Fermentationsgeschichte, Prozess, Typen, Beispiele

Der Fermentation Es ist ein chemischer Prozess, durch den eine oder mehrere organische Verbindungen in Abwesenheit von Sauerstoff zu einfacheren Verbindungen abgebaut sind (bei Anaerobiose). Wird von vielen Arten von Zellen durchgeführt, um Energie in Form von ATP zu produzieren.

Heute sind Organismen, die Moleküle in Abwesenheit von Sauerstoff „fermentieren“ können , usw.

Brot und Bier, zwei Produkte alkoholischer Hefefermentation.Pixabay.com)

Das Wort Fermentation stammt aus dem lateinischen Wort Fervere, was "Kochen" bedeutet und wurde geprägt, indem auf die Bubb anspielt.

Gegenwärtig ist es, wie Gay-Lussac im Jahr 1810 vorschlug, der allgemeine Begriff, der verwendet wird, um sich auf anaeroben Glukose oder andere organische Nährstoffe zu beziehen, um Energie in Form von ATP zu produzieren.

Da die ersten Lebewesen, die auf der Erde aufgetaucht sind, wahrscheinlich in einer Atmosphäre ohne Sauerstoff gelebt haben.

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Geschichte der Fermentation

Das menschliche Wissen über das Phänomen der Fermentation ist vielleicht so alt wie die Landwirtschaft, da der Mensch seit Tausenden von Jahren die Umwandlung des Safts von süßen Trauben fördert, die in sprudeln.

Für die ersten Gesellschaften wurde die Umwandlung dieser "grundlegenden" Elemente in fermentierte Lebensmittel jedoch als eine Art "mysteriöser" oder "wundersames" Ereignis angesehen, weil es nicht bekannt war, was es verursachte.

Der Fortschritt des wissenschaftlichen Denkens und die Erfindung der ersten Mikroskope legte sicherlich einen wichtigen Präzedenzfall auf dem Gebiet der Mikrobiologie und ermöglichte damit die Lösung des fermentativen „Mysteriums“.

Lavoisierer und Gay-Lussac-Experimente

Grafisches Porträt von Antoine Lavoissier (Quelle: H. Rousseau (Grafikdesigner), e.Thomas (Fear) Augustin Challamel, Lacroix [Public Domain] über Wikimedia Commons)

Lavoizier, ein französischer Wissenschaftler, zeigte am Ende von 1700, dass beim Umwandlung von Zucker in Alkohol und Kohlendioxid (z.

Später, im Jahr 1810, fasste Gay-Lussac diese Aussagen in der folgenden chemischen Reaktion zusammen:

C6H12O6 (Glucose) → 2CO2 (Kohlendioxid) + 2C2H6O (Ethanol)

Viele Jahre lang wurde jedoch argumentiert, dass diese während der Fermentation beobachteten chemischen Veränderungen das Produkt molekularer Schwingungen waren, die durch Zersetzungssache emittiert wurden, dh durch tote Zellen.

In einfacheren Worten: Alle Forscher waren überzeugt, dass die Fermentation eine Nebenwirkung des Todes eines Organismus war und kein notwendiger Prozess für ein Lebewesen.

Hefen in Aktion

Louis Pasteur in Ihrem Labor. Über Wikimedia Commons

Später markierte Louis Pasteur 1857 die Geburt der mikrobiologischen Chemie, als er die Fermentation mit Mikroorganismen wie Hefen, aus denen der Begriff mit der Idee der Existenz lebender Zellen, mit Gasproduktion und einigen organischen Verbindungen zusammenhing.

Anschließend wurde 1920 entdeckt, dass in Abwesenheit von Sauerstoff einige Muskelextrakte von Säugetieren die Bildung von Laktat aus Glukose katalysierten und dass viele der während der Kornfermentation produzierten Verbindungen auch durch Muskelzellen produziert wurden.

Dank dieser Entdeckung wurde die Fermentation als eine Form des Glukosegebrauchs und nicht als exklusiver Prozess von Hefen und Bakterien verallgemeinert.

Viele nachfolgende Studien verfeinerten das Wissen im Zusammenhang mit dem Phänomen der Fermentation erheblich, da Stoffwechselwege und Enzyme aufgeklärt wurden, was seine Ausbeutung für verschiedene industrielle Zwecke ermöglichte.

Allgemeiner Fermentationsprozess

Wie wir gesagt haben, ist die Fermentation ein chemischer Prozess, der eine anaerobe (ohne Sauerstoff) Transformation eines organischen Substrats in einfacheren organischen Verbindungen impliziert, die durch enzymatische Systeme ohne Sauerstoffintervention nicht "stromabwärts" metabolisiert werden können.

