Fermentacja

Fermentacja - reakcja biochemiczna zachodząca pod katalitycznym wpływem fermentów wytwarzanych przez mikroorganizmy. Jest to beztlenowy, enzymatyczny, rozpad związków organicznych; dostarcza drobnoustrojom energii potrzebnej do procesów życiowych; np. f. alkoholowa, f. masłowa, f. mlekowa, f. octowa; w biotechnologii również jako procesy tlenowe [J. Rawicz i in., ENCYKLOPEDIA GAZETY WYBORCZEJ TOM V, Wydawnictwo Naukowe PWN, Kraków 2005, s. 91].

Fermentacja jest rozumiana jako proces metaboliczny służący odtworzeniu ATP, w którym produkty rozkładu substratów organicznych pełnią równocześnie rolę donorów i akceptorów wodoru. Reakcje prowadzące do fosforylacji ADP mają charakter utleniania. Utlenione związki węgla opuszczają komórkę w postaci dwutlenku węgla. Poszczególne etapy utleniania polegają na odwodornieniu z równoczesnym przekazaniem wodoru z NADH2. Zredukowane produkty utworzone w wyniku regeneracji NAD są wydzielane.[Hans G. Schlegel, Mikrobiologia Ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996, s 333 ] Podczas fermentacji węglowodanów i niektórych innych związków (kwasów organicznych, alkoholi) [I. Duda, Słownik Pojęć Towaroznawczych, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków 1995, s. 43] powstają, pojedynczo bądź w różnych układach, następujące produkty: etanol, mleczan, maślan, bursztynian, propanian, octan, n-butanol, 2,3-butaniodol, aceton, izopropanol, dwutlenek węgla i wodór cząsteczkowy [H.G. Schlegel, Mikrobiologia Ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1996, s. 333].

Nazwy poszczególnych fermentacji tworzy się od głównego produktu powstającego w wyniku jej przebiegu np. proces biochemiczny przemiany cukrów na alkohol etylowy nazywamy fermentacją alkoholową, przemiany na kwas mlekowy - fermentacją mlekową, przemiany na kwas propionowy - fermentacją propionową. Procesy fermentacyjne są powszechnie wykorzystywane w przemyśle (np. mleczarskim, piekarskim, winiarskim, gorzelniczym, w produkcji drożdży, również do oczyszczania ścieków). [ I. Duda, Słownik Pojęć Towaroznawczych, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków 1995, s. 43]

TL;DR

Fermentacja to biochemiczna reakcja zachodząca pod wpływem fermentów wytwarzanych przez mikroorganizmy. Jest to proces beztlenowy rozpadu związków organicznych, który dostarcza energii drobnoustrojom. W wyniku fermentacji powstają różne produkty, takie jak alkohol etylowy, kwas mlekowy, kwas propionowy, kwas masłowy, kwas octowy, itp. Fermentacja może być beztlenowa lub tlenowa. Istnieją różne rodzaje fermentacji, które znajdują zastosowanie w przemyśle spożywczym. Fermentację można przeprowadzać w sposób ciągły lub wsadowy z uzupełnianiem pożywki.

Fermentacja beztlenowa

Do fermentacji beztlenowych, mające duże znaczenie w przemyśle spożywczym, zalicza się:

• fermentację alkoholową: polega ona na beztlenowym rozkładzie cukrów prostych na alkohol etylowy i dwutlenek węgla, co można przedstawić sumarycznym równaniem:

C6H12O-->2CH3CH2OH + 2CO2 + 117kJ (28 kcal)

Fermentacji alkoholowej mogą ulegać dwucukry i trójcukry, które są hydrolizowane pod wpływem enzymów komórek drożdży. Natomiast cukry złożone, takie jak: skrobia i celuloza fermentacji tej nie ulegają [E. i T. Drewniak, Mikrobiologia Żywności, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1999, s. 103]

• fermentację mlekową: można ją podzielić na dwa typy: fermentację właściwą (wywołaną przez bakterie mlekowe - Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus) i fermentację niewłaściwą (pseudomlekową - wywołaną przez różne rodzaje bakterii, np. Escherichia, Micrococcus, Microbacterium, licznie rozpowszechnione w przyrodzie). Właściwa fermentacja mlekowa jest wywoływana przez bakterie mlekowe homofermentatywne. Jej przebieg można przedstawić za pomocą następującego równania sumarycznego:

C6H12O6 - > 2 CH3* CHOH * COOH + 64 kJ (22,5 kcal)

Bakterie właściwej fermentacji mlekowej fermentują przede wszystkim cukry proste (heksozy) i dwucukry, a nie fermentują z reguły pentoz oraz cukrów złożonych, takich jak: skrobia, insulina. Fermentacja wywołana przez bakterie pseudomlekowe charakteryzuje się tym że kwas mlekowy jest tylko jednym z produktów, a ponadto powstaje dwutlenek węgla, kwas octowy, alkohol etylowy i inne. Praktyczne zastosowanie w przemyśle ma właściwa fermentacja mlekowa, natomiast fermentacja pseudomlekowa jest niepożądana [E. i T. Drewniak, Mikrobiologia Żywności, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1999, s. 87]

