Процес на ферментация в микроорганизми
Ферментацията е един от най-важните биологични процеси, извършвани от микроорганизмите за получаване на енергия. Този процес се използва от хората от хиляди години, много преди концепцията за микробиология да бъде научно призната. Различни хранителни и напитъчни продукти, като темпе, кисело мляко, хляб, ферментирала касава, соев сос, кимчи и дори алкохолни напитки, са резултат от ферментацията. Зад тези разнообразни продукти се крие метаболитният механизъм на микроорганизмите, които превръщат органичните материали – особено въглехидратите – в по-прости съединения, с освобождаване на енергия. Тази статия разглежда определението за ферментация, етапите на процеса, видовете ферментация, участващите микроорганизми и факторите, които влияят върху успеха на ферментацията.
Разбиране на ферментацията
Като цяло, ферментацията е процес на разграждане на органични съединения (напр. глюкоза) на по-прости съединения с помощта на микроорганизми или ензимите, които те произвеждат. В контекста на микробиологията, ферментацията обикновено протича при липса на кислород (анаеробно) или при условия на много ограничен кислород. Основната цел на ферментацията за микроорганизмите е да произвеждат енергия под формата на АТФ (аденозин трифосфат), за да могат да оцелеят, да растат и да се размножават.
За разлика от аеробното дишане, което произвежда повече енергия, ферментацията произвежда по-малко. Ферментацията обаче е важна стратегия за адаптация на микроорганизмите в бедна на кислород среда, като например в тесто за хляб, съхранено мляко или затворени растителни тъкани.
Основи на ферментационния метаболизъм
За да разберем ферментацията при микроорганизмите, е важно да разберем как клетките произвеждат енергия. Накратко, ферментацията започва с гликолиза, разграждането на глюкозата на две молекули пируват. Гликолизата произвежда малко количество АТФ и електронен носител NADH. При аеробни условия NADH се реокислява чрез електронен транспортен верига, като кислородът е краен електронен акцептор. При ферментацията обаче кислородът не е наличен, така че клетките трябва да намерят друг начин да „рециклират“ NADH в NAD⁺, за да продължат гликолизата.
Тук влиза в действие ферментацията: пируватът или неговите производни ще приемат електрони от NADH, като по този начин регенерират NAD⁺. С наличен NAD⁺, гликолизата може да продължи и се произвежда АТФ, макар и в ограничени количества.
Общи етапи на процеса на ферментация
Въпреки че видовете ферментация варират, като цяло ферментацията при микроорганизмите включва следните етапи:
1. Подготовка на основата
Основният ферментационен субстрат обикновено са въглехидрати (глюкоза, захароза, малтоза, лактоза), но може да произхожда и от нишесте или целулоза, които първо се разграждат от ензими. При производството на темпе, например, соевият протеин и въглехидратите се разграждат от плесенни ензими. При производството на ленти, нишестето в касава или глутенозния ориз се превръща в прости захари от дрождеви ензими.
2. Гликолиза
Глюкозата се разгражда до пируват в цитоплазмата на клетката. Този етап води до нетен енергиен добив от 2 АТФ на молекула глюкоза и NADH.
3. Редукция на пируват (или неговите производни)
След това пируватът се превръща в крайни продукти на ферментацията, като млечна киселина или етанол. На този етап NADH освобождава своите електрони, превръщайки се обратно в NAD⁺.
4. Формиране на продукта и промени в околната среда
Продуктите от ферментацията обикновено променят вкуса, аромата, текстурата и срока на годност на храните. Получената киселина понижава pH, като потиска растежа на микроорганизмите, причиняващи разваляне, докато алкохолът и въглеродният диоксид допринасят за отличителните характеристики на ферментиралите хлябове и напитки.
Видове ферментация и примери
1. Ферментация на млечна киселина
Млечнокиселинната ферментация протича, когато пируватът се редуцира до млечна киселина. Този процес е често срещан при млечнокиселите бактерии като Lactobacillus, Streptococcus и Leuconostoc. Резултатът е силно повишаване на киселинността.
Пример за приложение:
– Кисело мляко (обикновено съдържащо Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus)
– Кимчи и кисело зеле (ферментирали зеленчуци от млечнокисели бактерии)
– Мариноване и ферментация на някои видове риба
– В човешкото тяло млечнокиселата ферментация протича и в мускулите, когато има недостиг на кислород.
Млечнокиселинната ферментация може да се раздели на:
– Хомоферментативен, произвежда предимно млечна киселина.
– Хетероферментативен, произвеждащ млечна киселина, както и CO₂ и други съединения като етанол или оцетна киселина.
2. Алкохолна ферментация
Алкохолната ферментация обикновено се извършва от дрожди като Saccharomyces cerevisiae. В този процес пируватът се превръща в ацеталдехид, като същевременно се освобождава CO₂, след което ацеталдехидът се редуцира до етанол.
