Fermentācijas process mikroorganismos
Fermentācija ir viens no svarīgākajiem bioloģiskajiem procesiem, ko mikroorganismi veic enerģijas iegūšanai. Šo procesu cilvēki ir izmantojuši tūkstošiem gadu, ilgi pirms mikrobioloģijas jēdziena zinātniskās atzīšanas. Dažādi pārtikas un dzērienu produkti, piemēram, tempehs, jogurts, maize, fermentēta manioka, sojas mērce, kimči un pat alkoholiskie dzērieni, ir fermentācijas rezultāts. Aiz šiem dažādajiem produktiem slēpjas mikroorganismu metabolisma mehānisms, kas organiskās vielas, īpaši ogļhidrātus, pārvērš vienkāršākos savienojumos, atbrīvojot enerģiju. Šajā rakstā ir aplūkota fermentācijas definīcija, procesa posmi, fermentācijas veidi, iesaistītie mikroorganismi un faktori, kas ietekmē fermentācijas panākumus.
Fermentācijas izpratne
Kopumā fermentācija ir organisko savienojumu (piemēram, glikozes) sadalīšanas process vienkāršākos savienojumos ar mikroorganismu vai to ražoto enzīmu palīdzību. Mikrobioloģijas kontekstā fermentācija parasti notiek bez skābekļa (anaerobā) vai ļoti ierobežota skābekļa apstākļos. Mikroorganismu fermentācijas galvenais mērķis ir ražot enerģiju ATP (adenozīna trifosfāta) veidā, lai tie varētu izdzīvot, augt un vairoties.
Atšķirībā no aerobās elpošanas, kas rada vairāk enerģijas, fermentācija rada mazāk. Tomēr fermentācija ir svarīga mikroorganismu adaptācijas stratēģija vidē ar skābekli nabadzīgā vidē, piemēram, maizes mīklā, uzglabātā pienā vai slēgtos augu audos.
Fermentācijas metabolisma pamati
Lai izprastu fermentāciju mikroorganismos, ir svarīgi saprast, kā šūnas ražo enerģiju. Īsumā, fermentācija sākas ar glikolīzi — glikozes sadalīšanos divās piruvāta molekulās. Glikolīze rada nelielu daudzumu ATP un elektronu nesēju NADH. Aerobos apstākļos NADH tiek reoksidēts caur elektronu transporta ķēdi, skābeklim darbojoties kā pēdējam elektronu akceptoram. Tomēr fermentācijas laikā skābeklis nav pieejams, tāpēc šūnām jāatrod cits veids, kā "pārstrādāt" NADH par NAD⁺, lai turpinātu glikolīzi.
Šeit sākas fermentācija: piruvāts vai tā atvasinājumi pieņems elektronus no NADH, tādējādi reģenerējot NAD⁺. Ja NAD⁺ ir pieejams, glikolīze var turpināties un ATP var tikt ražots, kaut arī ierobežotā daudzumā.
Fermentācijas procesa vispārīgie posmi
Lai gan fermentācijas veidi atšķiras, kopumā fermentācija mikroorganismos ietver šādus posmus:
1. Pamatnes sagatavošana
Primārais fermentācijas substrāts parasti ir ogļhidrāti (glikoze, saharoze, maltoze, laktoze), bet tas var nākt arī no cietes vai celulozes, ko vispirms sadala enzīmi. Piemēram, tempeh ražošanā sojas pupiņu olbaltumvielas un ogļhidrātus sadala pelējuma enzīmi. Lentes ražošanā maniokas vai lipīgo rīsu cieti rauga enzīmi pārvērš vienkāršos cukuros.
2. Glikolīze
Šūnas citoplazmā glikoze tiek sadalīta piruvātā. Šajā posmā tiek iegūts 2 ATP tīrais enerģijas daudzums uz vienu glikozes molekulu un NADH.