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Es wird von verschiedenen Enzymen durchgeführt und normalerweise bei Mikroorganismen wie Formen, Hefen oder Bakterien beobachtet, die eine Reihe von sekundären Produkten produzieren, die der Mensch seit vielen Jahrhunderten für kommerzielle Zwecke ausgenutzt hat.

In den chemischen Reaktionen, die während der Fermentation stattfinden, hydrolyisieren Enzyme (Proteine, die in der Lage sind, verschiedene chemische Reaktionen zu beschleunigen) ihre Substrate und zersetzen oder "Digie", und zahlen einfachere und Nährstoffmoleküle assimilabler, metabolisch sprachen.

Es ist erwähnenswert, dass Fermentation kein ausschließlicher Prozess von Mikroorganismen ist, wie sie in einigen tierischen Zellen (z. B. Muskel) und in einigen Pflanzenzellen unter bestimmten Bedingungen auftreten kann.

Welche Substrate sind fermentierbar?

Zu Beginn der wissenschaftlichen Forschung im Zusammenhang mit der Fermentation wurde angenommen, dass die wesentlichen Moleküle für einen solchen Prozess Kohlenhydrate waren.

Kurz darauf wurde jedoch verstanden, dass viele organische Säuren (einschließlich Aminosäuren), Proteine, Fette und andere Verbindungen fermentierbare Substrate für verschiedene Arten von Mikroorganismen sind.

Es ist wichtig zu klären, dass der anaerobe Metabolismus nicht die gleiche Energiemenge wie der aerobe Metabolismus liefert, da Substrate im Allgemeinen nicht vollständig oxidiert werden können, so.

Folglich verbrauchen anaerobe Mikroorganismen normalerweise viel größere Mengen an Substraten, um die gleiche Energie zu extrahieren, die einen ähnlichen Mikroorganismen unter aeroben Bedingungen extrahieren würde (in Gegenwart von Sauerstoff) (in Gegenwart von Sauerstoff).

Worum geht es bei Fermentation?

Wenn das Atmen nicht verabreicht werden kann, entweder aufgrund des Fehlens eines externen Elektronenakzeptors oder bei einem Defekt in der Zellatemungskette ist die Fermentation der katabolische Weg, der zur Erzeugung von Energie aus Glukose oder anderen Kohlenstoffquellen verwendet wird.

Im Fall von Glucose zum Beispiel wird seine teilweise Oxidation über den glykolytischen Weg durchgeführt, durch das Pyruvat, ATP und NADH auftreten (diese Produkte variieren je nach Energiesubstrat).

Unter Aerobiose -Bedingungen wird Pyruvat noch mehr oxidiert, wenn es in den Krebszyklus eintritt, und die Produkte dieses Zyklus treten in die Elektronenförderkette ein. NAD+ wird auch während dieser Prozesse regeneriert, wodurch die Kontinuität der glykolytischen Route aufrechterhalten wird.

Wenn es keinen Sauerstoff gibt, dh bei Anaerobiose, Pyruvat, die aus oxidativen Reaktionen (oder anderen resultierenden organischen Verbindungen) stammen. Diese Reduzierung ermöglicht die Regeneration von NAD+, einem grundlegenden Ereignis für den Fermentationsprozess.

Die Verringerung von Pyruvat (oder einem anderen oxidativen Produkt) markiert den Beginn der Synthese von Abfallprodukten, die Alkohole, Gase oder organische Säuren sein können, die in die extrazelluläre Umgebung ausgeschieden werden.

Wie viel Energie wird produziert?

Während die vollständige Oxidation eines Glukosemoles bis zu Kohlendioxid (CO2) unter aeroben Bedingungen 38 Mol ATP erzeugt, erzeugt die Fermentation zwischen 1 und 3 Mol ATP für jeden verbrauchten Glukosemol aus Glukose.

Arten der Fermentation

Es gibt verschiedene Arten der Fermentation, die häufig nicht nur durch die endgültigen Produkte des Prozesses, sondern auch durch Energiesubstrate definiert sind, die als "Kraftstoff" verwendet werden. Viele davon werden im industriellen Kontext besonders definiert sein.

Als Hinweis für den Leser ist es wahrscheinlich zweckmäßig, einige Aspekte des Energiestoffwechsels zu überprüfen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Kohlenhydratkatabolismus (Glykolyse), dem Krebszyklus und der Elektronentransportkette (Atmung), um dieses Thema mit größerem Thema zu verstehen Tiefe.

5 Arten der Fermentation können erwähnt werden:

- Alkoholische Fermentation

- Milch- oder säuretische Fermentation

- Propionische Fermentation

- Butterfärination

- Gemischte saure Fermentation

Alkoholische Fermentation

Wenn auf diese Art der Fermentation Bezug genommen wird, wird normalerweise verstanden, dass sie mit der Produktion von zu tun hat Ethanol (CH3CH2OH oder C2H6O), eine Art Alkohol (von dem alkoholische Getränke wie Wein und Bier zum Beispiel haben).

