ФЕРМЕНТАЦИЯ: ИСТОРИЯ, ПРОЦЕС, ВИДОВЕ, ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На ферментацията е химически процес, при който един или повече органични съединения се разграждат до прости съединения на липса на кислород (анаеробно). Извършва се от много видове клетки за производство на енергия под формата на АТФ.

Днес организмите, способни да "ферментират" молекули при липса на кислород, са много важни на индустриално ниво, тъй като те се използват за производството на етанол, млечна киселина и други търговски продукти, които се използват за производство на вино, бира, сирене и кисело мляко. и т.н.

Хляб и бира, два продукта от алкохолната ферментация на дрождите (Изображение от PublicDomainImages на www.pixabay.com)

Думата ферментация произлиза от латинската дума fervere, което означава „да ври“ и е измислена като намек за мехурчеството, наблюдавано в първите ферментирали напитки, много подобно на външен вид с варенето на гореща течност.

Днес, както предложи Gay-Lussac през 1810 г., това е общият термин, използван за обозначаване на анаеробното разграждане на глюкоза или други органични хранителни вещества, за да се произведе енергия под формата на АТФ.

Тъй като първите живи същества, появили се на земята, вероятно са живели в атмосфера без кислород, анаеробното разграждане на глюкозата е може би най-старият метаболитен начин сред живите същества за получаване на енергия от органични молекули.

История на ферментацията

Човешките познания за феномена на ферментацията са толкова стари, може би като селското стопанство, тъй като в продължение на хиляди години човекът насърчава превръщането на счукан сладък гроздов сок в ефервесцентно вино или превръщането на пшеничното тесто в хляб., Въпреки това, за първите общества превръщането на тези „основни“ елементи в ферментирали храни се счита за вид „мистерия“ или „чудотворно“ събитие, тъй като не се знае какво го е причинило.

Напредъкът на научната мисъл и изобретяването на първите микроскопи несъмнено постави важен прецедент в областта на микробиологията и с нея позволи разрешаването на ферментативната „мистерия“.

Експериментите с Лавоазие и Гей-Лусак

Графичен портрет на Антоан Лавоазие (Източник: Х. Русо (графичен дизайнер), Е. Томас (гравьор) Августин Шалмел, Желание Лакроа чрез Wikimedia Commons)

Лавоазие, френски учен, в края на 1700 г. показа, че в процеса на превръщането на захарите в алкохол и въглероден диоксид (както се случва по време на производството на вино), теглото на консумираните субстрати е равно на това на продуктите. синтезира.

По-късно, през 1810 г., Gay-Lussac обобщи тези твърдения в следната химическа реакция:

C6H12O6 (глюкоза) → 2CO2 (въглероден диоксид) + 2C2H6O (етанол)

Въпреки това, в продължение на много години се спори, че тези химически промени, наблюдавани по време на ферментацията, са продукт на молекулни вибрации, излъчвани от разлагащи се вещества, тоест от мъртви клетки.

С по-прости думи: всички изследователи бяха убедени, че ферментацията е вторичен ефект от смъртта на някакъв организъм, а не необходим процес за живо същество.

Дрожди в действие

Луи Пастьор в своята лаборатория. Чрез Wikimedia Commons

По-късно Луи Пастьор през 1857 г. отбелязва раждането на микробиологичната химия, когато свързва ферментацията с микроорганизми като дрожди, от които терминът е свързан с идеята за съществуването на живи клетки, с производството на газове и някои органични съединения.

По-късно, през 1920 г. е установено, че при липса на кислород някои мускулни екстракти от бозайници катализират образуването на лактат от глюкоза и че много от съединенията, получени по време на ферментацията на зърното, също се произвеждат от мускулни клетки.

Благодарение на това откритие ферментацията беше обобщена като форма на използване на глюкоза, а не като изключителен процес за мая и бактерии.

Много по-късни проучвания значително усъвършенстват знанията, свързани с феномена на ферментация, тъй като метаболитните пътища и включените ензими са изяснени, което позволява използването им за различни промишлени цели.

Общ процес на ферментация

Както казахме, ферментацията е химичен процес, който включва анаеробна трансформация (без кислород) на органичен субстрат в по-прости органични съединения, които не могат да се метаболизират „надолу по веригата“ от ензимните системи без намесата на кислород.

