Procés de fermentació en microorganismes
La fermentació és un dels processos biològics més importants que duen a terme els microorganismes per obtenir energia. Aquest procés ha estat utilitzat pels humans durant milers d'anys, molt abans que el concepte de microbiologia fos reconegut científicament. Diversos productes alimentaris i begudes com el tempeh, el iogurt, el pa, la iuca fermentada, la salsa de soja, el kimchi i fins i tot les begudes alcohòliques són el resultat de la fermentació. Darrere d'aquests diversos productes hi ha el mecanisme metabòlic dels microorganismes que converteixen els materials orgànics, especialment els hidrats de carboni, en compostos més simples, amb l'alliberament d'energia. Aquest article tracta la definició de fermentació, les etapes del procés, els tipus de fermentació, els microorganismes implicats i els factors que influeixen en l'èxit de la fermentació.
Comprensió de la fermentació
En general, la fermentació és el procés de descomposició de compostos orgànics (per exemple, la glucosa) en compostos més simples amb l'ajuda de microorganismes o dels enzims que produeixen. En el context de la microbiologia, la fermentació sol produir-se en absència d'oxigen (anaeròbica) o en condicions d'oxigen molt limitat. L'objectiu principal de la fermentació per als microorganismes és produir energia en forma d'ATP (adenosina trifosfat) perquè puguin sobreviure, créixer i reproduir-se.
A diferència de la respiració aeròbica, que produeix més energia, la fermentació en produeix menys. Tanmateix, la fermentació és una estratègia d'adaptació important per als microorganismes en ambients pobres en oxigen, com ara la massa de pa, la llet emmagatzemada o els teixits vegetals tancats.
Fonaments del metabolisme de la fermentació
Per entendre la fermentació en els microorganismes, és important entendre com les cèl·lules produeixen energia. Breument, la fermentació comença amb la glucòlisi, la descomposició de la glucosa en dues molècules de piruvat. La glucòlisi produeix una petita quantitat d'ATP i el portador d'electrons NADH. En condicions aeròbiques, el NADH es reoxida a través de la cadena de transport d'electrons, amb l'oxigen com a acceptor final d'electrons. Tanmateix, en la fermentació, l'oxigen no està disponible, de manera que les cèl·lules han de trobar una altra manera de "reciclar" el NADH en NAD⁺ per continuar la glucòlisi.
Aquí és on entra en joc la fermentació: el piruvat o els seus derivats acceptaran electrons del NADH, regenerant així NAD⁺. Amb NAD⁺ disponible, la glucòlisi pot continuar i es produeix ATP, encara que en quantitats limitades.
Etapes generals del procés de fermentació
Tot i que els tipus de fermentació varien, en general la fermentació en microorganismes inclou les etapes següents:
1. Preparació del substrat
El substrat de fermentació principal sol ser hidrats de carboni (glucosa, sacarosa, maltosa, lactosa), però també pot provenir del midó o la cel·lulosa, que primer es descomponen mitjançant enzims. En la producció de tempeh, per exemple, la proteïna de la soja i els hidrats de carboni es descomponen mitjançant enzims de floridura. En la producció de cinta, el midó de la iuca o l'arròs glutinós es converteix en sucres simples mitjançant enzims de llevat.
2. Glicòlisi
La glucosa es descompon en piruvat al citoplasma de la cèl·lula. Aquesta etapa produeix un rendiment energètic net de 2 ATP per molècula de glucosa i NADH.
3. Reducció del piruvat (o els seus derivats)
El piruvat es converteix llavors en productes finals de fermentació, com ara àcid làctic o etanol. En aquesta etapa, el NADH allibera els seus electrons i es converteix de nou en NAD⁺.
4. Formació de productes i canvis ambientals
Els productes de fermentació generalment canvien el sabor, l'aroma, la textura i la vida útil dels aliments. L'àcid resultant redueix el pH, inhibint el creixement de microorganismes que els alteren, mentre que l'alcohol i el diòxid de carboni contribueixen a les característiques distintives dels pans i begudes fermentats.
Tipus de fermentació i exemples
1. Fermentació de l'àcid làctic
La fermentació de l'àcid làctic es produeix quan el piruvat es redueix a àcid làctic. Aquest procés és comú en bacteris de l'àcid làctic com ara Lactobacillus, Streptococcus i Leuconostoc. El resultat és un fort augment de l'acidesa.
Exemple d'aplicació:
– Iogurt (generalment amb Lactobacillus bulgaricus i Streptococcus thermophilus)
– Kimchi i xucrut (verdures fermentades per bacteris de l'àcid làctic)
– Adobat i fermentació de certs peixos
– En el cos humà, la fermentació de l'àcid làctic també es produeix als músculs quan hi ha manca d'oxigen.
La fermentació làctica es pot dividir en:
– Homofermentativa, produeix predominantment àcid làctic.
– Heterofermentativa, produint àcid làctic, així com CO₂ i altres compostos com l'etanol o l'àcid acètic.
