Процес ферментације код микроорганизама
Ферментација је један од најважнијих биолошких процеса које микроорганизми спроводе ради добијања енергије. Људи користе овај процес хиљадама година, много пре него што је концепт микробиологије научно препознат. Различити прехрамбени производи и пића попут темпеха, јогурта, хлеба, ферментисане касаве, соја соса, кимчија, па чак и алкохолних пића, резултат су ферментације. Иза ових разноврсних производа лежи метаболички механизам микроорганизама који претварају органске материјале - посебно угљене хидрате - у једноставнија једињења, уз ослобађање енергије. Овај чланак разматра дефиницију ферментације, фазе процеса, врсте ферментације, укључене микроорганизме и факторе који утичу на успех ферментације.
Разумевање ферментације
Генерално, ферментација је процес разградње органских једињења (нпр. глукозе) на једноставнија једињења уз помоћ микроорганизама или ензима које они производе. У контексту микробиологије, ферментација се обично одвија у одсуству кисеоника (анаеробно) или у условима веома ограниченог кисеоника. Примарна сврха ферментације за микроорганизме је да производе енергију у облику АТП-а (аденозин трифосфата) како би могли да преживе, расту и размножавају се.
За разлику од аеробног дисања, које производи више енергије, ферментација производи мање. Међутим, ферментација је важна стратегија адаптације за микроорганизме у срединама сиромашним кисеоником, као што су тесто за хлеб, складиштено млеко или затворена биљна ткива.
Основе метаболизма ферментације
Да бисмо разумели ферментацију код микроорганизама, важно је разумети како ћелије производе енергију. Укратко, ферментација почиње гликолизом, разградњом глукозе на два молекула пирувата. Гликолиза производи малу количину АТП-а и носача електрона НАДХ. У аеробним условима, НАДХ се реоксидује кроз ланац транспорта електрона, са кисеоником као коначним акцептором електрона. Међутим, током ферментације, кисеоник није доступан, па ћелије морају пронаћи други начин да „рециклирају“ НАДХ у НАД⁺ како би наставиле гликолизу.
Ту долази до изражаја ферментација: пируват или његови деривати ће прихватити електроне од NADH, чиме ће се регенерисати NAD⁺. Са доступним NAD⁺, гликолиза може да се настави и АТП се производи, иако у ограниченим количинама.
Опште фазе процеса ферментације
Иако се врсте ферментације разликују, ферментација код микроорганизама генерално укључује следеће фазе:
1. Припрема подлоге
Примарни супстрат за ферментацију су обично угљени хидрати (глукоза, сахароза, малтоза, лактоза), али може потицати и од скроба или целулозе, који се прво разлажу ензимима. У производњи темпеха, на пример, сојин протеин и угљени хидрати се разлажу ензимима плесни. У производњи траке, скроб у касави или глутинозном пиринчу се претвара у једноставне шећере помоћу ензима квасца.
2. Гликолиза
Глукоза се разлаже у пируват у цитоплазми ћелије. Ова фаза производи нето енергетски принос од 2 АТП-а по молекулу глукозе и НАДХ.
3. Редукција пирувата (или његових деривата)
Пируват се затим претвара у крајње производе ферментације, као што су млечна киселина или етанол. У овој фази, NADH ослобађа своје електроне, претварајући се назад у NAD⁺.
4. Формирање производа и промене у окружењу
Производи ферментације генерално мењају укус, арому, текстуру и рок трајања хране. Добијена киселина снижава pH вредност, инхибирајући раст микроорганизама који узрокују кварење, док алкохол и угљен-диоксид доприносе препознатљивим карактеристикама ферментисаног хлеба и пића.
Врсте ферментације и примери
1. Ферментација млечне киселине
Ферментација млечне киселине се дешава када се пируват редукује до млечне киселине. Овај процес је уобичајен код бактерија млечне киселине као што су Lactobacillus, Streptococcus и Leuconostoc. Резултат је снажно повећање киселости.
Пример примене:
– Јогурт (углавном који садржи Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus)
– Кимчи и кисели купус (ферментисано поврће помоћу бактерија млечне киселине)
– Кисељење и ферментација одређених риба
– У људском телу, ферментација млечне киселине се такође јавља у мишићима када недостаје кисеоника.
Ферментација млечне киселине може се поделити на:
– Хомоферментативни, производи претежно млечну киселину.
– Хетероферментативни, производи млечну киселину, као и CO₂ и друга једињења попут етанола или сирћетне киселине.
2. Ферментација алкохола
Алкохолну ферментацију генерално врше квасци као што је Saccharomyces cerevisiae. У овом процесу, пируват се претвара у ацеталдехид уз ослобађање CO₂, а затим се ацеталдехид редукује до етанола.