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Industriell gesehen ist der von Menschen ausgebeutete Mikroorganismus, um alkoholische Getränke zu erhalten Saccharomyces cerevisiae.

Alkoholische Fermentation (Quelle: Der Autor der Originalversion ist Benutzer: Norro. /Cc by-sa (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0) über Wikimedia Commons)

Hefen sind in der Tat aerobe Organismen, die als optionale Anaerobes wachsen können, dh, wenn die Bedingungen verdienen, ihren Stoffwechsel ändern und sich an das Fehlen von Sauerstoff zum Leben anpassen können.

Wie wir im vorherigen Abschnitt erläutert haben, ist die Energieleistung unter anaeroben Bedingungen viel niedriger als bei aeroben Bedingungen, so.

Alkoholische Fermentation impliziert eine Pyruvatumwandlung in Ethanol, die in einem zwei -steigenden Prozess stattfindet: Zunächst die Umwandlung von Pyruvat in Acetaldehyd und nach Acetaldehyd in Ethanol.

Die erste Reaktion, die Pyruvatkonvertierungsreaktion in Acetaldehyd, ist eine Decarboxylierung.

Das so produzierte Acetaldehyd wird mittels der Enzymalkohol -Dehydrogenase auf Ethanol reduziert, die ein NADH2+.

NAD+ kann für Glyceraldehyd 3-phosphat wiederverwendet werden.

Auf industrieller Ebene verschiedene Stämme von S. cerevisiae Sie werden mit verschiedenen Zwecken ausgenutzt, da einige für die Produktion von Wein, Bier, Brot usw. "spezialisiert" wurden., Sie können also einige charakteristische Stoffwechselunterschiede aufweisen.

Milch- oder säuretische Fermentation

Diese Art der Fermentation kann in zwei unterteilt werden: Homofermentations- und Heterofermentation. Das erste hat mit der Produktion von Milchsäure als einziges fermentatives Produkt von glykolytischem Pyruvat zu tun, und die zweite impliziert die Produktion von Milchsäure und Ethanol.

- Homolaktische Fermentation

Das durch glykolytische Route erzeugte Pyruvat wird dank der enzymatischen Wirkung einer Dehydrogenase -Milchsäure direkt in Milchsäure umgewandelt. In dieser Reaktion wie bei der zweiten Reaktion der alkoholischen Fermentation wird ein NAD+ -Molekül regeneriert, um Glyceraldehyd 3-phosphat in der Glykolyse zu oxidieren.

Für jedes Glukosemolekül, das verbraucht wird, werden also zwei Pyruvatmoleküle erzeugt, so.

Diese Art der Fermentation ist in bestimmten Arten von Bakterien, die als säurehaltige Bakterien bezeichnet werden, sehr häufig und ist die einfachste Art der Fermentation, die existiert.

Milchsäure kann auch von einigen Muskelzellen als Pyruvat durch die Wirkung von Dehydrogenase -Lactat (von NADH2 verwendet) in Milchsäure umgewandelt werden.

- Heterolaktische Fermentation

In dieser Art von Fermentation werden die beiden aus der Glykolyse abgeleiteten Pyruvatmoleküle nicht zur Synthese von Milchsäure verwendet. Stattdessen wird ein Pyruvat für jedes Glukosemolekül Milchsäure und das andere wird Ethanol oder Essigsäure und CO2.

Bakterien, die auf diese Weise Glukose metabolisieren.

Diese produzieren kein Pyruvat im gesamten glykolytischen Weg, sondern verwenden einen Teil des Pentosephosphat-Weg.

Zusammenfassend "schneiden" das Xylulose-5-phosphat (aus Glukose synthetisiert) in Glyceraldehyd 3-phosphat und Acetylphosphat unter Verwendung eines an TPP angeschlossenen Enzym-Cetolase-Pentose-Pentose-Pentose-Phosphat- und Acylphosphates (Acylphosphates-Pentoshyde-3-Phosphat (Acyl) und Acylphosphat (Acylphosphat (Acyl) und Acylphosphat (Acyl-Phosphat.

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Die Lücke tritt in den glykolytischen Weg ein und wird in Pyruvat umgewandelt, das später dank eines Enzym -Laktatdehydrogenase in Milchsäure umgewandelt wird, während Acetylphosphat auf Essigsäure oder Ethanol reduziert werden kann.

Säure-taktische Bakterien sind für den Menschen sehr wichtig, da sie zur Herstellung verschiedener fermentierter Milchderivate verwendet werden, von denen Joghurt hervorsticht.