Пример за приложение:
– Хляб: CO₂ кара тестото да бухне, докато етанолът се изпарява предимно по време на печене.
– Бира, вино и традиционни спиртни напитки: етанолът е основният желан продукт.
– Лента: произвежда етанол и различни отличителни аромати от комбинация от дрожди и бактериални микроорганизми.
3. Ферментация с оцетна киселина
Тази ферментация е свързана с образуването на оцетна киселина (оцет). Технически, оцетнокиселите бактерии като Acetobacter aceti превръщат етанола в оцетна киселина, процес, който изисква кислород (аеробен). Следователно, в хранително-вкусовата промишленост тя често се категоризира като „ферментация“, въпреки че се различава от чистата анаеробна ферментация.
Пример за приложение:
– Ябълков оцет, оризов оцет и различни видове оцет.
4. Ферментация с бутират и други
Някои бактерии, като Clostridium, могат да произвеждат маслена киселина, оцетна киселина, бутанол, ацетон и газ. Тези процеси са важни в микробната екология и могат също така да допринесат за развалянето на определени храни, когато са нежелани.
Микроорганизми, които играят роля във ферментацията
Ферментацията включва различни групи микроорганизми, включително:
– Млечнокисели бактерии: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus.
– Дрожди: Saccharomyces, Candida (в някои традиционни ферментации).
– Мухъл: Rhizopus oligosporus в темпе, Aspergillus oryzae в соев сос и мисо. Мухълът често играе роля в разграждането на сложни молекули чрез ензими, като по този начин улеснява по-нататъшната ферментация от бактерии или дрожди.
В много традиционни продукти ферментацията не се извършва от един-единствен микроорганизъм, а от общност от микроби. Тяхното взаимодействие води до отличителни вкусове и качества. Например, във ферментиралата касава (маниока), мухълът и маята разграждат нишестето и произвеждат алкохол, докато някои бактерии могат да произвеждат киселини, които балансират вкуса.
Фактори, влияещи върху успеха на ферментацията
Успехът на ферментацията зависи до голяма степен от условията на околната среда и контрола на процеса. Ключови фактори включват:
1. Температура
Всеки микроорганизъм има оптимална температура. Киселото мляко, например, обикновено ферментира при топли температури, докато ферментацията на зеленчуците може да се случи при по-ниски стайни температури. Твърде високата температура може да убие микробите, докато твърде ниската температура забавя процеса.
2. pH (киселинност)
pH повлияват ензимната активност и растежа Микроорганизми. Млечнокиселите бактерии са склонни да понижават pH, като по този начин спомагат за запазването на продукта.
3. Наличност на кислород
Алкохолната и млечнокиселата ферментация обикновено изискват анаеробни или нискокислородни условия. Обратно, образуването на оцетна киселина изисква кислород.
4. Концентрация на сол и захар
Солта може да инхибира микробите, причиняващи разваляне, и да селектира определени микроби (например при ферментацията на зеленчуци). Захарта е ключов субстрат в много ферментации, но твърде високата концентрация може да изтегли вода от микробните клетки, потискайки растежа.
5. Чистота и замърсяване
Замърсяването с нежелани микроби може да влоши вкуса, да намали качеството или дори да произведе токсини. Следователно, правилната хигиена и използването на стартерни култури са от решаващо значение в индустрията.
6. Време за ферментация
Твърде кратката ферментация може да доведе до „недовършен“ продукт, докато твърде дългата може да доведе до твърде кисел вкус, твърде алкохолен вкус или нарушена текстура.
Ползи от ферментацията за хората
Освен че произвежда продукти с отличителен вкус и аромат, ферментацията предоставя и редица предимства:
– Увеличете срока на годност чрез понижаване на pH, образуване на алкохол или антимикробни съединения.
– Увеличаване на хранителната стойност, например увеличаване на наличността на определени витамини и разграждане на антинутриенти.
– Подобрява храносмилането, особено при продукти, съдържащи пробиотици, като например кисело мляко.
– Създава нови текстури и вкусове, които не могат да бъдат постигнати само с обикновено готвене.
Затваряне
Процесът на ферментация при микроорганизмите е метаболитна стратегия, която позволява на клетките да получават енергия при условия на ограничен кислород, като същевременно произвеждат химични продукти, които променят характеристиките на храната. Чрез гликолиза и последващи реакции за рециклиране на NAD⁺, микроорганизмите са способни да оцелеят и да процъфтяват. За хората ферментацията е ценна биологична технология, както за производството на храни, така и за съхранението им, и за разработването на функционални храни. Разбирането на видовете ферментация, участващите микроорганизми и факторите, които влияят на процеса, ще помогне за производството на безопасни, висококачествени и постоянни ферментирали продукти.