3. Piruvāta (vai tā atvasinājumu) reducēšana
Pēc tam piruvāts tiek pārveidots par fermentācijas galaproduktiem, piemēram, pienskābi vai etanolu. Šajā posmā NADH atbrīvo savus elektronus, pārvēršoties atpakaļ par NAD⁺.
4. Produkta veidošanās un vides izmaiņas
Fermentācijas produkti parasti maina pārtikas garšu, aromātu, tekstūru un uzglabāšanas laiku. Iegūtā skābe pazemina pH līmeni, kavējot bojājošos mikroorganismu augšanu, savukārt alkohols un oglekļa dioksīds veicina fermentētas maizes un dzērienu raksturīgās īpašības.
Fermentācijas veidi un piemēri
1. Pienskābes fermentācija
Pienskābes fermentācija notiek, kad piruvāts tiek reducēts līdz pienskābei. Šis process ir izplatīts pienskābes baktērijās, piemēram, Lactobacillus, Streptococcus un Leuconostoc. Rezultātā ir spēcīgs skābuma pieaugums.
Pielietojuma piemēri:
– Jogurts (parasti satur Lactobacillus bulgaricus un Streptococcus thermophilus)
– Kimči un skābēti kāposti (ar pienskābes baktērijām fermentēti dārzeņi)
– Dažu zivju marinēšana un fermentācija
– Cilvēka organismā pienskābes fermentācija notiek arī muskuļos, ja trūkst skābekļa.
Pienskābes fermentāciju var iedalīt:
– Homofermentatīvs, galvenokārt ražo pienskābi.
– Heterofermentatīvs, ražojot pienskābi, kā arī CO₂ un citus savienojumus, piemēram, etanolu vai etiķskābi.
2. Alkohola fermentācija
Alkohola fermentāciju parasti veic raugs, piemēram, Saccharomyces cerevisiae. Šajā procesā piruvāts, atbrīvojot CO₂, tiek pārvērsts par acetaldehīdu, pēc tam acetaldehīds tiek reducēts līdz etanolam.
Pielietojuma piemēri:
– Maize: CO₂ liek mīklai uzrūgt, savukārt etanols cepšanas laikā galvenokārt iztvaiko.
– Alus, vīns un tradicionālie stiprie alkoholiskie dzērieni: etanols ir galvenais vēlamais produkts.
– Lente: ražo etanolu un dažādas raksturīgas aromātvielas no rauga un baktēriju mikroorganismu kombinācijas.
3. Etiķskābes fermentācija
Šī fermentācija ir saistīta ar etiķskābes (etiķa) veidošanos. Tehniski etiķskābes baktērijas, piemēram, Acetobacter aceti, pārvērš etanolu etiķskābē, un šim procesam nepieciešams skābeklis (aerobā). Tāpēc pārtikas rūpniecībā to bieži klasificē kā "fermentāciju", lai gan tā atšķiras no tīras anaerobās fermentācijas.
Pielietojuma piemēri:
– Ābolu sidra etiķis, rīsu etiķis un dažādi etiķa veidi.
4. Butirāta fermentācija un citi
Dažas baktērijas, piemēram, Clostridium, var ražot sviestskābi, etiķskābi, butanolu, acetonu un gāzi. Šie procesi ir svarīgi mikrobu ekoloģijā un nevēlamas gadījumā var veicināt arī noteiktu pārtikas produktu bojāšanos.
Mikroorganismi, kas spēlē lomu fermentācijā
Fermentācijā ir iesaistītas dažādas mikroorganismu grupas, tostarp:
– Pienskābes baktērijas: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus.
– Raugs: Saccharomyces, Candida (dažās tradicionālajās fermentācijās).
– Pelējums: Rhizopus oligosporus tempehā, Aspergillus oryzae sojas mērcē un miso. Pelējums bieži vien ar enzīmu palīdzību noārda sarežģītas molekulas, tādējādi veicinot turpmāku fermentāciju ar baktēriju vai rauga palīdzību.
