1857, znamenal zrod mikrobiologické chemie, když on spojoval fermentaci s mikroorganismy takový jako kvasinky, od kterého termín byl příbuzný myšlence existence živých buněk, s produkcí plynů a některé organické sloučeniny.

Později v roce 1920 bylo objeveno, že v nepřítomnosti kyslíku některé extrakty savčích svalů katalyzují tvorbu laktátu z glukózy a že mnoho sloučenin produkovaných během fermentace zrna byly také produkovány svalovými buňkami.

Díky tomuto objevu byla fermentace zobecněna jako forma využití glukózy a ne jako exkluzivní proces pro kvasinky a bakterie.

Mnoho pozdějších studií značně zdokonalilo znalosti související s fenoménem fermentace, protože byly objasněny metabolické cesty a enzymy, které umožnily jejich využití pro různé průmyslové účely.

Obecný proces kvašení

Jak jsme řekli, fermentace je chemický proces, který zahrnuje anaerobní přeměnu (bez kyslíku) organického substrátu na jednodušší organické sloučeniny, které nemohou být metabolizovány „po proudu“ enzymatickými systémy bez zásahu kyslíku.

Provádí se různými enzymy a obvykle se pozoruje u mikroorganismů, jako jsou plísně, kvasinky nebo bakterie, které produkují řadu sekundárních produktů, které člověk po mnoho staletí používá pro komerční účely.

V chemických reakcích, které probíhají během kvašení, enzymy (proteiny schopné urychlit různé chemické reakce) hydrolyzují své substráty a rozloží je nebo „rozštěpí“, čímž se získají jednodušší molekuly a více asimilovatelných živin, metabolicky řečeno.

Stojí za zmínku, že fermentace není výlučný proces pro mikroorganismy, protože se může vyskytovat v některých živočišných buňkách (například svalových buňkách) a v některých rostlinných buňkách za určitých podmínek.

Jaké substráty jsou fermentovatelné?

Na začátku vědeckého výzkumu týkajícího se fermentace se předpokládalo, že podstatnými molekulami tohoto procesu jsou uhlohydráty.

Brzy se však pochopilo, že mnoho organických kyselin (včetně aminokyselin), bílkovin, tuků a dalších sloučenin je fermentovatelných substrátů pro různé typy mikroorganismů, protože pro ně mohou fungovat jako zdroj potravy a energie.

Je důležité objasnit, že anaerobní metabolismus nevytváří stejné množství energie jako aerobní metabolismus, protože substráty obecně nemohou být úplně oxidovány, takže z nich není extrahována veškerá možná energie.

V důsledku toho mají anaerobní mikroorganismy tendenci spotřebovat mnohem větší množství substrátů, aby extrahovaly stejnou energii, jakou by podobný mikroorganismus extrahoval za aerobních podmínek (v přítomnosti kyslíku).

O čem je fermentace?

Pokud nemůže dojít k dýchání, buď kvůli nepřítomnosti externího akceptoru elektronů nebo kvůli nějaké poruše buněčného respiračního řetězce, fermentace je katabolická cesta používaná k produkci energie z glukózy nebo jiných zdrojů uhlíku.

Například v případě glukózy se její částečná oxidace provádí glykolytickou cestou, kterou se produkují pyruvát, ATP a NADH (tyto produkty se liší v závislosti na energetickém substrátu).

Za aerobních podmínek se pyruvát dále oxiduje, když vstoupí do Krebsova cyklu a produkty tohoto cyklu vstupují do transportního řetězce elektronů. Během těchto procesů se také regeneruje NAD +, což umožňuje zachování kontinuity glykolytické dráhy.

Pokud není přítomen žádný kyslík, tj. V anaerobióze, podléhá pyruvát získaný z oxidačních reakcí (nebo jiných výsledných organických sloučenin) redukci. Tato redukce umožňuje regeneraci NAD +, základní události fermentačního procesu.

Snížení pyruvátu (nebo jiného oxidačního produktu) značí začátek syntézy odpadních produktů, kterými mohou být alkoholy, plyny nebo organické kyseliny, které se vylučují do extracelulárního prostředí.

Kolik energie je produkováno?

Zatímco úplná oxidace jednoho molu glukózy na oxid uhličitý (CO2) a vodu za aerobních podmínek generuje 38 mol ATP, fermentací se vytvoří mezi 1 a 3 mol ATP na každý mol spotřebované glukózy.

Typy kvašení

Existují různé typy kvašení, mnohokrát definované nejen konečnými produkty procesu, ale také energetickými substráty, které se používají jako „palivo“. Mnoho z nich bude definováno zejména v průmyslovém kontextu.

Jako poznámka pro čtenáře je pravděpodobně moudré nejprve přezkoumat některé aspekty energetického metabolismu, zejména ve vztahu k uhlohydrátovému katabolismu (glykolýza), Krebsovu cyklu a elektronovému transportnímu řetězci (respiraci), abychom porozuměli tomuto tématu větší hloubka.

