Na czym polega fermentacja?

Fermentacja to proces przemiany organicznych związków chemicznych przy udziale mikroorganizmów, takich jak bakterie, drożdże czy pleśnie. Kluczową cechą tego procesu jest fakt, iż odbywa się on bez udziału tlenu (beztlenowy). Niektóre jego typy mogą jednak zachodzić w warunkach tlenowych. W jego trakcie mikroorganizmy przekształcają substancje, takie jak cukry, na inne związki – np. kwas mlekowy, alkohol etylowy czy dwutlenek węgla.

Rodzaje

Fermentacja jako proces biochemiczny przybiera różne formy w zależności od rodzaju mikroorganizmów zaangażowanych w przemiany chemiczne. Istnieje kilka głównych typów, które różnią się nie tylko produktami końcowymi, ale również metodą przeprowadzania reakcji. Są nimi fermentacja:

1. Alkoholowa – to proces, w którym drożdże (głównie z rodzaju Saccharomyces) przekształcają cukry (zwykle glukozę) w alkohol etylowy i dwutlenek węgla. Jest to proces zachodzący przy braku dostępu tlenu, tj. beztlenowy. Fermentacja alkoholowa jest ważnym elementem produkcji napojów alkoholowych, takich jak wino, piwo, cydr czy inne napoje fermentowane. Zjawisko to znajduje również zastosowanie w produkcji niektórych produktów spożywczych, np. chleba. Tutaj dwutlenek węgla uwalnia się w postaci pęcherzyków, powodując, że ciasto rośnie.
2. Mlekowa – w jej trakcie bakterie kwasu mlekowego (zebrane w rodzinie Lactobacteriaceae) przekształcają cukry (głównie laktozę) w kwas mlekowy. Ta forma fermentowania jest powszechna w przemyśle spożywczym, zwłaszcza do produkcji produktów mlecznych takich jak jogurty, kefiry, maślanka oraz różne rodzaje serów. Fermentacja mlekowa ma także ogromne znaczenie w produkcji kiszonek, takich jak ogórki czy kapusta. Proces ten nie tylko wpływa na smak i konsystencję tych produktów. Wpływa także na ich wartość odżywczą, ponieważ wiele poddanych mu produktów mlekowych zawiera probiotyki, które wspierają zdrowie układu pokarmowego.
3. Masłowa – zachodzi pod wpływem bakterii masłowych (np. Clostridium butyricum), przekształcających cukry w kwas masłowy. Ta forma na tle innych jest stosunkowo rzadka w przemyśle spożywczym, znajduje jednak szerokie zastosowanie w biotechnologii. W fermentacji masłowej powstaje również dwutlenek węgla oraz inne substancje, które mogą być wykorzystywane do produkcji biogazu. Choć nie jest popularna w produkcji żywności, to jej zastosowanie w przemyśle biotechnologicznym i energetycznym staje się coraz bardziej powszechne.
4. Octowa – jest procesem, w którym bakterie kwasu octowego (Acetobacter) przekształcają alkohol (najczęściej etanol) w kwas octowy. Jest to reakcja, która zachodzi przy udziale tlenu, jest to więc proces tlenowy. Fermentacja tego typu jest kluczowym etapem w produkcji octu spożywczego, zarówno winnego, jak i jabłkowego. Jest także stosowana w niektórych produktach, jak ocet balsamiczny, który ma szerokie zastosowanie w kuchni.

Jak przebiega fermentacja?

Cały proces związany z fermentowaniem jest złożony i zachodzi w kilku etapach. Są one wspólne dla wszystkich jego rodzajów, ale różnią się w szczegółach w zależności od typu mikroorganizmów i produktów końcowych.

Pierwszym krokiem jest przygotowanie substratu, w którym mikroorganizmy będą działać. W zależności od rodzaju fermentacji może to być zacier (w przypadku alkoholowej), mleko (mlekowa) lub sok owocowy. Substrat musi zawierać cukry, które stanowią główne źródło energii dla mikroorganizmów. Często przed rozpoczęciem samego procesu, substrat jest odpowiednio przygotowywany, np. przez gotowanie lub oczyszczanie.

