Процес на ферментација кај микроорганизми
Ферментацијата е еден од најважните биолошки процеси што ги спроведуваат микроорганизмите за добивање енергија. Овој процес го користат луѓето илјадници години, долго пред концептот на микробиологија да биде научно признаен. Различни прехранбени производи и пијалоци како што се темпе, јогурт, леб, ферментирана касава, соја сос, кимчи, па дури и алкохолни пијалоци се резултат на ферментација. Зад овие разновидни производи лежи метаболичкиот механизам на микроорганизмите кои ги претвораат органските материјали - особено јаглехидратите - во поедноставни соединенија, со ослободување на енергија. Оваа статија ја дискутира дефиницијата за ферментација, фазите на процесот, видовите на ферментација, вклучените микроорганизми и факторите што влијаат на успехот на ферментацијата.
Разбирање на ферментацијата
Општо земено, ферментацијата е процес на разградување на органски соединенија (на пр., гликоза) во поедноставни соединенија со помош на микроорганизми или ензими што ги произведуваат. Во контекст на микробиологијата, ферментацијата обично се случува во отсуство на кислород (анаеробна) или под услови на многу ограничен кислород. Примарната цел на ферментацијата за микроорганизмите е да произведат енергија во форма на ATP (аденозин трифосфат) за да можат да преживеат, растат и се размножуваат.
За разлика од аеробното дишење, кое произведува повеќе енергија, ферментацијата произведува помалку. Сепак, ферментацијата е важна стратегија за адаптација за микроорганизмите во средини сиромашни со кислород, како што се тестото за леб, складираното млеко или затворените растителни ткива.
Основи на метаболизмот на ферментацијата
За да се разбере ферментацијата кај микроорганизмите, важно е да се разбере како клетките произведуваат енергија. Накратко, ферментацијата започнува со гликолиза, разградување на гликозата во два молекули на пируват. Гликолизата произведува мала количина на ATP и електронскиот носач NADH. Под аеробни услови, NADH се реоксидира преку синџирот на транспорт на електрони, со кислород како последен акцептор на електрони. Сепак, при ферментацијата, кислородот не е достапен, па затоа клетките мора да најдат друг начин да го „рециклираат“ NADH во NAD⁺ за да продолжат со гликолизата.
Тука доаѓа до израз ферментацијата: пируватот или неговите деривати ќе прифатат електрони од NADH, со што ќе го регенерираат NAD⁺. Со достапност на NAD⁺, гликолизата може да продолжи и да се произведува ATP, иако во ограничени количини.
Општи фази на процесот на ферментација
Иако видовите на ферментација се разликуваат, генерално ферментацијата кај микроорганизмите ги вклучува следните фази:
1. Подготовка на подлогата
Примарниот ферментациски супстрат обично се јаглехидрати (гликоза, сахароза, малтоза, лактоза), но може да потекнува и од скроб или целулоза, кои прво се разградуваат од ензими. На пример, во производството на темпе, протеините од соја и јаглехидратите се разградуваат од ензими на мувла. Во производството на ленти, скробот во касавата или лепливиот ориз се претвора во едноставни шеќери од ензими на квасецот.
2. Гликолиза
Гликозата се разградува на пируват во цитоплазмата на клетката. Оваа фаза произведува нето принос на енергија од 2 ATP по молекула на гликоза и NADH.
3. Редукција на пируват (или негови деривати)
Пируватот потоа се претвора во крајни производи на ферментација, како што се млечна киселина или етанол. Во оваа фаза, NADH ги ослободува своите електрони, претворајќи се назад во NAD⁺.
4. Формирање на производ и промени во животната средина
Производите за ферментација генерално го менуваат вкусот, аромата, текстурата и рокот на траење на храната. Добиената киселина ја намалува pH вредноста, инхибирајќи го растот на микроорганизмите што предизвикуваат расипување, додека алкохолот и јаглерод диоксидот придонесуваат за карактеристичните карактеристики на ферментираниот леб и пијалоци.
Видови на ферментација и примери
1. Ферментација со млечна киселина
Ферментацијата на млечна киселина се јавува кога пируватот се редуцира до млечна киселина. Овој процес е чест кај млечнокиселинските бактерии како што се Lactobacillus, Streptococcus и Leuconostoc. Резултатот е силно зголемување на киселоста.
Пример за апликација:
– Јогурт (генерално содржи Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus)
– Кимчи и кисела зелка (ферментиран зеленчук од млечнокиселински бактерии)
– Маринирање и ферментација на одредени риби
– Во човечкото тело, ферментацијата на млечна киселина се јавува и во мускулите кога има недостаток на кислород.
Ферментацијата на млечна киселина може да се подели на:
– Хомоферментативен, произведува претежно млечна киселина.
– Хетероферментативен, произведува млечна киселина, како и CO₂ и други соединенија како што се етанол или оцетна киселина.
2. Алкохолна ферментација
Ферментацијата на алкохол генерално се врши од квасец како што е Saccharomyces cerevisiae. Во овој процес, пируватот се претвора во ацеталдехид додека се ослободува CO₂, а потоа ацеталдехидот се редуцира во етанол.
