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 производстве пищевых продуктов это может в более широком смысле относиться к любому процессу, в котором деятельность микроорганизмов приводит к желаемому изменению пищевого продукта или напитка. [1] Наука о ферментации известна как зимология .
У микроорганизмов ферментация является основным способом производства аденозинтрифосфата (АТФ) путем анаэробного разложения органических питательных веществ . Люди использовали ферментацию для производства продуктов питания и напитков с эпохи неолита . Например, ферментация используется для консервации в процессе производства молочной кислоты , содержащейся в таких кислых продуктах , как маринованные 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. [2]
Ниже приведены некоторые определения ферментации. Они варьируются от неформальных, общих обычаев до более научных определений. [3]
Наряду с аэробным дыханием ферментация является методом извлечения энергии из молекул. Этот метод является единственным общим для всех бактерий и эукариот . Поэтому он считается древнейшим метаболическим путем , пригодным для первобытной среды — до появления растительной жизни на Земле, то есть до появления кислорода в атмосфере. [4] : 389
Дрожжи , форма грибка , встречаются почти в любой среде, способной поддерживать микробы, от кожуры фруктов до кишечника насекомых и млекопитающих до глубин океана. Дрожжи преобразуют (расщепляют) богатые сахаром молекулы с образованием этанола и углекислого газа. [5] [6]
Основные механизмы брожения сохраняются во всех клетках высших организмов. Мышцы млекопитающих осуществляют ферментацию в периоды интенсивных упражнений, когда поступление кислорода становится ограниченным, что приводит к образованию молочной кислоты . [7] : 63 У беспозвоночных в результате ферментации также образуются сукцинат и аланин . [8] : 141
Ферментирующие бактерии играют важную роль в производстве метана в средах обитания, начиная от рубца крупного рогатого скота и заканчивая варочными котлами и пресноводными отложениями. Они производят водород, углекислый газ, формиат и ацетат и карбоновые кислоты . Затем консорциумы микробов превращают углекислый газ и ацетат в метан. Ацетогенные бактерии окисляют кислоты, получая больше ацетата и либо водорода, либо формиата. Наконец, метаногены (в домене Archea ) превращают ацетат в метан. [9]
При ферментации НАДН реагирует с эндогенным органическим акцептором электронов . [11] Обычно это пируват , образующийся из сахара в результате гликолиза . В результате реакции образуется NAD + и органический продукт, типичными примерами которого являются этанол , молочная кислота и газообразный водород (H2 ) , а часто также двуокись углерода . Однако путем ферментации могут быть получены более экзотические соединения, такие как масляная кислота и ацетон .. Продукты ферментации считаются отходами, так как они не могут подвергаться дальнейшему метаболизму без использования кислорода. [12]
Ферментация обычно происходит в анаэробной среде . В присутствии О 2 НАДН и пируват используются для образования АТФ при дыхании . Это называется окислительным фосфорилированием . Это генерирует гораздо больше АТФ, чем только гликолиз. Он высвобождает химическую энергию O 2 . [12] По этой причине ферментация редко используется при наличии кислорода. Однако даже в присутствии большого количества кислорода некоторые штаммы дрожжей , такие как Saccharomyces cerevisiae , предпочитают брожение аэробному дыханию , если имеется достаточный запас сахаров (явление, известное какЭффект Крэбтри ). [13] В некоторых процессах ферментации участвуют облигатные анаэробы , которые не переносят кислород. [ нужна ссылка ]
Хотя дрожжи осуществляют ферментацию при производстве этанола в пиве , вине и других алкогольных напитках, это не единственный возможный агент: ферментацию при производстве ксантановой камеди осуществляют бактерии . [ нужна ссылка ]
При этанольном брожении одна молекула глюкозы превращается в две молекулы этанола и две молекулы углекислого газа . [14] [15] Он используется для поднятия теста для хлеба: углекислый газ образует пузырьки, превращая тесто в пену. [16] [17] Этанол является опьяняющим веществом в алкогольных напитках, таких как вино, пиво и спиртные напитки. [18] При ферментации сырья, включая сахарный тростник , кукурузу и сахарную свеклу , образуется этанол, который добавляется в бензин . [19] У некоторых видов рыб, включая золотых рыбок и карпов ., он обеспечивает энергию при недостатке кислорода (наряду с молочнокислым брожением). [20]
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 превращает его в АТФ и превращает НАД + в НАДН. Пируваты распадаются на две молекулы ацетальдегида и выделяют две молекулы углекислого газа в качестве отходов. Ацетальдегид восстанавливается до этанола с использованием энергии и водорода из НАДН, а НАДН окисляется до НАД + , так что цикл может повторяться. Реакция катализируется ферментами пируватдекарбоксилазой и алкогольдегидрогеназой. [14]
Этот раздел нуждается в дополнительных ссылках для проверки . ( январь 2021 г. ) |
Гомолактическое брожение (производящее только молочную кислоту) является простейшим типом брожения. Пируват из гликолиза [21] подвергается простой окислительно -восстановительной реакции с образованием молочной кислоты . [22] [23] Всего одна молекула глюкозы (или любого шестиуглеродного сахара) превращается в две молекулы молочной кислоты:
