Fermentationsprozess in Mikroorganismen
Fermentation ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse, mit denen Mikroorganismen Energie gewinnen. Dieser Prozess wird von Menschen seit Jahrtausenden genutzt, lange bevor die Mikrobiologie als wissenschaftliche Disziplin anerkannt wurde. Zahlreiche Lebensmittel und Getränke wie Tempeh, Joghurt, Brot, fermentierte Maniok, Sojasauce, Kimchi und sogar alkoholische Getränke entstehen durch Fermentation. Hinter diesen vielfältigen Produkten steht der Stoffwechselmechanismus von Mikroorganismen, die organische Stoffe – insbesondere Kohlenhydrate – unter Energiegewinnung in einfachere Verbindungen umwandeln. Dieser Artikel behandelt die Definition von Fermentation, die einzelnen Prozessphasen, die verschiedenen Fermentationsarten, die beteiligten Mikroorganismen und die Faktoren, die den Erfolg der Fermentation beeinflussen.
Fermentation verstehen
Fermentation ist allgemein der Prozess, bei dem organische Verbindungen (z. B. Glucose) mithilfe von Mikroorganismen oder deren Enzymen in einfachere Verbindungen umgewandelt werden. In der Mikrobiologie findet Fermentation üblicherweise unter Sauerstoffausschluss (anaerob) oder unter sehr sauerstoffarmen Bedingungen statt. Der Hauptzweck der Fermentation für Mikroorganismen besteht darin, Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) zu gewinnen, um zu überleben, zu wachsen und sich zu vermehren.
Im Gegensatz zur aeroben Atmung, die mehr Energie erzeugt, produziert die Gärung weniger. Dennoch ist die Gärung eine wichtige Anpassungsstrategie für Mikroorganismen in sauerstoffarmen Umgebungen, wie beispielsweise in Brotteig, gelagerter Milch oder eingeschlossenem Pflanzengewebe.
Grundlagen des Gärungsstoffwechsels
Um die Gärung in Mikroorganismen zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie Zellen Energie produzieren. Vereinfacht gesagt, beginnt die Gärung mit der Glykolyse, dem Abbau von Glucose in zwei Pyruvatmoleküle. Die Glykolyse produziert eine geringe Menge ATP und den Elektronenträger NADH. Unter aeroben Bedingungen wird NADH über die Atmungskette mit Sauerstoff als finalem Elektronenakzeptor reoxidiert. Da bei der Gärung jedoch kein Sauerstoff zur Verfügung steht, müssen die Zellen einen anderen Weg finden, NADH zu NAD⁺ zu „recyceln“, um die Glykolyse fortzusetzen.
Hier kommt die Gärung ins Spiel: Pyruvat oder seine Derivate nehmen Elektronen von NADH auf und regenerieren so NAD⁺. Mit verfügbarem NAD⁺ kann die Glykolyse fortgesetzt werden und ATP wird produziert, wenn auch in begrenzten Mengen.
Allgemeine Phasen des Fermentationsprozesses
Obwohl die Arten der Fermentation variieren, umfasst die Fermentation bei Mikroorganismen im Allgemeinen die folgenden Stadien:
1. Substratvorbereitung
Das primäre Fermentationssubstrat sind üblicherweise Kohlenhydrate (Glucose, Saccharose, Maltose, Lactose), es kann aber auch aus Stärke oder Cellulose stammen, die zuvor durch Enzyme aufgespalten werden. Bei der Tempeh-Herstellung beispielsweise werden Sojaprotein und Kohlenhydrate durch Enzyme von Schimmelpilzen abgebaut. Bei der Tape-Herstellung wird die Stärke in Maniok oder Klebreis durch Hefeenzyme in Einfachzucker umgewandelt.
2. Glykolyse
Im Zytoplasma der Zelle wird Glucose zu Pyruvat abgebaut. Dabei werden pro Glucosemolekül netto 2 ATP und NADH als Energie gewonnen.
