Брожение — это метаболический процесс, вызывающий химические изменения органических веществ под действием ферментов . В биохимии ферментация определяется в узком смысле как извлечение энергии из углеводов в отсутствие кислорода, тогда как в производстве продуктов питания она может в более широком смысле относиться к любому процессу, в котором деятельность микроорганизмов приводит к желаемым изменениям в пищевом продукте или напитке. [1] Наука о ферментации известна как зимология .
У микроорганизмов ферментация является основным способом производства аденозинтрифосфата (АТФ) путем анаэробного разложения органических питательных веществ .
Люди использовали ферментацию для производства продуктов питания и напитков со времен неолита . Например, ферментация используется для консервации в процессе, в результате которого образуется молочная кислота , содержащаяся в таких кислых продуктах, как маринованные огурцы , чайный гриб , кимчи и йогурт , а также для производства алкогольных напитков, таких как вино и пиво . См. Ферментация в пищевой промышленности . Ферментация также происходит в желудочно-кишечном тракте всех животных, включая человека. [2]
Промышленная ферментация — это более широкий термин [ требуется дальнейшее объяснение ], используемый для обозначения процесса применения микробов в крупномасштабном производстве химикатов, биотоплива , ферментов, белков и фармацевтических препаратов.
Ниже приведены некоторые определения ферментации, начиная от неформальных, общих и заканчивая более научными определениями. [3]
Слово «фермент» происходит от латинского глагола « fervere» , что означает «кипятить». Считается, что впервые он был использован в алхимии в конце 14 века , но только в широком смысле. В современном научном смысле он не использовался примерно до 1600 года .
Наряду с аэробным дыханием , ферментация является методом извлечения энергии из молекул. Этот метод — единственный, общий для всех бактерий и эукариот . Поэтому он считается старейшим метаболическим путем , подходящим для первобытной среды обитания – до появления растительной жизни на Земле, то есть до появления кислорода в атмосфере. [4] : 389 Ник Лейн критикует это предложение, поскольку количество энергии, выделяемой при ферментации, невелико, что не может привести к термодинамической движущей силе пребиотической химии. Ферменты, участвующие в ферментации, которые кодируются генами, не могли существовать во времена пребиотической химии. Кроме того, он отмечает, что различия между процессами ферментации у архей и бактерий указывают на то, что ферментация, вероятно, возникла позже, развиваясь независимо у обоих типов примитивной жизни. [5]
Дрожжи , форма гриба , встречаются практически в любой среде, способной поддерживать микробы, от кожуры фруктов до кишок насекомых и млекопитающих и глубокого океана. Дрожжи преобразуют (расщепляют) молекулы, богатые сахаром, с образованием этанола и углекислого газа. [6] [7]
Основные механизмы ферментации сохраняются во всех клетках высших организмов. В мышцах млекопитающих происходит ферментация в периоды интенсивных физических упражнений, когда поступление кислорода становится ограниченным, что приводит к образованию молочной кислоты . [8] :63 У беспозвоночных в результате ферментации также образуются сукцинат и аланин . [9] : 141
Ферментативные бактерии играют важную роль в производстве метана в средах обитания, начиная от рубца крупного рогатого скота и заканчивая варочными котлами и пресноводными отложениями. Они производят водород, углекислый газ, формиат , ацетат и карбоновые кислоты . Затем консорциумы микробов преобразуют углекислый газ и ацетат в метан. Ацетогенные бактерии окисляют кислоты, получая больше ацетата и либо водорода, либо формиата. Наконец, метаногены (в домене Archea ) превращают ацетат в метан. [10]
