ФЕРМЕНТАЦИЯ: ИСТОРИЯ, ПРОЦЕСС, ВИДЫ, ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Брожения представляет собой химический процесс , при котором один или более органических соединений , деградируют до более простых соединений в в отсутствие кислорода (анаэробно). Многие типы клеток производят энергию в виде АТФ.

Сегодня организмы, способные «ферментировать» молекулы в отсутствие кислорода, очень важны на промышленном уровне, поскольку они используются для производства этанола, молочной кислоты и других коммерчески значимых продуктов, которые используются для производства вина, пива, сыра и йогурта. , и т.д.

Хлеб и пиво, два продукта алкогольного брожения дрожжей (Изображение с сайта PublicDomainImages на www.pixabay.com)

Слово «ферментация» происходит от латинского слова fervere, что означает «кипятить», и было придумано в связи с пузырьками, наблюдавшимися в первых сброженных напитках, внешне очень похожими на кипение горячей жидкости.

Сегодня, как предположил Гей-Люссак в 1810 году, это общий термин, используемый для обозначения анаэробного расщепления глюкозы или других органических питательных веществ с целью производства энергии в форме АТФ.

Поскольку первые живые существа, появившиеся на Земле, вероятно, жили в атмосфере без кислорода, анаэробный распад глюкозы, вероятно, является самым древним метаболическим способом среди живых существ для получения энергии из органических молекул.

История брожения

Человеческие знания о феномене брожения, возможно, так же стары, как и сельское хозяйство, поскольку на протяжении тысячелетий человек способствовал превращению измельченного сладкого виноградного сока в шипучее вино или превращению пшеничного теста в хлеб. ,

Однако для первых обществ превращение этих «основных» элементов в ферментированные продукты считалось своего рода «загадкой» или «чудесным» событием, поскольку не было известно, что его вызвало.

Прогресс научной мысли и изобретение первых микроскопов, несомненно, создали важный прецедент в области микробиологии и, тем самым, позволили разрешить бродящую «загадку».

Эксперименты Лавуазье и Гей-Люссака

Графический портрет Антуана Лавуазье (Источник: Х. Руссо (графический дизайнер), Э. Томас (гравер) Огюст Шалламель, Desire Lacroix Via Wikimedia Commons)

Французский ученый Лавуазье в конце 1700-х годов показал, что в процессе преобразования сахаров в спирт и углекислый газ (как это происходит при производстве вина) вес потребляемых субстратов был равен весу продуктов. синтезируется.

Позже, в 1810 году, Гей-Люссак суммировал эти утверждения в следующей химической реакции:

C6H12O6 (глюкоза) → 2CO2 (диоксид углерода) + 2C2H6O (этанол)

Однако в течение многих лет утверждалось, что эти химические изменения, наблюдаемые во время ферментации, были продуктом молекулярных колебаний, испускаемых разложением вещества, то есть мертвыми клетками.

Проще говоря: все исследователи были убеждены, что ферментация - это вторичный эффект смерти какого-то организма, а не необходимый процесс для живого существа.

Дрожжи в действии

Луи Пастер в своей лаборатории. Через Wikimedia Commons

Позже Луи Пастер, в 1857 году, ознаменовал рождение микробиологической химии, когда он связал ферментацию с микроорганизмами, такими как дрожжи, от которых этот термин был связан с идеей существования живых клеток с производством газов. и некоторые органические соединения.

Позже, в 1920 году, было обнаружено, что в отсутствие кислорода некоторые мышечные экстракты млекопитающих катализируют образование лактата из глюкозы, и что многие соединения, продуцируемые во время ферментации зерна, также продуцируются мышечными клетками.

Благодаря этому открытию ферментация была распространена как форма утилизации глюкозы, а не как исключительный процесс для дрожжей и бактерий.

Многие более поздние исследования значительно уточнили знания, связанные с феноменом ферментации, поскольку были выяснены метаболические пути и задействованные ферменты, что позволило использовать их в различных промышленных целях.

Общий процесс брожения

Как мы уже сказали, ферментация - это химический процесс, который включает анаэробное преобразование (без кислорода) органического субстрата в более простые органические соединения, которые не могут метаболизироваться «ниже по течению» ферментативными системами без вмешательства кислорода.

Он осуществляется различными ферментами и обычно наблюдается у таких микроорганизмов, как плесень, дрожжи или бактерии, которые производят ряд вторичных продуктов, которые человек использовал в коммерческих целях на протяжении многих веков.