Это происходит в мышцах животных, когда им требуется 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 гомомолочную ферментацию , когда конечным продуктом в основном является молочная кислота, либо гетеромолочную ферментацию , при которой некоторое количество лактата далее метаболизируется в этанол и диоксид углерода [22] (по пути фосфокетолазы ), ацетат или другие вещества. продукты метаболизма, например:
Если лактоза ферментируется (как в йогуртах и сырах), она сначала превращается в глюкозу и галактозу (оба шестиуглеродных сахара с одинаковой атомной формулой):
Гетеролактическое брожение является в некотором смысле промежуточным звеном между молочнокислым брожением и другими типами, например, спиртовым брожением . Причины пойти дальше и преобразовать молочную кислоту во что-то другое включают:
Водородный газ производится во многих типах ферментации как способ регенерации НАД + из НАДН. Электроны переносятся на ферредоксин , который, в свою очередь, окисляется гидрогеназой с образованием H 2 . [14] Газообразный водород является субстратом для метаногенов и восстановителей сульфатов , которые поддерживают низкую концентрацию водорода и способствуют производству такого богатого энергией соединения, [24] но газообразный водород при довольно высокой концентрации, тем не менее, может образовываться, поскольку во вздутие живота . [ нужна ссылка ]
Например, Clostridium pasteurianum ферментирует глюкозу до бутирата , ацетата , углекислого газа и газообразного водорода: [25] Реакция, приводящая к ацетату:
Ферментация может применяться для получения альтернативных источников белка. Например, белковые продукты растительного происхождения, такие как темпе , производятся путем ферментации. Однако ферментация также может быть использована для культивирования продуктов животного происхождения, изготовленных из неживого материала in vitro. Яйца, мед, сыр и молоко — все это примеры белков, которые состоят из различных белков. Эти белки могут быть получены с использованием этого конкретного применения ферментации. Вещества, получаемые с помощью ферментации и напоминающие молоко, называются заменителями молока . Вещества, напоминающие сыр, называются аналогами сыра , а вещества, напоминающие яйца, называются заменителями яиц . [ нужна ссылка ]
Некоторые компании начали предоставлять фермерам услуги по ферментации ( «Фермерство как услуга» ). [26] [27]
Гем — это белок, который придает мясу характерную текстуру, вкус и аромат. [28] Компания Impossible Foods использовала ферментацию для получения особой цепи гема, полученного из корней сои, называемого соевым леггемоглобином , который был интегрирован в Impossible Burger для имитации мясного вкуса и внешнего вида. [28]
Другие типы брожения включают смешанное кислотное брожение , бутандиоловое брожение , бутиратное брожение , капроатное брожение , ацетон-бутанол-этаноловое брожение и глиоксилатное брожение . [ нужна ссылка ]
В большинстве промышленных ферментаций используются периодические процедуры или процедуры с подпиткой, хотя непрерывная ферментация может быть более экономичной, если можно решить различные проблемы, особенно трудности поддержания стерильности. [29]
В периодическом процессе все ингредиенты объединяются, и реакции протекают без какого-либо дополнительного ввода. Периодическое брожение использовалось на протяжении тысячелетий для приготовления хлеба и алкогольных напитков, и это все еще распространенный метод, особенно когда процесс не совсем понятен. [30] : 1 Однако это может быть дорого, поскольку ферментер необходимо стерилизовать паром высокого давления между партиями. [29] Строго говоря, часто добавляют небольшие количества химикатов для контроля pH или подавления пенообразования. [30] : 25
Периодическая ферментация проходит через ряд фаз. Существует лаг-фаза, в которой клетки приспосабливаются к окружающей среде; затем фаза, в которой происходит экспоненциальный рост. Как только многие питательные вещества потребляются, рост замедляется и становится неэкспоненциальным, но производство вторичных метаболитов (включая коммерчески важные антибиотики и ферменты) ускоряется. Это продолжается через стационарную фазу после того, как большая часть питательных веществ израсходована, а затем клетки умирают. [30] : 25
Периодическая ферментация с подпиткой — это разновидность периодической ферментации, при которой некоторые ингредиенты добавляются во время ферментации. Это позволяет лучше контролировать этапы процесса. В частности, производство вторичных метаболитов можно увеличить, добавляя ограниченное количество питательных веществ во время неэкспоненциальной фазы роста. Пакетные операции с подпиткой часто зажаты между пакетными операциями. [30] : 1 [31]