При ферментации восстановленная форма никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) реагирует с эндогенным органическим акцептором электронов . [12] Обычно это пируват, образующийся из сахара в результате гликолиза . В результате реакции образуется окисленный НАД + и органический продукт, типичными примерами которого являются этанол , молочная кислота и газообразный водород (H2 ) , а также часто также углекислый газ . Однако путем ферментации можно получить более экзотические соединения, такие как масляная кислота и ацетон . Продукты брожения считаются отходами, поскольку их дальнейший метаболизм без использования кислорода невозможен. [ нужна цитата ]
Ферментация обычно происходит в анаэробной среде . В присутствии O 2 НАДН и пируват используются для образования аденозинтрифосфата (АТФ) при дыхании . Это называется окислительным фосфорилированием . При этом генерируется гораздо больше АТФ, чем только при гликолизе. По этой причине ферментация редко используется при наличии кислорода. Однако даже при наличии большого количества кислорода некоторые штаммы дрожжей , такие как Saccharomyces cerevisiae, предпочитают ферментацию аэробному дыханию , пока имеется достаточное количество сахаров (феномен, известный как эффект Крэбтри ). [13] В некоторых процессах ферментации участвуют облигатные анаэробы , которые не переносят кислород. [ нужна цитата ]
Хотя дрожжи осуществляют ферментацию при производстве этанола в пиве , вине и других алкогольных напитках, это не единственный возможный агент: ферментацию при производстве ксантановой камеди осуществляют бактерии . [ нужна цитата ]
При ферментации этанола одна молекула глюкозы превращается в две молекулы этанола и две молекулы углекислого газа (CO 2 ). [14] [15] Его используют для поднятия хлебного теста: углекислый газ образует пузырьки, превращая тесто в пену. [16] [17] Этанол является опьяняющим веществом в алкогольных напитках, таких как вино, пиво и ликер. [18] Ферментация сырья, включая сахарный тростник , кукурузу и сахарную свеклу , приводит к образованию этанола, который добавляется в бензин . [19] Некоторым видам рыб, включая золотую рыбку и карпа , он обеспечивает энергию при нехватке кислорода (наряду с ферментацией молочной кислоты). [20]
Перед ферментацией молекула глюкозы распадается на две молекулы пирувата ( гликолиз ). Энергия этой экзотермической реакции используется для связывания неорганических фосфатов с АДФ, который превращает его в АТФ, и превращает НАД + в НАДН. Пируваты распадаются на две молекулы ацетальдегида и выделяют две молекулы углекислого газа в качестве отходов. Ацетальдегид восстанавливается до этанола с использованием энергии и водорода НАДН, а НАДН окисляется до НАД +, так что цикл может повториться. Реакцию катализируют ферменты пируватдекарбоксилаза и алкогольдегидрогеназа. [14]
История этанола как топлива насчитывает несколько столетий и отмечена рядом важных вех. Сэмюэл Мори, американский изобретатель, был первым, кто произвел этанол путем ферментации кукурузы в 1826 году. Однако только во время золотой лихорадки в Калифорнии в 1850-х годах этанол впервые был использован в качестве топлива в Соединенных Штатах. Рудольф Дизель продемонстрировал свой двигатель, который мог работать на растительных маслах и этаноле, в 1895 году, но широкое использование дизельных двигателей на основе нефти сделало этанол менее популярным в качестве топлива. В 1970-х годах нефтяной кризис возобновил интерес к этанолу, и Бразилия стала лидером по производству и использованию этанола. Соединенные Штаты начали производить этанол в больших масштабах в 1980-х и 1990-х годах в качестве топливной добавки к бензину в соответствии с правительственными постановлениями. Сегодня этанол продолжает изучаться как устойчивый и возобновляемый источник топлива, а исследователи разрабатывают новые технологии и источники биомассы для его производства.