Lze uvést 5 druhů kvašení:

- Alkoholické kvašení

- Kvašení kyseliny mléčné nebo mléčné

- Propionická fermentace

- Butylová fermentace

- Smíšená kyselá fermentace

Alkoholické kvašení

Když se odkazuje na tento typ kvašení, obvykle se rozumí, že to souvisí s výrobou ethanolu (CH3CH2OH nebo C2H6O), což je druh alkoholu (jaké alkoholické nápoje jako víno a pivo mají).

Z průmyslového hlediska je hlavním mikroorganismem využívaným člověkem k získání alkoholických nápojů houba podobná kvasinkám patřícím k druhu Saccharomyces cerevisiae.

Alkoholické kvašení (Zdroj: Autor původní verze je Uživatel: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) přes Wikimedia Commons)

Kvasinky jsou vlastně aerobní organismy, které mohou růst jako fakultativní anaerobové, to znamená, že pokud to podmínky vyžadují, změní svůj metabolismus a přizpůsobí se nepřítomnosti kyslíku k životu.

Jak jsme diskutovali v předchozí části, energetická náročnost v anaerobních podmínkách je mnohem nižší než v aerobních podmínkách, takže růst je pomalejší.

Alkoholická fermentace zahrnuje přeměnu pyruvátu na ethanol, která probíhá ve dvou krocích: nejprve přeměnou pyruvátu na acetaldehyd a poté z acetaldehydu na ethanol.

První reakcí, konverzní reakcí pyruvát na acetaldehyd, je dekarboxylace, kdy se jedna molekula CO2 uvolní pro každou molekulu pyruvátu a je katalyzována enzymem pyruvát dekarboxylázy, který potřebuje kofaktor známý jako thiamin pyrofosfát nebo TPP.

Takto vyrobený acetaldehyd je redukován na ethanol pomocí enzymu alkoholdehydrogenázy, který používá jednu molekulu NADH2 jako kofaktor pro každou molekulu acetaldehydu, uvolňující ethanol a NAD +.

NAD + lze znovu použít pro redukci glyceraldehyd-3-fosfátu v jednom z kroků glykolytické dráhy, což umožňuje pokračování syntézy ATP.

Na průmyslové úrovni jsou různé kmeny S. cerevisiae využívány pro různé účely, protože některé byly „specializovány“ na výrobu vína, piva, chleba atd., A proto mohou vykazovat některé výrazné metabolické rozdíly.

Kvašení kyseliny mléčné nebo mléčné

Tento typ fermentace lze rozdělit na dva: homofermentativní a heterofermentativní. První se týká výroby kyseliny mléčné jako jediného fermentačního produktu redukce glykolytického pyruvátu a druhý zahrnuje produkci kyseliny mléčné a ethanolu.

- Homolaktická fermentace

Pyruvát produkovaný glykolytickou cestou je díky enzymatickému působení dehydrogenázy kyseliny mléčné přeměněn přímo na kyselinu mléčnou. V této reakci, stejně jako ve druhé reakci alkoholové fermentace, je molekula NAD + regenerována za účelem oxidace glyceraldehydu 3-fosfátu v glykolýze.

Pro každou spotřebovanou molekulu glukózy se vytvoří dvě molekuly pyruvátu, takže výsledek mléčné fermentace odpovídá dvěma molekulám kyseliny mléčné na molekulu glukózy (a dvěma molekulám NAD +).

Tento typ fermentace je velmi běžný u určitých typů bakterií, které se nazývají bakterie mléčného kvašení a je nejjednodušším typem fermentace, který existuje.

Kyselina mléčná může být také produkována některými svalovými buňkami, protože pyruvát se působením laktátdehydrogenázy (která používá NADH2) přeměňuje na kyselinu mléčnou.

- Heterolaktická fermentace

Při tomto typu fermentace se dvě molekuly pyruvátu odvozené od glykolýzy nepoužívají k syntéze kyseliny mléčné. Místo toho se pro každou molekulu glukózy mění jeden pyruvát na kyselinu mléčnou a druhá na ethanol nebo kyselinu octovou a CO2.

Bakterie, které tímto způsobem metabolizují glukózu, jsou známy jako heterofermentativní bakterie mléčného kvašení.

Nevytvářejí pyruvát v celé glykolytické dráze, ale místo toho používají část pentózofosfátové dráhy k výrobě glyceraldehyd 3-fosfátu, který je poté metabolizován na pyruvát glykolytickými enzymy.

Stručně řečeno, tyto bakterie „štěpily“ xylulózu 5-fosfát (syntetizovaný z glukózy) na glyceraldehyd 3-fosfát a acetylfosfát pomocí enzymu pentózofosfát vázaného na TPP, čímž vznikly glyceraldehyd 3-fosfát (GAP) a acetylfosfát.

GAP vstupuje do glykolytické dráhy a přeměňuje se na pyruvát, který se díky enzymu laktátdehydrogenázy transformuje na kyselinu mléčnou, zatímco acetylfosfát lze redukovat na kyselinu octovou nebo ethanol.

Bakterie kyseliny mléčné jsou pro člověka velmi důležité, protože se používají k produkci různých fermentovaných mléčných derivátů, mezi nimiž vyniká jogurt.