Sie sind auch für andere fermentierte Lebensmittel wie fermentierte Kohl oder "Sauerkraut", Stifte und fermentierte Oliven verantwortlich.

- Propionische Fermentation

Dies wird von Propionibakterien durchgeführt, die Propionsäure (CH3-CH2-CoOH) produzieren können und die Pansen von Pflanzenfressern bewohnen.

Es handelt. Dieses Pyruvat wird zu Oxalacetat carboxyliert, das dann in zwei Schritten zum Succinat unter Verwendung der Umkehrreaktionen des Krebszyklus reduziert wird.

Das Succinat wird dann in Succinyl-CoA umgewandelt und dies wiederum durch das malonische Malonil-Mutase-Enzym, das ein intramolekulares Rückreglo von Succinyl-CoA katalysiert. Das Malonyl-CoA-Methyl wird dann verdunkelt, um Propionil-CoA durchzuführen.

Diese Propionpropionie. Säure-blaktische Bakterien und Propionibakterien werden zur Herstellung von Schweizer Käse verwendet, da Propionsäure ihm einen speziellen Geschmack verleiht.

- Butterfärination

Butterfärination. Quelle: BellWasthow/CC BY-SA (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)

Es wird durch Formatierung von Bakterien von Sporen durchgeführt, die anaerobien verpflichtet sind und im Allgemeinen zum Genre gehören Clostridium. Je nach Spezies können diese Bakterien auch Butan, Essigsäure, Ethanol, Isopropanol und Aceton produzieren (Kohlendioxid ist immer ein Produkt).

Diese Bakterien nerven.

In einigen Bakterien kondensieren zwei Acetyl-CoA. Acetoacethyl-CoA wird durch die β-Hydroxybutiril-CoA-Enzym-Dehydrogenase dehydrogeniert, um P-Hydroxybutiril-CoA zu bilden.

Dieses letzte Produkt führt zu Crotonil-CoA durch die Wirkung des Crotonasa-Enzyms. Crotonil-CoA wird durch eine mit FADH2 assoziierte Butyril-CoA-Dehydrogenase erneut reduziert, wodurch Butiril-CoA produziert wird.

Schließlich wird Butiril-CoA durch Eliminierung des COA-Teils und die Zugabe eines Wassermoleküls in Buttersäure umgewandelt. Unter alkalischen Bedingungen (hoher pH) können einige Bakterien Butterscheizsäure in n-Butanol umwandeln

- Gemischte saure Fermentation

Es ist häufig in Bakterien, die als Enterobakterien bezeichnet werden und mit oder ohne Sauerstoff wachsen können. Es wird als "gemischte Säuren" bezeichnet, weil verschiedene Arten von organischen Säuren und neutralen Verbindungen infolge der Fermentation erzeugt werden.

Zusammenfassungsschema der gemischten Säurefermentation (Quelle: Der ursprüngliche Uploader war Nicolasgrandjean bei französischer Wikipedia. /Cc by-sa (http: // creativeCommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0/) über Wikimedia Commons)

Abhängig von den Spezies, Ameisensäure, Essigsäure, Succinsäure, Milchsäure, Ethanol, CO2, Butanediol usw.

Oft ist es auch als Ameisensäurefermentation bekannt, da unter anaeroben Bedingungen einige Bakterien durch die Wirkung des Enzymformsäure-Pyruvat-Liasa-Pyruvats von Pyruvat und Acetyl-CoA-Säure bilden können.

Beispiele für Prozesse, bei denen Fermentation vorliegt

Es gibt viele Beispiele für fermentative Prozesse und deren Produkte. Zu einigen dieser Beispiele konnten wir einschließen:

Joghurt, ein Fermentationsprodukt (IMO -Flussbild auf www.Pixabay.com)

- Er Salami (fermentiertes Fleisch), erzeugt durch laktische Fermentation von Säurebakterien

- Er Joghurt (Fermentierte Milch), ebenfalls durch säuretische Bakterien produziert

- Er Käse (Fermentierte Milch), produziert durch Säure-Kattel-Bakterien und Propionibakterien durch Laktik- und Propion-Fermentation

Käse, Produkt der Fermentation von Säuretikern und Propionibakterien (Bild von lipefontes0 auf www.Pixabay.com)

- Er brot (Fermentation von Weizenmassen), die von Hefen durch alkoholische Fermentation erzeugt wird

- Er kam und das Bier (Fermentation von Zucker in Trauben und Getreidezucker), die von Hefen durch alkoholische Fermentation hergestellt werden

- Er Kaffee und das Kakao (Fermentation von Zuckern, die im Schleim der Früchte vorhanden sind), erzeugt durch säurekraktische Bakterien und Hefen durch laktische und alkoholische Fermentation.

Verweise

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