3. Reduktion von Pyruvat (oder seinen Derivaten)
Pyruvat wird anschließend in Gärungsendprodukte wie Milchsäure oder Ethanol umgewandelt. In diesem Stadium gibt NADH seine Elektronen ab und wird wieder zu NAD⁺.
4. Produktbildung und Umweltveränderungen
Fermentationsprodukte verändern im Allgemeinen Geschmack, Aroma, Textur und Haltbarkeit von Lebensmitteln. Die entstehende Säure senkt den pH-Wert und hemmt so das Wachstum von Verderbniserregern, während Alkohol und Kohlendioxid zu den charakteristischen Eigenschaften von fermentierten Broten und Getränken beitragen.
Arten der Gärung und Beispiele
1. Milchsäuregärung
Die Milchsäuregärung findet statt, wenn Pyruvat zu Milchsäure reduziert wird. Dieser Prozess ist typisch für Milchsäurebakterien wie Lactobacillus, Streptococcus und Leuconostoc. Er führt zu einem starken Anstieg des Säuregehalts.
Anwendungsbeispiel:
– Joghurt (im Allgemeinen unter Verwendung von Lactobacillus bulgaricus und Streptococcus thermophilus)
– Kimchi und Sauerkraut (durch Milchsäurebakterien fermentiertes Gemüse)
– Einlegen und Fermentieren bestimmter Fische
– Im menschlichen Körper findet Milchsäuregärung auch in den Muskeln statt, wenn Sauerstoffmangel herrscht.
Die Milchsäuregärung lässt sich unterteilen in:
– Homofermentativ, produziert überwiegend Milchsäure.
– Heterofermentativ, wobei Milchsäure sowie CO₂ und andere Verbindungen wie Ethanol oder Essigsäure entstehen.
2. Alkoholische Gärung
Die alkoholische Gärung wird im Allgemeinen durch Hefen wie Saccharomyces cerevisiae durchgeführt. Dabei wird Pyruvat unter Freisetzung von CO₂ zu Acetaldehyd umgewandelt, welches anschließend zu Ethanol reduziert wird.
Anwendungsbeispiel:
– Brot: CO₂ lässt den Teig aufgehen, während Ethanol beim Backen größtenteils verdampft.
– Bier, Wein und traditionelle Spirituosen: Ethanol ist das wichtigste begehrte Produkt.
– Tape: produziert Ethanol und verschiedene charakteristische Aromen aus einer Kombination von Hefen und Bakterien.
3. Essigsäuregärung
Diese Gärung steht im Zusammenhang mit der Bildung von Essigsäure (Essig). Genauer gesagt wandeln Essigsäurebakterien wie Acetobacter aceti Ethanol in Essigsäure um – ein Prozess, der Sauerstoff benötigt (aerob). Daher wird er in der Lebensmittelindustrie oft als „Gärung“ bezeichnet, obwohl er sich von rein anaerober Gärung unterscheidet.
Anwendungsbeispiel:
– Apfelessig, Reisessig und verschiedene Essigsorten.
4. Butyratfermentation und andere
Einige Bakterien, wie beispielsweise Clostridium, können Buttersäure, Essigsäure, Butanol, Aceton und Gase produzieren. Diese Prozesse sind wichtig für die mikrobielle Ökologie und können, wenn unerwünscht, zum Verderb bestimmter Lebensmittel beitragen.
Mikroorganismen, die bei der Fermentation eine Rolle spielen
An der Fermentation sind verschiedene Gruppen von Mikroorganismen beteiligt, darunter:
– Milchsäurebakterien: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus.
– Hefe: Saccharomyces, Candida (bei einigen traditionellen Fermentationen).
Schimmelpilze: Rhizopus oligosporus in Tempeh, Aspergillus oryzae in Sojasauce und Miso. Schimmelpilze spielen oft eine Rolle beim Abbau komplexer Moleküle durch Enzyme und erleichtern so die weitere Fermentation durch Bakterien oder Hefen.