Высоких затрат на стерилизацию ферментера между партиями можно избежать, используя различные подходы к открытой ферментации, способные противостоять загрязнению. Один из них заключается в использовании естественно развившейся смешанной культуры. Это особенно важно при очистке сточных вод, поскольку смешанное население может адаптироваться к широкому спектру отходов. Термофильные бактерии могут производить молочную кислоту при температуре около 50 ° по Цельсию, что достаточно для предотвращения микробного загрязнения; и этанол был произведен при температуре 70 ° C. Это чуть ниже точки кипения (78 ° C), что облегчает его экстракцию. Галофильныйбактерии могут производить биопластики в гиперсоленых условиях. Ферментация в твердом состоянии добавляет небольшое количество воды к твердому субстрату; он широко используется в пищевой промышленности для производства ароматизаторов, ферментов и органических кислот. [29]
При непрерывной ферментации субстраты добавляются, а конечные продукты удаляются непрерывно. [29] Существует три разновидности: хемостаты , поддерживающие постоянный уровень питательных веществ; турбидостаты , поддерживающие постоянную массу клеток; и реакторы с поршневым потоком, в которых культуральная среда непрерывно течет по трубе, в то время как клетки рециркулируются от выхода к входу. [31]Если процесс работает хорошо, поток сырья и стоков стабильный, а затраты на повторную настройку партии избегаются. Кроме того, он может продлить фазу экспоненциального роста и избежать побочных продуктов, которые тормозят реакции, путем их непрерывного удаления. Однако трудно поддерживать стабильное состояние и избегать загрязнения, а конструкция имеет тенденцию быть сложной. [29] Обычно ферментер должен работать более 500 часов, чтобы быть более экономичным, чем процессоры периодического действия. [31]
Использование ферментации, особенно для напитков , существовало со времен неолита и было задокументировано с 7000 по 6600 г. до н.э. в Цзяху , Китай , [32] 5000 г. до н.э. в Индии, аюрведа упоминает многие лечебные вина, 6000 г. до н.э. в Грузии, [33]. ] 3150 г. до н.э. в древнем Египте , [34] 3000 г. до н.э. в Вавилоне , [35] 2000 г. до н.э. в доиспанской Мексике, [35] и 1500 г. до н.э. в Судане . [36] Ферментированные продукты имеют религиозное значение в иудаизме и христианстве . ТоБалтийскому богу Ругутису поклонялись как агенту брожения. [37] [38]
В 1837 году Шарль Каньяр де ла Тур , Теодор Шванн и Фридрих Трауготт Кютцинг независимо друг от друга опубликовали статьи, в которых в результате микроскопических исследований был сделан вывод о том, что дрожжи — это живой организм, размножающийся почкованием . [39] [40] : 6 Шванн кипятил виноградный сок, чтобы убить дрожжи, и обнаружил, что брожение не происходит, 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 участвовать живые организмы. Это было воспринято как возврат к витализму и высмеяно в анонимной публикацииЮстус фон Либих и Фридрих Вёлер . [4] : 108–109
Поворотный момент наступил, когда Луи Пастер (1822–1895) в 1850-х и 1860-х годах повторил эксперименты Шванна и в серии исследований показал, что ферментация инициируется живыми организмами. [23] [40] : 6 В 1857 году Пастер показал, что молочнокислое брожение вызывается живыми организмами. [41] В 1860 году он продемонстрировал, как бактерии вызывают скисание молока, процесс, который ранее считался просто химическим изменением. Его работа по выявлению роли микроорганизмов в порче пищевых продуктов привела к процессу пастеризации . [42]
В 1877 году, работая над улучшением французской пивоваренной промышленности , Пастер опубликовал свою знаменитую статью о брожении « Этюды сюр ла Бьер », которая была переведена на английский язык в 1879 году как «Исследования брожения». [43] Он определил брожение (неверно) как «Жизнь без воздуха», [44] однако правильно показал, как определенные виды микроорганизмов вызывают определенные виды брожения и определенные конечные продукты. [ нужна ссылка ]
Хотя демонстрация ферментации в результате действия живых микроорганизмов была прорывом, она не объясняла основную природу ферментации; ни доказать, что это вызвано микроорганизмами, которые, по-видимому, всегда присутствуют. Многие ученые, включая Пастера, безуспешно пытались извлечь фермент брожения из дрожжей . [44]
Успех пришел в 1897 году, когда немецкий химик Эдуард Бюхнер измельчил дрожжи, выделил из них сок, а затем, к своему удивлению, обнаружил, что эта «мертвая» жидкость может сбраживать раствор сахара, образуя углекислый газ и спирт, очень похожие на живые дрожжи. [45]
Считается, что результаты Бюхнера ознаменовали рождение биохимии. «Неорганизованные ферменты» вели себя так же, как и организованные. С этого времени термин фермент стал применяться ко всем ферментам. Тогда стало понятно, что ферментация вызывается ферментами, вырабатываемыми микроорганизмами. [46] В 1907 году Бюхнер получил Нобелевскую премию по химии за свою работу. [47]
Достижения в области микробиологии и технологии ферментации неуклонно продолжаются вплоть до настоящего времени. Например, в 1930-х годах было обнаружено, что микроорганизмы можно мутировать с помощью физической и химической обработки, чтобы они становились более продуктивными, быстрорастущими, устойчивыми к меньшему количеству кислорода и могли использовать более концентрированную среду. [48] [49] Отбор штаммов и гибридизация также развивались, затрагивая большинство современных пищевых ферментаций . [ нужна ссылка ]
Слово «бродить» происходит от латинского глагола fervere , что означает «кипеть». 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 .
В Wikisource есть текст статьи Британской энциклопедии 1911 года « Брожение ». |
Викискладе есть медиафайлы, связанные с ферментацией . |