• fermentację propionową: wywołują bakterie propionowe z rodzaju Propionibacterium. Fermentacja ta jest beztlenowym rozkładem kwasu mlekowego (lub cukru) na kwas propionowy i kwas octowy z wydzieleniem dwutlenku węgla i wody. Przebieg fermentacji można przedstawić następującym sumarycznym równaniem:

3CH3CHOH * COOH--> 2 CH3CH2COOH + CH3COOH + CH2 + H2O + wolna energia

W czasie tej fermentacji powstają również pewne ilości kwasu bursztynowego. Fermentacja propionowa jest wykorzystywana w dojrzewaniu serów podpuszczkowych, zwłaszcza twardych [E. i T. Drewniak, Mikrobiologia Żywności, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1999, s. 95]

• fermentację masłową: wywołują bakterie masłowe należące do rodzaju Clostridium. Bakterie te mają zdolność fermentowania cukrów prostych, dwucukrów i wielocukrów. Fermentacja masłowa polega na beztlenowym rozkładzie cukrów na kwas masłowy, dwutlenek węgla i wodę zgodnie z następującym sumarycznym równaniem:

C6H12O6--> CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2 + wolna energia

Oprócz kwasu masłowego powstają również liczne produkty uboczne np. kwas octowy, alkohol metylowy, metan, aceton, alkohol butylowy. [ E. i T. Drewniak, Mikrobiologia Żywności, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1999, s. 96]

Fermentacja tlenowa

Do fermentacji tlenowych o znaczeniu praktycznym należą fermentacje:

• fermentacja octowa: którą wywołują bakterie octowe, należące do rodzaju Acetobacter. Fermentacja octowa polega na utlenianiu alkoholu etylowego do kwasu octowego. Chemizm tej fermentacji można przedstawić za pomocą sumarycznego równania:

CH3CH2OH + O2 --> CH3COOH +H2O + 490kJ (118 kcal).

Nazwa "fermentacja octowa" nie jest właściwa do określenia procesów zachodzących przy przemianie alkoholu etylowego na kwas octowy, ponieważ procesy te przebiegają przy udziale tlenu atmosferycznego. Oprócz kwasu octowego w czasie fermentacji powstają również - jako produkty uboczne różne substancje aromatyczne, których ilość i rodzaj zależą od gatunku bakterii i rodzaju użytego surowca [E. i T. Drewniak, Mikrobiologia Żywności, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1999, s. 93 ]

• fermentacja cytrynowa: polega na wytwarzaniu kwasu cytrynowego z glukozy przy wykorzystaniu odpowiednich pleśni. Sumarycznie równanie reakcji prezentujące przebieg fermentacji przedstawić można za pomocą schematu:

3C6H12O6 + 9O2 + Aspergillus niger --> 2C6H8O7 + 6CO2 + 10H2O + kcal

Metoda fermentacyjna przewyższa metodę uzyskiwania kwasu cytrynowego z owoców cytrusowych, ponieważ jest tańsza. W metodzie tej wykorzystuje się melasę, będącą produktem ubocznym przemysłu cukrowniczego.

Rodzaje fermentacji z technologicznego punktu widzenia

• fermentacja ciągła - proces w którym komórki lub mikroorganizmy są utrzymywane w kulturze w wykładniczej fazie wzrostu przez ciągłe dodawanie świeżego podłoża. Proces jest równoważony przez usuwanie zawiesiny komórek z bioreaktora.
• fermentacja wsadowa z uzupełnieniem pożywki - kultura komórek lub mikroorganizmów, gdy składniki odżywcze są dodawane okresowo do bioreaktora [A. Zaid i in. Słownik terminologii żywności i rolnictwa, Wydawnictwo SGGW, Rzym 2001, s 81]

Fermentacja — artykuły polecane

Biokatalizatory — Pieczywo — Mineralizacja — Flotacja — Biosynteza — Klarowność — Inhibitory — Denitryfikacja — Karmelizacja

Bibliografia

• Drabik L. (red.) (2019), Słownik języka polskiego PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Drewniak E. (1999), Mikrobiologia Żywności, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa
• Duda I. (red.) (1995), Słownik pojęć towaroznawczych, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie, Kraków
• Rawicz J. (red.) (2005), Encyklopedia Gazety Wyborczej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Schlegel H. (1996), Mikrobiologia Ogólna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Wikipedia.org, Fermentacja cytrynowa
• Zaid A., Hughes G., Porceddu E., Nicholas F. (2010), Słownik terminologiczny biotechnologii żywności i rolnictwa, Wydawnictwo SGGW, Warszawa

Autor: Katarzyna Kujałowicz