Bei vielen traditionellen Produkten erfolgt die Fermentation nicht durch einen einzelnen Mikroorganismus, sondern durch eine Gemeinschaft von Mikroorganismen. Deren Wechselwirkungen erzeugen charakteristische Aromen und Eigenschaften. So spalten beispielsweise Schimmelpilze und Hefen in fermentierter Maniok (Tape) Stärke auf und produzieren Alkohol, während bestimmte Bakterien Säuren bilden, die den Geschmack ausbalancieren.
Faktoren, die den Erfolg der Fermentation beeinflussen
Der Erfolg der Fermentation hängt stark von den Umgebungsbedingungen und der Prozesskontrolle ab. Zu den Schlüsselfaktoren gehören:
1. Suhu
Jeder Mikroorganismus hat eine optimale Temperatur. Joghurt beispielsweise fermentiert im Allgemeinen bei warmen Temperaturen, während die Fermentation von Gemüse auch bei niedrigeren Raumtemperaturen stattfinden kann. Zu hohe Temperaturen können die Mikroorganismen abtöten, zu niedrige Temperaturen verlangsamen den Prozess.
2. pH-Wert (Säuregrad)
pH beeinflussen Enzymaktivität und Wachstum Mikroorganismen. Milchsäurebakterien senken tendenziell den pH-Wert und tragen so zur Konservierung des Produkts bei.
3. Verfügbarkeit von Sauerstoff
Alkoholische und Milchsäuregärung erfordern im Allgemeinen anaerobe oder sauerstoffarme Bedingungen. Die Bildung von Essigsäure hingegen benötigt Sauerstoff.
4. Salz- und Zuckerkonzentration
Salz kann Verderbniserreger hemmen und bestimmte Mikroorganismen fördern (zum Beispiel bei der Gemüsefermentation). Zucker ist ein wichtiges Substrat in vielen Fermentationsprozessen, aber eine zu hohe Konzentration kann den Mikroorganismen Wasser entziehen und so deren Wachstum hemmen.
5. Sauberkeit und Kontamination
Eine Kontamination mit unerwünschten Mikroorganismen kann den Geschmack beeinträchtigen, die Qualität mindern oder sogar zur Bildung von Toxinen führen. Daher sind angemessene Hygiene und die Verwendung von Starterkulturen in der Branche von entscheidender Bedeutung.
6. Gärzeit
Eine zu kurze Gärung kann zu einem „unfertigen“ Produkt führen, während eine zu lange Gärung einen zu sauren oder zu alkoholischen Geschmack oder eine beeinträchtigte Konsistenz zur Folge haben kann.
Vorteile der Fermentation für den Menschen
Neben der Herstellung von Produkten mit unverwechselbarem Geschmack und Aroma bietet die Fermentation auch eine Reihe weiterer Vorteile:
– Verlängerung der Haltbarkeit durch Senkung des pH-Werts, Bildung von Alkohol oder antimikrobiellen Verbindungen.
– Steigerung des Nährwerts, beispielsweise durch Erhöhung der Verfügbarkeit bestimmter Vitamine und Abbau von Antinährstoffen.
– Verbessert die Verdauung, insbesondere bei Produkten, die Probiotika enthalten, wie z. B. Joghurt.
– Erzeugt neue Texturen und Aromen, die mit herkömmlichem Kochen allein nicht erreicht werden können.
Penutup
Die Fermentation in Mikroorganismen ist eine Stoffwechselstrategie, die es Zellen ermöglicht, unter sauerstoffarmen Bedingungen Energie zu gewinnen und gleichzeitig chemische Produkte herzustellen, die die Eigenschaften von Lebensmitteln verändern. Durch Glykolyse und nachfolgende Reaktionen zur Wiederverwertung von NAD⁺ können Mikroorganismen überleben und sich vermehren. Für den Menschen ist die Fermentation eine wertvolle biologische Technologie, sowohl für die Lebensmittelproduktion und -konservierung als auch für die Entwicklung funktioneller Lebensmittel. Das Verständnis der verschiedenen Fermentationsarten, der beteiligten Mikroorganismen und der Einflussfaktoren trägt dazu bei, sichere, qualitativ hochwertige und gleichbleibende Fermentationsprodukte herzustellen.