Jsou také zodpovědní za další fermentované potraviny, jako je fermentované zelí nebo „zelí“, okurky a kvašené olivy.

- Propionická fermentace

To se provádí propionibakteriemi, které jsou schopné produkovat kyselinu propionovou (CH3-CH2-COOH) a které obývají bachor býložravých zvířat.

Je to druh fermentace, při kterém bakterie používají glukózu glykolyticky k výrobě pyruvátu. Tento pyruvát je karboxylován na oxaloacetát, který je potom redukován ve dvou krocích na sukcinaci pomocí reverzních reakcí Krebsova cyklu.

Sukcinát je pak přeměněn na sukcinyl-CoA a to zase na methyl malonyl-CoA enzymem methyl malonyl mutáza, který katalyzuje intramolekulární přesmyk sukcinyl-CoA. Methyl malonyl-CoA se potom dekarboxyluje, čímž se získá propionyl-CoA.

Tento propionyl-CoA poskytuje kyselinu propionovou prostřednictvím CoA-sukcinátové transferové reakce, katalyzované CoA-transferázou. K výrobě švýcarského sýra se používají bakterie mléčného kvašení a propionibakterie, protože kyselina propionová mu dává zvláštní chuť.

- Butylová fermentace

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

Provádí se bakteriemi vytvářejícími spóry, které jsou povinnými anaeroby a obecně patří do rodu Clostridium. V závislosti na druhu mohou tyto bakterie produkovat také butanol, kyselinu octovou, ethanol, isopropanol a aceton (oxid uhličitý je vždy produkt).

Tyto bakterie odbourávají glukózu glykolytickou cestou a produkují pyruvát, který je dekarboxylován za vzniku acetyl-CoA.

U některých bakterií jsou dvě molekuly acetyl-CoA kondenzovány enzymem thiolázy, produkují acetoacetyl-CoA a uvolňují CoA. Acetoacetyl-CoA se dehydrogenuje enzymem p-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenázy za vzniku P-hydroxybutyryl-CoA.

Tento poslední produkt vede k působení Crotonil-CoA působením enzymu krotonázy. Crotonyl-CoA je opět redukován butyryl-CoA dehydrogenázou spojenou s FADH2 za vzniku butyryl-CoA.

Nakonec se butyryl-CoA přemění na kyselinu máselnou odstraněním části CoA a přidáním molekuly vody. Za alkalických podmínek (s vysokým pH) mohou některé bakterie převést kyselinu máselnou na n-butanol

- Smíšená kyselá fermentace

To je běžné u bakterií známých jako Enterobacteriaceae, které mohou růst s kyslíkem nebo bez kyslíku. Říká se tomu „smíšená kyselina“, protože v důsledku fermentace vznikají různé typy organických kyselin a neutrálních sloučenin.

Souhrnné schéma fermentace smíšených kyselin (Zdroj: Původním uploaderem byla NicolasGrandjean na francouzské Wikipedii. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) prostřednictvím Wikimedia Commons)

V závislosti na druhu mohou být vyrobeny kyselina mravenčí, kyselina octová, kyselina jantarová, kyselina mléčná, ethanol, CO2, butandiol atd.

Je také často známá jako fermentace kyseliny mravenčí, protože za anaerobních podmínek mohou některé bakterie tvořit kyselinu mravenčí a acetyl-CoA z pyruvátu působením enzymu lyuráza kyseliny mravenčí a pyruvátové.

Příklady procesů, při kterých dochází k fermentaci

Existuje mnoho příkladů fermentačních procesů a jejich produktů. Některé z těchto příkladů mohou zahrnovat:

Jogurt, produkt kvašení (Obrázek Imo Flow na www.pixabay.com)

- Salami (fermentované maso), produkované mléčnou fermentací bakterií mléčného kvašení

- Jogurt (fermentované mléko), také produkovaný bakteriemi mléčného kvašení

- Sýr (fermentované mléko), produkovaný bakteriemi mléčného kvašení a propionibakteriemi mléčnou a propionovou fermentací

Sýr, produkt fermentace bakterií mléčného kvašení a propionibakterií (Obrázek lipefontes0 na www.pixabay.com)

- Chléb (kvašení lepku z pšeničného těsta), vyráběný kvasinkami alkoholovým kvašením

- Víno a pivo (kvašení cukrů v hroznové šťávě a cukrů v zrnech) vyrobené kvasinkami alkoholovým kvašením

- Káva a kakao (kvašení cukrů přítomných ve slizu ovoce), produkované bakteriemi mléčného kvašení a kvasinkami mléčným a alkoholovým kvašením.

Reference

1. Ciani, M., Comitini, F., & Mannazzu, I. (2013). Kvašení.
2. Junker, B. (2000). Kvašení. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology.
3. Fruton, J. (2006). Fermentace: vitální nebo chemický proces? Brill.
4. Doelle, HW (1975). Kvašení. Bakteriální metabolismus, 559-692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerovy principy biochemie. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Počátky mikrobiologie a biochemie: přínos výzkumu kvasinek. Microbiology, 149 (3), 557-567.