В химических реакциях, происходящих во время ферментации, ферменты (белки, способные ускорять различные химические реакции) гидролизуют свои субстраты и разлагают или «переваривают» их, давая более простые молекулы и более усваиваемые питательные вещества, говоря метаболически.

Следует отметить, что ферментация не является исключительным процессом для микроорганизмов, поскольку она может происходить в некоторых клетках животных (например, в мышечных клетках) и в некоторых клетках растений при определенных условиях.

Какие субстраты можно сбраживать?

В начале научных исследований, связанных с ферментацией, считалось, что основными молекулами для этого процесса являются углеводы.

Однако вскоре стало понятно, что многие органические кислоты (включая аминокислоты), белки, жиры и другие соединения являются ферментируемыми субстратами для различных типов микроорганизмов, поскольку они могут служить для них источником пищи и энергии.

Важно уточнить, что анаэробный метаболизм не дает такого же количества энергии, как аэробный метаболизм, поскольку субстраты, как правило, не могут быть полностью окислены, поэтому не вся возможная энергия извлекается из них.

Следовательно, анаэробные микроорганизмы, как правило, потребляют гораздо большее количество субстратов, чтобы извлечь ту же энергию, которую аналогичный микроорганизм извлекал бы в аэробных условиях (в присутствии кислорода).

Что такое брожение?

Когда дыхание не может происходить либо из-за отсутствия внешнего акцептора электронов, либо из-за какого-либо дефекта в клеточной дыхательной цепи, ферментация является катаболическим путем, используемым для производства энергии из глюкозы или других источников углерода.

В случае глюкозы, например, ее частичное окисление осуществляется через гликолитический путь, по которому вырабатываются пируват, АТФ и НАДН (эти продукты различаются в зависимости от энергетического субстрата).

В аэробных условиях пируват дополнительно окисляется, когда он входит в цикл Кребса, и продукты этого цикла входят в цепь переноса электронов. НАД + также регенерируется во время этих процессов, что позволяет поддерживать непрерывность гликолитического пути.

Когда нет кислорода, то есть при анаэробиозе, пируват, полученный в результате окислительных реакций (или другие образующиеся органические соединения), подвергается восстановлению. Это уменьшение позволяет регенерировать НАД +, фундаментальное событие для процесса ферментации.

Восстановление пирувата (или другого продукта окисления) знаменует начало синтеза продуктов жизнедеятельности, которыми могут быть спирты, газы или органические кислоты, которые выводятся во внеклеточную среду.

Сколько энергии производится?

В то время как полное окисление одного моля глюкозы до диоксида углерода (CO2) и воды в аэробных условиях генерирует 38 моль АТФ, ферментация производит от 1 до 3 моль АТФ на каждый моль потребленной глюкозы.

Виды брожения

Существуют различные типы ферментации, во многих случаях определяемые не только конечными продуктами процесса, но и энергетическими субстратами, которые используются в качестве «топлива». Многие из них будут определены, в частности, в промышленном контексте.

В качестве примечания для читателя, вероятно, будет хорошей идеей сначала рассмотреть некоторые аспекты энергетического метаболизма, особенно в отношении катаболизма углеводов (гликолиза), цикла Кребса и цепи переноса электронов (дыхания), чтобы понять эту тему с помощью большая глубина.

Можно назвать 5 видов ферментации:

- Алкогольное брожение

- Молочная или кисломолочная ферментация

- Пропионовая ферментация

- Масляное брожение

- Смешанное кислотное брожение

Спиртовое брожение

Говоря об этом типе ферментации, обычно подразумевают, что она связана с производством этанола (CH3CH2OH или C2H6O), который является одним из видов алкоголя (из которых алкогольные напитки, такие как вино и пиво, например) ,

В промышленном отношении основным микроорганизмом, используемым человеком для получения алкогольных напитков, является дрожжеподобный гриб, принадлежащий к виду Saccharomyces cerevisiae.

Алкогольное брожение (Источник: Автор оригинальной версии - Пользователь: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) через Wikimedia Commons)

Дрожжи на самом деле являются аэробными организмами, которые могут расти как факультативные анаэробы, то есть, если того требуют условия, они изменяют свой метаболизм и приспосабливаются к отсутствию кислорода, чтобы жить.