Następny jest rozkład sacharydów. W tym etapie mikroorganizmy rozkładają cukry na prostsze związki chemiczne. Zaczynają od procesu glikolizy, który jest wspólny dla wszystkich typów fermentacji. Glikoliza to szereg reakcji biochemicznych, w których cząsteczka glukozy (C6H12O6) zostaje rozbita na dwie cząsteczki pirogronianu (C3H4O3). Jednoczesnym wytwarzane są niewielkie ilości energii w postaci ATP (adenozynotrifosforanu). Produktami tego etapu są pirogronian oraz energia. Ilość tej energii jest jednak znacznie mniejsza niż w procesach tlenowych (np. oddychanie komórkowe).

Kolejny etap, którym jest przemiana pirogronianu, zależy od rodzaju mikroorganizmów i warunków, w jakich proces zachodzi. Pirogronian, powstały w wyniku glikolizy, przechodzi w różnych mikroorganizmów różne przemiany, zależnie od rodzaju fermentacji:

• W alkoholowej drożdże przekształcają pirogronian w alkohol etylowy (etanol) i dwutlenek węgla (CO2). Ten etap jest kluczowy w produkcji napojów alkoholowych, takich jak wino, piwo, czy cydr.
• W mlekowej pirogronian przekształca się w kwas mlekowy, proces ten zachodzi w bakteriach kwasu mlekowego. Jest to etap fundamentalny w produkcji jogurtów, kefirów oraz kiszonych produktów spożywczych, jak ogórki czy kapusta.
• W masłowej pirogronian przekształcany jest w kwas masłowy przez bakterie masłowe (np. Clostridium butyricum), co jest stosowane głównie w biotechnologii i produkcji biogazu.
• W octowej pirogronian lub alkohol etylowy jest przekształcany w kwas octowy, co jest kluczowe w produkcji octu.

Na każdym etapie fermentacji mikroorganizmy uzyskują energię, która jest im niezbędna do przeżycia i dalszej działalności. Choć proces ten pozwala na wytworzenie tylko niewielkiej ilości energii w porównaniu do oddychania tlenowego, jest ona dla mikroorganizmów wystarczająca, aby mogły one przetrwać w warunkach beztlenowych. Produkcja energii jest często wystarczająca do dalszej działalności metabolicznej organizmów, takich jak rozmnażanie czy aktywność enzymatyczna.

Zastosowania fermentacji

Fermentacja ma szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, szczególnie w przemyśle spożywczym, biotechnologii, rolnictwie oraz ochronie środowiska.

W przemyśle spożywczym proces ten jest kluczowy w produkcji wielu produktów, takich jak pieczywo, napoje alkoholowe, kiszonki oraz nabiał. W przypadku pieczenia chleba drożdże, wykorzystujące fermentację alkoholową, umożliwiają wyrastanie ciasta, podczas gdy bakterie kwasu mlekowego wytwarzają jogurty, kefiry i sery. Kiszonki, jak kapusta czy kimchi, również powstają dzięki fermentowaniu mlekowemu, która poprawia ich smak i wartość odżywczą.

W biotechnologii fermentowanie jest wykorzystywana do produkcji cennych substancji, takich jak antybiotyki, hormony, aminokwasy i biopaliwa, w tym bioetanol. To sprawia, że proces ten ma niemałe znaczenie w produkcji bardziej ekologicznych źródeł energii, wspierających walkę ze zmianami klimatycznymi.

W rolnictwie fermentacja jest kluczowa w produkcji pasz, zwłaszcza kiszonek, które stanowią wartościowe źródło paszy dla zwierząt. Poprawia ona strawność i wartość energetyczną tych pasz, co ma znaczenie w hodowli zwierząt.

Ochrona środowiska także korzysta z procesów fermentacyjnych. W wariancie beztlenowym są stosowane w oczyszczaniu ścieków i produkcji biogazu, który stanowi ekologiczne źródło energii. W ten sposób przyczyniają się do redukcji zanieczyszczeń i wspiera odnawialne źródła energii.