2. Fermentació alcohòlica
La fermentació alcohòlica generalment la duen a terme llevats com ara Saccharomyces cerevisiae. En aquest procés, el piruvat es converteix en acetaldehid mentre s'allibera CO₂, i després l'acetaldehid es redueix a etanol.
Exemple d'aplicació:
– Pa: el CO₂ fa que la massa pugi, mentre que l'etanol s'evapora principalment durant la cocció.
– Cervesa, vi i licors tradicionals: l'etanol és el principal producte desitjat.
– Cinta: produeix etanol i diverses aromes distintives a partir d'una combinació de llevats i microorganismes bacterians.
3. Fermentació d'àcid acètic
Aquesta fermentació està relacionada amb la formació d'àcid acètic (vinagre). Tècnicament, els bacteris de l'àcid acètic com l'Acetobacter aceti converteixen l'etanol en àcid acètic, un procés que requereix oxigen (aeròbic). Per tant, sovint es classifica com a "fermentació" a la indústria alimentària, tot i que es diferencia de la fermentació anaeròbica pura.
Exemple d'aplicació:
– Vinagre de sidra de poma, vinagre d'arròs i diversos tipus de vinagre.
4. Fermentació del butirat i altres
Alguns bacteris, com ara els Clostridium, poden produir àcid butíric, àcid acètic, butanol, acetona i gas. Aquests processos són importants en l'ecologia microbiana i també poden contribuir al deteriorament de certs aliments quan no són desitjables.
Microorganismes que tenen un paper en la fermentació
La fermentació implica diversos grups de microorganismes, com ara:
– Bacteris de l'àcid làctic: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus.
– Llevat: Saccharomyces, Candida (en algunes fermentacions tradicionals).
– Floridura: Rhizopus oligosporus al tempeh, Aspergillus oryzae a la salsa de soja i al miso. La floridura sovint juga un paper en la descomposició de molècules complexes mitjançant enzims, facilitant així la fermentació posterior per part de bacteris o llevats.
En molts productes tradicionals, la fermentació no la duu a terme un sol microorganisme, sinó una comunitat de microbis. Les seves interaccions produeixen sabors i qualitats distintius. Per exemple, en la iuca fermentada (cinta), el floridura i el llevat descomponen el midó i produeixen alcohol, mentre que certs bacteris poden produir àcids que equilibren el sabor.
Factors que afecten l'èxit de la fermentació
L'èxit de la fermentació depèn en gran mesura de les condicions ambientals i del control del procés. Els factors clau inclouen:
1. Temperatura
Cada microorganisme té una temperatura òptima. El iogurt, per exemple, generalment fermenta a temperatures càlides, mentre que la fermentació de les verdures pot ocórrer a temperatures ambient més baixes. Una temperatura massa alta pot matar els microbis, mentre que una temperatura massa baixa alenteix el procés.
2. pH (acidesa)
El pH afecta l'activitat enzimàtica i el creixement microbià. Els bacteris de l'àcid làctic tendeixen a baixar el pH, cosa que ajuda a conservar els productes.
3. Disponibilitat d'oxigen
La fermentació d'alcohol i àcid làctic generalment requereix condicions anaeròbiques o de baix contingut d'oxigen. Per contra, la formació d'àcid acètic requereix oxigen.
4. Concentració de sal i sucre
La sal pot inhibir els microbis que causen la deterioració i seleccionar certs microbis (per exemple, en la fermentació vegetal). El sucre és un substrat clau en moltes fermentacions, però una concentració massa alta pot extreure aigua de les cèl·lules microbianes, cosa que inhibirà el creixement.
5. Neteja i contaminació
La contaminació per microbis no desitjats pot alterar el sabor, reduir la qualitat o fins i tot produir toxines. Per tant, una higiene adequada i l'ús de cultius iniciadors són crucials en la indústria.
6. Temps de fermentació
Una fermentació massa curta pot donar lloc a un producte "inacabat", mentre que massa llarga pot donar lloc a un gust massa àcid, massa alcohòlic o una textura danyada.
Beneficis de la fermentació per als humans
A més de produir productes amb un sabor i aroma distintius, la fermentació també ofereix diversos avantatges:
– Augmentar la vida útil reduint el pH, formant alcohol o compostos antimicrobians.
– Augmentar el valor nutricional, per exemple augmentant la disponibilitat de certes vitamines i descomponent els antinutrients.
– Millora la digestió, especialment en productes que contenen probiòtics com el iogurt.
– Crea noves textures i sabors que no s'aconseguirien només amb la cuina habitual.
Tancament
El procés de fermentació en microorganismes és una estratègia metabòlica que permet a les cèl·lules obtenir energia en condicions limitades d'oxigen alhora que produeixen productes químics que alteren les característiques dels aliments. A través de la glucòlisi i les reaccions posteriors per reciclar NAD⁺, els microorganismes són capaços de sobreviure i prosperar. Per als humans, la fermentació és una tecnologia biològica valuosa, tant per a la producció d'aliments com per a la conservació i el desenvolupament d'aliments funcionals. Comprendre els tipus de fermentació, els microorganismes implicats i els factors que influeixen en el procés ajudarà a produir productes fermentats segurs, d'alta qualitat i consistents.