Пример примене:
– Хлеб: CO₂ поспешује нарастање теста, док етанол углавном испарава током печења.
– Пиво, вино и традиционална жестока пића: етанол је главни тражени производ.
– Трака: производи етанол и разне карактеристичне ароме из комбинације квасца и бактеријских микроорганизама.
3. Ферментација сирћетне киселине
Ова ферментација је повезана са стварањем сирћетне киселине (сирћета). Технички, бактерије сирћетне киселине попут Acetobacter aceti претварају етанол у сирћетну киселину, процес који захтева кисеоник (аеробни). Стога се у прехрамбеној индустрији често категорише као „ферментација“, иако се разликује од чисте анаеробне ферментације.
Пример примене:
– Јабуково сирће, пиринчано сирће и разне врсте сирћета.
4. Ферментација бутирата и друго
Неке бактерије, попут клостридијума, могу да производе бутерну киселину, сирћетну киселину, бутанол, ацетон и гас. Ови процеси су важни у микробној екологији и такође могу допринети кварењу одређене хране када је то непожељно.
Микроорганизми који играју улогу у ферментацији
Ферментација укључује различите групе микроорганизама, укључујући:
– Бактерије млечне киселине: лактобацил, лактококус, стрептокок, педиококус.
– Квасац: Saccharomyces, Candida (у неким традиционалним ферментацијама).
– Плесан: Rhizopus oligosporus у темпеху, Aspergillus oryzae у соја сосу и мису. Плесан често игра улогу у разградњи сложених молекула помоћу ензима, чиме се олакшава даља ферментација помоћу бактерија или квасца.
У многим традиционалним производима, ферментацију не врши један микроорганизам, већ заједница микроба. Њихове интеракције производе препознатљиве укусе и квалитете. На пример, у ферментисаној касави (маниоки), плесан и квасац разлажу скроб и производе алкохол, док одређене бактерије могу да производе киселине које уравнотежују укус.
Фактори који утичу на успех ферментације
Успех ферментације у великој мери зависи од услова околине и контроле процеса. Кључни фактори укључују:
1. Температура
Сваки микроорганизам има оптималну температуру. Јогурт, на пример, генерално ферментира на топлим температурама, док ферментација поврћа може да се одвија на нижим собним температурама. Превисока температура може убити микробе, док прениска температура успорава процес.
2. pH (киселост)
pH вредност утиче на активност ензима и раст микроба. Бактерије млечне киселине имају тенденцију да снижавају pH вредност, што помаже у очувању производа.
3. Доступност кисеоника
Алкохолна и млечно-кисела ферментација генерално захтевају анаеробне или услове са ниским садржајем кисеоника. Насупрот томе, за стварање сирћетне киселине потребан је кисеоник.
4. Концентрација соли и шећера
Со може инхибирати микробе који изазивају кварење и селектовати одређене микробе (на пример, у ферментацији поврћа). Шећер је кључни супстрат у многим ферментацијама, али превисока концентрација може извући воду из микробних ћелија, инхибирајући раст.
5. Чистоћа и контаминација
Контаминација нежељеним микробима може погоршати укус, смањити квалитет или чак произвести токсине. Стога су правилна санитација и употреба стартер култура кључни у индустрији.
6. Време ферментације
Прекратка ферментација може резултирати „недовршеним“ производом, док предуга може резултирати превише киселим укусом, превише алкохолним укусом или оштећеном текстуром.
Користи ферментације за људе
Поред производње производа са препознатљивим укусом и аромом, ферментација такође пружа бројне предности:
– Повећајте рок трајања снижавањем pH вредности, формирањем алкохола или антимикробних једињења.
– Повећање нутритивне вредности, на пример повећање доступности одређених витамина и разградња антинутријената.
– Побољшава варење, посебно код производа који садрже пробиотике као што је јогурт.
– Ствара нове текстуре и укусе који се не могу постићи само редовним кувањем.
Пенутуп
Процес ферментације код микроорганизама је метаболичка стратегија која омогућава ћелијама да добију енергију у условима ограниченог кисеоником, док истовремено производе хемијске производе који мењају карактеристике хране. Кроз гликолизу и накнадне реакције рециклирања NAD⁺, микроорганизми су у стању да преживе и напредују. За људе, ферментација је вредна биолошка технологија, како за производњу хране, тако и за конзервацију и за развој функционалне хране. Разумевање врста ферментације, укључених микроорганизама и фактора који утичу на процес помоћи ће у производњи безбедних, висококвалитетних и конзистентних ферментисаних производа.