Daudzos tradicionālos produktos fermentāciju neveic viens mikroorganisms, bet gan mikrobu kopiena. To mijiedarbība rada atšķirīgas garšas un īpašības. Piemēram, fermentētā maniokā (lentē) pelējums un raugs sadala cieti un ražo alkoholu, savukārt noteiktas baktērijas var ražot skābes, kas līdzsvaro garšu.
Faktori, kas ietekmē fermentācijas panākumus
Fermentācijas panākumi ir ļoti atkarīgi no vides apstākļiem un procesa kontroles. Galvenie faktori ir šādi:
1. Temperatūra
Katram mikroorganismam ir sava optimālā temperatūra. Piemēram, jogurts parasti fermentējas siltā temperatūrā, savukārt dārzeņu fermentācija var notikt zemākā istabas temperatūrā. Pārāk augsta temperatūra var nogalināt mikrobus, savukārt pārāk zema temperatūra palēnina procesu.
2. pH (skābums)
pH ietekmē fermentu aktivitāti un mikrobu augšanu. Pienskābes baktērijas mēdz pazemināt pH līmeni, tādējādi palīdzot saglabāt produktus.
3. Skābekļa pieejamība
Alkohola un pienskābes fermentācijai parasti nepieciešami anaerobi vai zema skābekļa apstākļi. Turpretī etiķskābes veidošanai nepieciešams skābeklis.
4. Sāls un cukura koncentrācija
Sāls var kavēt bojājošos mikrobus un veicināt noteiktu mikrobu augšanu (piemēram, dārzeņu fermentācijā). Cukurs ir galvenais substrāts daudzās fermentācijās, taču pārāk augsta koncentrācija var atņemt ūdeni mikrobu šūnām, kavējot to augšanu.
5. Tīrība un piesārņojums
Piesārņojums ar nevēlamiem mikrobiem var pasliktināt garšu, samazināt kvalitāti vai pat radīt toksīnus. Tāpēc atbilstoša sanitārija un ieraugu izmantošana šajā nozarē ir ļoti svarīga.
6. Fermentācijas laiks
Pārāk īsa fermentācija var izraisīt “nepabeigtu” produktu, savukārt pārāk ilga fermentācija var izraisīt pārāk skābu, pārāk alkoholisku garšu vai bojātu tekstūru.
Fermentācijas priekšrocības cilvēkiem
Papildus produktu ar atšķirīgu garšu un aromātu ražošanai fermentācija sniedz arī vairākas priekšrocības:
– Palieliniet uzglabāšanas laiku, pazeminot pH līmeni, veidojot spirtu vai pretmikrobu savienojumus.
– Palielināt uzturvērtību, piemēram, palielinot noteiktu vitamīnu pieejamību un noārdot antinutrientus.
– Uzlabo gremošanu, īpaši produktos, kas satur probiotikas, piemēram, jogurtā.
– Rada jaunas tekstūras un garšas, ko nevar panākt tikai ar parastu ēdienu gatavošanu.
Pennutup
Fermentācijas process mikroorganismos ir vielmaiņas stratēģija, kas ļauj šūnām iegūt enerģiju skābekļa ierobežotos apstākļos, vienlaikus ražojot ķīmiskus produktus, kas maina pārtikas īpašības. Izmantojot glikolīzi un sekojošas reakcijas NAD⁺ pārstrādei, mikroorganismi spēj izdzīvot un attīstīties. Cilvēkiem fermentācija ir vērtīga bioloģiska tehnoloģija gan pārtikas ražošanā, gan konservēšanā, gan funkcionālo pārtikas produktu izstrādē. Izpratne par fermentācijas veidiem, iesaistītajiem mikroorganismiem un faktoriem, kas ietekmē procesu, palīdzēs ražot drošus, augstas kvalitātes un viendabīgus fermentētus produktus.