Пример за апликација:
– Леб: CO₂ го прави тестото да нарасне, додека етанолот најчесто испарува за време на печењето.
– Пиво, вино и традиционални жестоки пијалоци: етанолот е главниот посакуван производ.
– Лента: произведува етанол и разни карактеристични ароми од комбинација на квасец и бактериски микроорганизми.
3. Ферментација со оцетна киселина
Оваа ферментација е поврзана со формирање на оцетна киселина (оцет). Технички, бактериите на оцетна киселина како Acetobacter aceti го претвораат етанолот во оцетна киселина, процес кој бара кислород (аеробен). Затоа, често се категоризира како „ферментација“ во прехранбената индустрија, иако се разликува од чистата анаеробна ферментација.
Пример за апликација:
– Јаболков оцет, оризов оцет и разни видови оцет.
4. Ферментација на бутират и други
Некои бактерии, како што е Clostridium, можат да произведат бутерна киселина, оцетна киселина, бутанол, ацетон и гас. Овие процеси се важни во микробната екологија и можат да придонесат за расипување на одредени видови храна кога се непожелни.
Микроорганизми кои играат улога во ферментацијата
Ферментацијата вклучува различни групи на микроорганизми, вклучувајќи:
– Млечнокиселински бактерии: Lactobacillus, Lactococcus, Streptococcus, Pediococcus.
– Квасец: Saccharomyces, Candida (во некои традиционални ферментации).
– Мувла: Rhizopus oligosporus во темпе, Aspergillus oryzae во соја сос и мисо. Мувлата често игра улога во разградувањето на сложените молекули преку ензими, со што се олеснува понатамошната ферментација од бактерии или квасец.
Кај многу традиционални производи, ферментацијата не ја врши еден микроорганизам, туку заедница на микроби. Нивните интеракции создаваат препознатливи вкусови и квалитети. На пример, кај ферментираната касава (лента), мувлата и квасецот го разградуваат скробот и произведуваат алкохол, додека одредени бактерии можат да произведуваат киселини кои го балансираат вкусот.
Фактори што влијаат на успехот на ферментацијата
Успехот на ферментацијата во голема мера зависи од условите на животната средина и контролата на процесот. Клучните фактори вклучуваат:
1. Температура
Секој микроорганизам има оптимална температура. Јогуртот, на пример, генерално ферментира на топли температури, додека ферментацијата на зеленчукот може да се случи на пониски собни температури. Превисоката температура може да ги убие микробите, додека прениската температура го забавува процесот.
2. pH (киселост)
pH вредноста влијае на ензимската активност и растот на микробите. Млечнокиселинските бактерии имаат тенденција да ја намалат pH вредноста, со што помагаат во зачувувањето на производите.
3. Достапност на кислород
Ферментацијата на алкохол и млечна киселина генерално бара анаеробни услови или услови со ниска содржина на кислород. Обратно, формирањето на оцетна киселина бара кислород.
4. Концентрација на сол и шеќер
Солта може да ги инхибира микробите што предизвикуваат расипување и да селектира одредени микроби (на пример, во ферментацијата на зеленчук). Шеќерот е клучен супстрат во многу ферментации, но превисоката концентрација може да ја повлече водата од микробните клетки, инхибирајќи го растот.
5. Чистота и контаминација
Контаминацијата со несакани микроби може да го наруши вкусот, да го намали квалитетот, па дури и да произведе токсини. Затоа, соодветната санитација и употребата на стартер култури се од клучно значење во индустријата.
6. Време на ферментација
Премногу кратката ферментација може да резултира со „незавршен“ производ, додека предолгата може да резултира со премногу кисел, премногу алкохолен вкус или оштетена текстура.
Придобивки од ферментацијата за луѓето
Освен што произведува производи со препознатлив вкус и арома, ферментацијата нуди и голем број придобивки:
– Зголемете го рокот на траење со намалување на pH вредноста, формирање алкохол или антимикробни соединенија.
– Зголемување на хранливата вредност, на пример зголемување на достапноста на одредени витамини и разградување на антинутриенти.
– Го подобрува варењето на храната, особено кај производите што содржат пробиотици како што е јогуртот.
– Создава нови текстури и вкусови што не можат да се постигнат само со редовно готвење.
Затворање
Процесот на ферментација кај микроорганизмите е метаболичка стратегија што им овозможува на клетките да добиваат енергија под услови ограничени со кислород, додека произведуваат хемиски производи што ги менуваат карактеристиките на храната. Преку гликолиза и последователни реакции за рециклирање на NAD⁺, микроорганизмите се способни да преживеат и да напредуваат. За луѓето, ферментацијата е вредна биолошка технологија, како за производство на храна, така и за зачувување и за развој на функционална храна. Разбирањето на видовите на ферментација, вклучените микроорганизми и факторите што влијаат на процесот ќе помогне во производство на безбедни, висококвалитетни и конзистентни ферментирани производи.