Той се осъществява от различни ензими и обикновено се наблюдава в микроорганизми като плесени, дрожди или бактерии, които произвеждат серия от вторични продукти, които човекът използва за търговски цели в продължение на много векове.

При химичните реакции, които се провеждат по време на ферментацията, ензимите (протеини, способни да ускоряват различни химични реакции) хидролизират субстратите си и ги разлагат или „усвояват“, като се получават по-прости молекули и повече усвояващи се хранителни вещества, метаболично казано.

Заслужава да се спомене, че ферментацията не е изключителен процес на микроорганизми, тъй като може да се случи в някои животински клетки (например мускулни клетки) и в някои растителни клетки при определени условия.

Какви субстрати са ферментиращи?

В началото на научните изследвания, свързани с ферментацията, се смяташе, че основните молекули за този процес са въглехидрати.

Въпреки това, скоро след като се разбра, че много органични киселини (включително аминокиселини), протеини, мазнини и други съединения са ферментируеми субстрати за различни видове микроорганизми, тъй като те могат да функционират като източник на храна и енергия за тях.

Важно е да се изясни, че анаеробният метаболизъм не дава същото количество енергия като аеробния метаболизъм, тъй като по принцип субстратите не могат да бъдат напълно окислени, така че не се извлича цялата възможна енергия от тях.

Следователно анаеробните микроорганизми са склонни да консумират много по-големи количества субстрати, за да извлекат същата енергия, която подобен микроорганизъм би извлек при аеробни условия (при наличие на кислород).

За какво е ферментацията?

Когато дишането не може да се случи, или поради липсата на външен акцептор на електрон, или поради някакъв дефект в клетъчната респираторна верига, ферментацията е катаболичният път, използван за производство на енергия от глюкоза или други източници на въглерод.

В случай на глюкоза, например, нейното частично окисляване се осъществява по гликолитичния път, по който се получават пируват, ATP и NADH (тези продукти варират в зависимост от енергийния субстрат).

При аеробни условия пируватът допълнително се окислява при навлизане в цикъла на Кребс и продуктите от този цикъл влизат в електронно-транспортната верига. NAD + също се регенерира по време на тези процеси, което дава възможност да се поддържа непрекъснатостта на гликолитичния път.

Когато няма кислород, тоест при анаеробиоза, пируватът, получен от окислителни реакции (или другите получени органични съединения), претърпява редукция. Това намаление позволява регенерирането на NAD +, основно събитие за процеса на ферментация.

Редукцията на пируват (или друг окислителен продукт) поставя началото на синтеза на отпадъчни продукти, които могат да бъдат алкохоли, газове или органични киселини, които се отделят в извънклетъчната среда.

Колко енергия се произвежда?

Докато пълното окисляване на един мол глюкоза до въглероден диоксид (CO2) и вода при аеробни условия генерира 38 мола АТФ, ферментацията произвежда между 1 и 3 мола АТФ за всеки мол консумирана глюкоза.

Видове ферментация

Има различни видове ферментация, много пъти дефинирани не само от крайните продукти на процеса, но и от енергийните субстрати, които се използват като "гориво". Много от тях ще бъдат определени по-специално в индустриалния контекст.

Като забележка към читателя, вероятно е добра идея първо да се прегледат някои аспекти на енергийния метаболизъм, особено във връзка с въглехидратния катаболизъм (гликолиза), цикъла на Кребс и електронно-транспортната верига (дишане), за да се разбере тази тема с по-голяма дълбочина.

5 вида ферментация могат да бъдат споменати:

- Алкохолна ферментация

- Ферментация с млечна или млечна киселина

- пропионова ферментация

- Маслена ферментация

- Смесена киселинна ферментация

Алкохолна ферментация

Когато се говори за този вид ферментация, обикновено се разбира, че тя има връзка с производството на етанол (CH3CH2OH или C2H6O), който е вид алкохол (от който например алкохолни напитки като вино и бира), В индустриално отношение основният микроорганизъм, използван от човека за получаване на алкохолни напитки, е гъбата, подобна на дрождите, принадлежаща към вида Saccharomyces cerevisiae.

Алкохолна ферментация (Източник: Авторът на оригиналната версия е Потребител: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) чрез Wikimedia Commons)

Дрождите всъщност са аеробни организми, които могат да растат като факултативни анаероби, тоест ако условията налагат, те променят метаболизма си и се адаптират към липсата на кислород, за да живеят.