Как мы обсуждали в предыдущем разделе, энергетические показатели в анаэробных условиях намного ниже, чем в аэробных, поэтому рост происходит медленнее.

Алкогольная ферментация включает превращение пирувата в этанол, которое происходит в двухступенчатом процессе: сначала превращение пирувата в ацетальдегид, а затем из ацетальдегида в этанол.

Первая реакция, реакция превращения пирувата в ацетальдегид, представляет собой декарбоксилирование, при котором одна молекула CO2 высвобождается для каждой молекулы пирувата и катализируется ферментом пируватдекарбоксилазой, которому необходим кофактор, известный как пирофосфат тиамина или TPP.

Полученный таким образом ацетальдегид восстанавливается до этанола с помощью фермента алкогольдегидрогеназы, который использует одну молекулу НАДН2 в качестве кофактора для каждой молекулы ацетальдегида, высвобождая этанол и НАД +.

НАД + можно повторно использовать для восстановления глицеральдегид-3-фосфата на одном из этапов гликолитического пути, что позволяет продолжить синтез АТФ.

На промышленном уровне разные штаммы S. cerevisiae используются для разных целей, поскольку некоторые из них были «специализированы» для производства вина, пива, хлеба и т. Д., Поэтому они могут иметь некоторые отличительные метаболические различия.

Молочная или кисломолочная ферментация

Этот тип ферментации можно разделить на два: гомоферментативный и гетероферментативный. Первый связан с производством молочной кислоты как единственного ферментативного продукта восстановления гликолитического пирувата, а второй включает производство молочной кислоты и этанола.

- Гомолактическая ферментация

Пируват, продуцируемый гликолитическим путем, превращается непосредственно в молочную кислоту благодаря ферментативному действию дегидрогеназы молочной кислоты. В этой реакции, как и во второй реакции спиртового брожения, молекула НАД + регенерируется для окисления глицеральдегид-3-фосфата при гликолизе.

Таким образом, для каждой потребляемой молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата, поэтому результат молочной ферментации соответствует двум молекулам молочной кислоты на молекулу глюкозы (и двум молекулам НАД +).

Этот тип ферментации очень распространен среди определенных типов бактерий, называемых молочнокислыми бактериями, и является самым простым из существующих типов ферментации.

Молочная кислота также может вырабатываться некоторыми мышечными клетками, поскольку пируват под действием лактатдегидрогеназы (которая использует NADH2) превращается в молочную кислоту.

- Гетеролактическая ферментация

В этом типе ферментации две молекулы пирувата, полученные в результате гликолиза, не используются для синтеза молочной кислоты. Вместо этого для каждой молекулы глюкозы один пируват превращается в молочную кислоту, а другой - в этанол или уксусную кислоту и CO2.

Бактерии, метаболизирующие таким образом глюкозу, известны как гетероферментативные молочнокислые бактерии.

Они не производят пируват через весь гликолитический путь, а вместо этого используют часть пентозофосфатного пути для производства глицеральдегид-3-фосфата, который затем метаболизируется до пирувата гликолитическими ферментами.

Вкратце, эти бактерии «разрезают» ксилулозо-5-фосфат (синтезируемый из глюкозы) на глицеральдегид-3-фосфат и ацетилфосфат, используя TPP-связанный фермент пентозофосфаткетолаза, производя глицеральдегид-3-фосфат (GAP) и ацетилфосфат.

GAP вступает в гликолитический путь и превращается в пируват, который затем превращается в молочную кислоту благодаря ферменту лактатдегидрогеназе, а ацетилфосфат может быть восстановлен до уксусной кислоты или этанола.

Молочнокислые бактерии очень важны для человека, так как они используются для производства различных производных кисломолочных продуктов, среди которых выделяется йогурт.

Они также отвечают за другие ферментированные продукты, такие как квашеная или квашеная капуста, соленые огурцы и ферментированные оливки.

- Пропионовая ферментация

Это осуществляется пропионибактериями, способными производить пропионовую кислоту (CH3-CH2-COOH) и населяющими рубец травоядных животных.

Это тип ферментации, при котором бактерии гликолитически используют глюкозу для производства пирувата. Этот пируват карбоксилируется до оксалоацетата, который затем восстанавливается в две стадии до сукцината с использованием обратных реакций цикла Кребса.