Гомолактическое брожение (с образованием только молочной кислоты) — самый простой тип брожения. Пируват в результате гликолиза [21] подвергается простой окислительно-восстановительной реакции, образуя молочную кислоту . [22] [23] В целом, одна молекула глюкозы (или любого шестиуглеродного сахара) превращается в две молекулы молочной кислоты:
Это происходит в мышцах животных, когда им требуется энергия быстрее, чем кровь может снабжать кислородом. Это также встречается у некоторых видов бактерий (например, лактобактерий ) и некоторых грибов . Это тип бактерий, которые превращают лактозу в молочную кислоту в йогурте , придавая ему кислый вкус. Эти молочнокислые бактерии могут осуществлять либо гомолактическое брожение , при котором конечным продуктом является в основном молочная кислота, либо гетеромолочное брожение , при котором некоторое количество лактата далее метаболизируется до этанола и углекислого газа [22] (через путь фосфокетолазы ), ацетата или других веществ. продукты метаболизма, например:
Если лактоза ферментируется (как в йогуртах и сырах), она сначала превращается в глюкозу и галактозу (оба шестиуглеродных сахара с одинаковой атомной формулой):
Гетеролактическое брожение в некотором смысле является промежуточным между молочнокислым брожением и другими видами, например спиртовым брожением . Причины пойти дальше и преобразовать молочную кислоту во что-то другое включают в себя:
Газообразный водород производится во многих видах ферментации как способ регенерации НАД + из НАДН. Электроны передаются ферредоксину , который, в свою очередь, окисляется гидрогеназой , образуя H 2 . [14] Газообразный водород является субстратом для метаногенов и сульфатредукторов , которые поддерживают низкую концентрацию водорода и способствуют образованию такого богатого энергией соединения, [24] но, тем не менее, может образовываться газообразный водород в довольно высокой концентрации, как во флатусе . [ нужна цитата ]
Например, Clostridium Pasteurianum ферментирует глюкозу до бутирата , ацетата , углекислого газа и газообразного водорода: [25] Реакция, приводящая к ацетату:
Другие типы ферментации включают смешанную кислотную ферментацию , бутандиоловую ферментацию , бутиратную ферментацию , капроатную ферментацию, ацетон-бутанол-этанольную ферментацию и глиоксилатную ферментацию. [ нужна цитата ]
В пищевой и промышленной сфере любую химическую модификацию, выполняемую живым существом в контролируемом контейнере, можно назвать «ферментацией». Следующие процессы не подпадают под биохимический смысл, но называются ферментацией в более широком смысле:
Ферментацию можно использовать для получения альтернативных источников белка. Его обычно используют для модификации существующих белковых продуктов, в том числе растительных, таких как соя, в более ароматные формы, такие как темпе и ферментированный тофу .
Более современная «ферментация» производит рекомбинантный белок , который помогает производить аналог мяса , заменитель молока , аналоги сыра и заменители яиц . Некоторые примеры: [26]
Гемовые белки , такие как миоглобин и гемоглобин, придают мясу характерную текстуру, вкус, цвет и аромат. Ингредиенты миоглобин и леггемоглобин можно использовать для воспроизведения этого свойства, несмотря на то, что они получены из чана, а не из мяса. [26] [27]
Для производства ферментов можно использовать промышленную ферментацию , при которой микроорганизмы производят и секретируют белки с каталитической активностью. Развитие процессов ферментации, инженерии микробных штаммов и технологий рекомбинантных генов позволило коммерциализировать широкий спектр ферментов. Ферменты используются во всех отраслях промышленности, таких как пищевая промышленность (удаление лактозы, вкус сыра), напитки (обработка соков), выпечка (мягкость хлеба, кондиционирование теста), корма для животных, моющие средства (удаление белковых, крахмальных и липидных пятен), текстильная промышленность, средства личной гигиены и целлюлозно-бумажная промышленность. [28]
В большинстве случаев промышленной ферментации используются периодические процессы или периодические процессы с подпиткой, хотя непрерывная ферментация может быть более экономичной, если можно решить различные проблемы, особенно трудности поддержания стерильности. [29]