Както обсъждахме в предишния раздел, енергийните характеристики в анаеробните условия са много по-ниски, отколкото в аеробните условия, така че растежът е по-бавен.

Алкохолната ферментация включва превръщането на пируват в етанол, което се осъществява в двуетапен процес: първо превръщането на пируват в ацеталдехид и след това от ацеталдехид в етанол.

Първата реакция, реакцията на превръщане на пируват в ацеталдехид, е декарбоксилиране, при което една молекула CO2 се освобождава за всяка молекула пируват и се катализира от ензима пируват декарбоксилаза, който се нуждае от кофактор, известен като тиамин пирофосфат или TPP.

Така произведеният ацеталдехид се редуцира до етанол с помощта на ензима алкохол дехидрогеназа, който използва една молекула NADH2 като кофактор за всяка молекула ацеталдехид, освобождавайки етанол и NAD +.

NAD + може да се използва повторно за редукцията на глицералдехид 3-фосфат в един от етапите на гликолитичния път, което позволява синтеза на АТФ да продължи.

На индустриално ниво различни щамове на S. cerevisiae се експлоатират за различни цели, тъй като някои от тях са „специализирани“ за производството на вино, бира, хляб и др.

Млечнокисела или млечнокисела ферментация

Този тип ферментация може да бъде разделена на две: хомоферментативна и хетероферментативна. Първият е свързан с производството на млечна киселина като единствен ферментационен продукт на редукцията на гликолитичен пируват, а вторият включва производството на млечна киселина и етанол.

- Хомолактична ферментация

Полученият по гликолитичен път пируват се превръща директно в млечна киселина благодарение на ензимното действие на млечнокиселата дехидрогеназа. При тази реакция, както при втората реакция на алкохолна ферментация, молекула на NAD + се регенерира, за да окисли глицералдехид 3-фосфат при гликолиза.

За всяка молекула глюкоза, която се консумира, тогава се получават две молекули пируват, така че резултатът от млечна ферментация съответства на две молекули млечна киселина на молекула глюкоза (и две молекули на NAD +).

Този тип ферментация е много често срещан при някои видове бактерии, наречени млечнокисели бактерии и е най-простият вид ферментация, който съществува.

Млечната киселина може да се произвежда и от някои мускулни клетки, тъй като пируватът, чрез действието на лактат дехидрогеназа (която използва NADH2), се превръща в млечна киселина.

- Хетеролактична ферментация

При този тип ферментация двете пируватни молекули, получени от гликолиза, не се използват за синтезиране на млечна киселина. Вместо това, за всяка молекула глюкоза, един пируват се превръща в млечна киселина, а другият се превръща в етанол или оцетна киселина и CO2.

Бактериите, които метаболизират глюкозата по този начин, са известни като хетероферментативни млечнокисели бактерии.

Те не произвеждат пируват по целия гликолитичен път, а вместо това използват част от пътя на пентоза фосфат, за да произведат глицералдехид 3-фосфат, който след това се метаболизира до пируват чрез гликолитични ензими.

Накратко, тези бактерии "нарязват" 5-фосфат на ксилулоза (синтезиран от глюкоза) в глицералдехид 3-фосфат и ацетилфосфат, използвайки ензим, свързан с TPP пентоза фосфат кетолаза, произвеждайки глицералдехид 3-фосфат (GAP) и ацетилфосфат.

GAP навлиза в гликолитичния път и се превръща в пируват, който след това се трансформира в млечна киселина благодарение на ензим лактат дехидрогеназа, докато ацетилфосфатът може да бъде редуциран до оцетна киселина или етанол.

Млечнокиселите бактерии са много важни за човека, тъй като се използват за производството на различни производни на ферментирало мляко, сред които се откроява киселото мляко.

Те са отговорни и за други ферментирали храни като ферментирало зеле или "кисело зеле", кисели краставички и ферментирали маслини.

- пропионова ферментация

Това се осъществява от пропионибактерии, способни да произвеждат пропионова киселина (CH3-CH2-COOH) и обитават рубена на тревопасни животни.

Това е вид ферментация, при която бактериите използват гликолитично глюкоза за производството на пируват. Този пируват е карбоксилиран до оксалоацетат, който след това се редуцира в два етапа за сукциниране, като се използват обратните реакции на цикъла на Кребс.