Затем сукцинат превращается в сукцинил-КоА, а тот, в свою очередь, в метилмалонил-КоА ферментом метилмалонилмутазой, который катализирует внутримолекулярную перегруппировку сукцинил-КоА. Затем метилмалонил-КоА декарбоксилируют с получением пропионил-КоА.

Этот пропионил-КоА дает пропионовую кислоту через реакцию переноса КоА-сукцинат, катализируемую КоА-трансферазой. Молочнокислые бактерии и пропионибактерии используются для производства швейцарского сыра, так как пропионовая кислота придает ему особый вкус.

- Масляное брожение

Масляное брожение. Источник: Bellwasthow / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Это происходит с помощью спорообразующих бактерий, которые являются облигатными анаэробами и обычно принадлежат к роду Clostridium. В зависимости от вида эти бактерии могут также продуцировать бутанол, уксусную кислоту, этанол, изопропанол и ацетон (углекислый газ всегда является продуктом).

Эти бактерии расщепляют глюкозу через гликолитический путь и производят пируват, который декарбоксилируется с образованием ацетил-КоА.

У некоторых бактерий две молекулы ацетил-КоА конденсируются ферментом тиолазой, производя ацетоацетил-КоА и высвобождая КоА. Ацетоацетил-КоА дегидрируется ферментом β-гидроксибутирил-КоА дегидрогеназа с образованием P-гидроксибутирил-КоА.

Этот последний продукт дает кротонил-КоА под действием фермента кротоназы. Кротонил-КоА снова восстанавливается бутирил-КоА дегидрогеназой, связанной с FADH2, продуцируя бутирил-КоА.

Наконец, бутирил-КоА превращается в масляную кислоту за счет удаления части КоА и добавления молекулы воды. В щелочных условиях (высокий pH) некоторые бактерии могут превращать масляную кислоту в н-бутанол.

- Смешанное кислотное брожение

Это распространено у бактерий, известных как Enterobacteriaceae, которые могут расти с кислородом или без него. Это называется «смешанная кислота», потому что в результате ферментации образуются различные типы органических кислот и нейтральных соединений.

Краткая схема смешанного кислотного брожения (Источник: Первоначально загрузил Николя Гранджан из французской Википедии. / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) через Wikimedia Commons)

В зависимости от вида могут производиться муравьиная кислота, уксусная кислота, янтарная кислота, молочная кислота, этанол, CO2, бутандиол и т. Д.

Это также часто называют ферментацией муравьиной кислоты, потому что в анаэробных условиях некоторые бактерии могут образовывать муравьиную кислоту и ацетил-КоА из пирувата под действием фермента муравьиной кислоты-пируватлиазы.

Примеры процессов, в которых происходит ферментация

Существует множество примеров процессов ферментации и их продуктов. Некоторые из этих примеров могут включать:

Йогурт, продукт брожения (Изображение Imo Flow на www.pixabay.com)

- Салями (ферментированное мясо), произведенное путем молочной ферментации молочнокислых бактерий

- Йогурт (ферментированное молоко), также вырабатываемый молочнокислыми бактериями

- Сыр (ферментированное молоко), произведенный молочнокислыми бактериями и пропионибактериями путем молочнокислого и пропионового брожения

Сыр, продукт ферментации молочнокислых бактерий и пропионибактерий (Изображение lipefontes0 на www.pixabay.com)

- Хлеб (ферментация клейковины из пшеничного теста), произведенный дрожжами путем спиртовой ферментации

- Вино и пиво (ферментация сахаров в виноградном соке и сахаров в зернах), произведенные дрожжами путем алкогольного брожения

- Кофе и какао (ферментация сахаров, содержащихся в слизи фруктов), производимые молочнокислыми бактериями и дрожжами путем молочнокислого и спиртового брожения.

Ссылки

1. Чиани М., Комитини Ф. и Маннаццу И. (2013). Ферментация.
2. Юнкер, Б. (2000). Ферментация. Кирк-Отмер Энциклопедия химической технологии.
3. Фрутон, Дж. (2006). Ферментация: жизненный или химический процесс? Brill.
4. Doelle, HW (1975). Ферментация. Бактериальный метаболизм, 559-692.
5. Нельсон, Д.Л., Ленингер, А.Л., и Кокс, М.М. (2008). Принципы биохимии Ленингера. Macmillan.
6. Барнетт, Дж. А. (2003). Начала микробиологии и биохимии: вклад дрожжевых исследований. Микробиология, 149 (3), 557-567.