В периодическом процессе все ингредиенты объединяются, и реакции протекают без какого-либо дополнительного вмешательства. Периодическое брожение использовалось на протяжении тысячелетий для изготовления хлеба и алкогольных напитков, и это до сих пор распространенный метод, особенно когда процесс недостаточно изучен. [30] : 1 Однако это может быть дорого, поскольку между партиями ферментер необходимо стерилизовать паром под высоким давлением. [29] Строго говоря, часто добавляют небольшие количества химикатов для контроля pH или подавления пенообразования. [30] : 25
Периодическая ферментация проходит ряд этапов. Существует лаг-фаза, во время которой клетки приспосабливаются к окружающей среде; затем наступает фаза экспоненциального роста. Как только многие питательные вещества израсходованы, рост замедляется и становится неэкспоненциальным, но производство вторичных метаболитов (включая коммерчески важные антибиотики и ферменты) ускоряется. Это продолжается в течение стационарной фазы после того, как большая часть питательных веществ израсходована, а затем клетки умирают. [30] : 25
Периодическое брожение с подпиткой — это вариант периодического брожения, при котором некоторые ингредиенты добавляются во время ферментации. Это позволяет лучше контролировать этапы процесса. В частности, производство вторичных метаболитов можно увеличить, добавив ограниченное количество питательных веществ во время фазы неэкспоненциального роста. Пакетные операции ФРС часто располагаются между пакетными операциями. [30] : 1 [31]
Высоких затрат на стерилизацию ферментера между партиями можно избежать, используя различные подходы к открытой ферментации, которые способны противостоять загрязнению. Один из них — использовать естественно развившуюся смешанную культуру. Это особенно предпочтительно при очистке сточных вод, поскольку смешанное население может адаптироваться к широкому спектру отходов. Термофильные бактерии могут производить молочную кислоту при температуре около 50 °С, что достаточно для предотвращения микробного загрязнения; а этанол производился при температуре 70 °C. Это чуть ниже точки кипения (78 ° C), что облегчает экстракцию. Галофильные бактерии могут производить биопластики в гиперсоленых условиях. Твердофазная ферментация добавляет небольшое количество воды к твердому субстрату; он широко используется в пищевой промышленности для производства ароматизаторов, ферментов и органических кислот. [29]
При непрерывной ферментации субстраты добавляются, а конечные продукты непрерывно удаляются. [29] Существует три разновидности: хемостаты , которые поддерживают постоянный уровень питательных веществ; турбидостаты , поддерживающие постоянную массу клеток; и реакторы с поршневым потоком , в которых культуральная среда равномерно течет через трубку, в то время как клетки рециркулируются от выхода к входу. [31] Если процесс работает хорошо, поток сырья и сточных вод обеспечивается стабильно, а затраты на повторную настройку партии можно избежать. Кроме того, он может продлить фазу экспоненциального роста и избежать побочных продуктов, которые ингибируют реакции, путем их постоянного удаления. Однако трудно поддерживать устойчивое состояние и избегать загрязнения, а конструкция имеет тенденцию быть сложной. [29] Обычно ферментер должен работать более 500 часов, чтобы быть более экономичным, чем процессоры периодического действия. [31]
Использование ферментации, особенно для напитков , существовало со времен неолита и было задокументировано в период от 7000 до 6600 г. до н.э. в Цзяху , Китай , [32] 5000 г. до н.э. в Индии , Аюрведа упоминает множество лечебных вин, 6000 г. до н.э. в Грузии, [33] ] 3150 г. до н.э. в древнем Египте , [34] 3000 г. до н.э. в Вавилоне , [35] 2000 г. до н.э. в доиспанской Мексике, [35] и 1500 г. до н.э. в Судане . [36] Ферментированные продукты имеют религиозное значение в иудаизме и христианстве . Балтийскому богу Ругутису поклонялись как проводнику брожения. [37] [38]
В алхимии брожение («гниение») символизировалось Козерогом . ♑︎ .
В 1837 году Шарль Каньяр де ла Тур , Теодор Шванн и Фридрих Трауготт Кютцинг независимо друг от друга опубликовали работы, в которых в результате микроскопических исследований пришел к выводу, что дрожжи — это живой организм, размножающийся почкованием . [39] [40] : 6 Шванн кипятил виноградный сок, чтобы убить дрожжи, и обнаружил, что брожения не произойдет, пока не будут добавлены новые дрожжи. Однако многие химики, в том числе Антуан Лавуазье , продолжали рассматривать ферментацию как простую химическую реакцию и отвергали идею о том, что в ней могут участвовать живые организмы. Это рассматривалось как возврат к витализму и высмеивалось в анонимной публикации Юстуса фон Либиха и Фридриха Велера . [4] : 108–109.