След това сукцинатът се превръща в сукцинил-КоА и това от своя страна до метил малонил-КоА чрез ензима метил малонил мутаза, което катализира вътремолекулното пренареждане на сукцинил-КоА. Метил малонил-КоА след това се декарбоксилира до получаване на пропионил-КоА.

Този пропионил-КоА дава пропионова киселина чрез реакция на трансфер на CoA-сукцинат, катализирана от CoA-трансфераза. Млечнокиселите бактерии и пропионибактериите се използват за производството на швейцарско сирене, тъй като пропионовата киселина му придава специален вкус.

- Маслена ферментация

Маслена ферментация. Източник: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Провежда се от спорообразуващи бактерии, които са облигационни анаероби и обикновено принадлежат към рода Clostridium. В зависимост от вида, тези бактерии могат да произвеждат и бутанол, оцетна киселина, етанол, изопропанол и ацетон (въглеродният диоксид винаги е продукт).

Тези бактерии разграждат глюкозата по гликолитичния път и произвеждат пируват, който се декарбоксилира, като образува ацетил-КоА.

В някои бактерии две ацетил-CoA молекули се кондензират от ензим тиолаза, като се получава ацетоацетил-CoA и се отделя CoA. Ацетоацетил-КоА е дехидрогениран от ензима β-хидроксибутирил-КоА дехидрогеназа до образуване на Р-хидроксибутирил-КоА.

Този последен продукт поражда Crotonil-CoA чрез действието на ензима кротоназа. Кротонил-КоА се редуцира отново от бутирил-КоА дехидрогеназа, свързана с FADH2, като се получава бутирил-КоА.

И накрая, бутирил-CoA се превръща в маслена киселина чрез отстраняване на частта на CoA и добавяне на водна молекула. При алкални условия (високо pH) някои бактерии могат да преобразуват маслена киселина в n-бутанол

- Смесена киселинна ферментация

Той е често срещан при бактерии, известни като Enterobacteriaceae, които могат да растат с или без кислород. Нарича се "смесена киселина", тъй като в резултат на ферментацията се получават различни видове органични киселини и неутрални съединения.

Обобщена схема на смесена киселинна ферментация (Източник: Оригиналният качител беше NicolasGrandjean от френската Уикипедия. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) чрез Wikimedia Commons)

В зависимост от вида могат да се получат мравчена киселина, оцетна киселина, янтарна киселина, млечна киселина, етанол, CO2, бутандиол и др.

Също така често е известен като ферментация на мравчена киселина, тъй като при анаеробни условия някои бактерии могат да образуват мравчена киселина и ацетил-КоА от пируват под действието на ензима мравчена киселина-пируват лиаза.

Примери за процеси, при които има ферментация

Има много примери за процеси на ферментация и техните продукти. Някои от тези примери могат да включват:

Кисело мляко, продукт за ферментация (Изображение от Imo Flow на www.pixabay.com)

- Салами (ферментирало месо), получени чрез млечнокисела ферментация на млечнокисели бактерии

- Кисело мляко (ферментирало мляко), също произведено от млечнокисели бактерии

- Сирене (ферментирало мляко), произведено от млечнокисели бактерии и пропионибактерии чрез млечно-пропионова ферментация

Сирене, продукт на ферментацията на млечнокисели бактерии и пропионибактерии (Изображение от lipefontes0 на www.pixabay.com)

- Хляб (ферментация на глутен от пшенично тесто), произведен от дрожди чрез алкохолна ферментация

- Вино и бира (ферментация на захари в гроздов сок и захари в зърнени култури), произведени от дрожди чрез алкохолна ферментация

- Кафе и какао (ферментация на захарите, присъстващи в лигавицата на плодовете), произведени от млечнокисели бактерии и дрожди чрез млечно-алкохолна ферментация.

Препратки

1. Ciani, M., Comitini, F., & Mannazzu, I. (2013). Ферментация.
2. Юнкер, Б. (2000). Ферментация. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology.
3. Fruton, J. (2006). Ферментация: жизненоважен или химичен процес ?. Брил.
4. Doelle, HW (1975). Ферментация. Бактериален метаболизъм, 559-692.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Принципите на Ленингер в биохимията. Macmillan.
6. Barnett, JA (2003). Начало на микробиологията и биохимията: приносът на изследванията с дрожди. Микробиология, 149 (3), 557-567.