Поворотный момент наступил, когда Луи Пастер (1822–1895) в 1850-х и 1860-х годах повторил эксперименты Шванна и в серии исследований показал, что брожение инициируется живыми организмами. [23] [40] : 6 В 1857 году Пастер показал, что молочнокислое брожение вызывается живыми организмами. [41] В 1860 году он продемонстрировал, как бактерии вызывают скисание молока — процесс, который раньше считался просто химическим изменением. Его работа по выявлению роли микроорганизмов в порче пищевых продуктов привела к процессу пастеризации . [42]
В 1877 году, работая над улучшением французской пивоваренной промышленности , Пастер опубликовал свою знаменитую статью о брожении « Этюды сюр ла Бьер », которая в 1879 году была переведена на английский язык как «Исследования по брожению». [43] Он определил ферментацию (неправильно) как «Жизнь без воздуха», [44] однако он правильно показал, как определенные типы микроорганизмов вызывают определенные типы ферментации и определенные конечные продукты. [ нужна цитата ]
Хотя доказательство того, что ферментация возникает в результате действия живых микроорганизмов, было прорывом, оно не объяснило основную природу ферментации; и при этом не было доказано, что оно вызвано микроорганизмами, которые, по-видимому, всегда присутствуют. Многие ученые, в том числе Пастер, безуспешно пытались извлечь фермент брожения из дрожжей . [44]
Успех пришел в 1897 году, когда немецкий химик Эдуард Бюхнер измельчил дрожжи, извлек из них сок, а затем, к своему изумлению, обнаружил, что эта «мертвая» жидкость сбраживает раствор сахара, образуя углекислый газ и спирт, подобно живым дрожжам. [45]
Считается, что результаты Бюхнера ознаменовали рождение биохимии. «Неорганизованные ферменты» вели себя так же, как и организованные. С этого времени термин «фермент» стал применяться ко всем ферментам. Тогда стало понятно, что ферментация вызывается ферментами, вырабатываемыми микроорганизмами. [46] В 1907 году Бюхнер получил Нобелевскую премию по химии за свою работу. [47]
Достижения в области микробиологии и технологии ферментации неуклонно продолжаются до настоящего времени. Например, в 1930-х годах было обнаружено, что микроорганизмы могут мутировать с помощью физических и химических обработок, чтобы стать более урожайными, более быстрорастущими, толерантными к меньшему количеству кислорода и способными использовать более концентрированную среду. [48] [49] Также развивались отбор штаммов и гибридизация , влияющие на большинство современных пищевых ферментаций. [ нужна цитата ]
Область ферментации имеет решающее значение для производства широкого спектра потребительских товаров, от продуктов питания и напитков до промышленных химикатов и фармацевтических препаратов. С самого начала в древних цивилизациях использование ферментации продолжало развиваться и расширяться, а новые методы и технологии способствовали повышению качества продукции, урожайности и эффективности. В период, начиная с 1930-х годов, произошел ряд значительных достижений в технологии ферментации, включая разработку новых процессов производства дорогостоящих продуктов, таких как антибиотики и ферменты, возрастающее значение ферментации в производстве сыпучих химикатов, а также растущий интерес к использование ферментации для производства функциональных продуктов питания и нутрицевтиков.
В 1950-х и 1960-х годах были разработаны новые технологии ферментации, такие как использование иммобилизованных клеток и ферментов, которые позволили более точно контролировать процессы ферментации и увеличить производство ценных продуктов, таких как антибиотики и ферменты. В 1970-х и 1980-х годах ферментация становилась все более важной в производстве сыпучих химикатов, таких как этанол, молочная кислота и лимонная кислота. Это привело к разработке новых методов ферментации и использованию генно-инженерных микроорганизмов для повышения урожайности и снижения производственных затрат. В 1990-х и 2000-х годах рос интерес к использованию ферментации для производства функциональных продуктов питания и нутрицевтиков, которые имеют потенциальную пользу для здоровья, помимо основного питания. Это привело к разработке новых процессов ферментации и использованию пробиотиков и других функциональных ингредиентов.
В целом, начиная с 1930 года, наблюдался значительный прогресс в использовании ферментации в промышленных целях, что привело к производству широкого спектра ферментированных продуктов, которые сейчас потребляются во всем мире.
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )