Fermentacje w przemyśle spożywczym.

Liczne bakterie i niektóre grzyby mikroskopowe posiadają zdolność do przeprowadzania procesu utleniania; nazywanego fermentacją. W fermentacji substrat oddechowy zostaje rozbity i przekształcony, po czy jeden produkt ulega utlenianiu, a drugi redukcji. W przebiegu fermentacji wyzwala się tylko część energii, jaka uwalniałaby się w oddychaniu tlenowym. Energia jest odkładana w ATP, a ten ostatni tworzy się w drodze fosforyzacji substratowej. Wyjątkowo fermentacje mogą przebiegać bez wykorzystania fosforyzacji substratowej, kiedy ATP powstaje kosztem energii pompy wodorowej lub sodowej. Wydajność energetyczna fermentacji jest kilkanaście razy mniejsza niż bez oddychania tlenowego. Do uzyskania tej samej ilości energii, co w oddychaniu tlenowym, w czasie fermentacji bakteria musi zużyć wiele razy większą ilość substratu. Produktem fermentacji, oprócz energii zmagazynowanej w ATP, są związki organiczne bardziej zredukowane niż substrat i bardziej utlenione. Bakterie fermentując, modyfikują silne środowisko, zużywając dużo substratu i gromadząc wiele ilości produktów końcowych. Produkty te, są w większości związkami organicznymi, mogą służyć jako źródło węgla i energii dla innych bakterii. Przy dużych stężeniach substratu i dominacji bakterii fermentujących dochodzi do kumulacji produktów zwłaszcza kwasów i gazów.

W fermentacjach przebiegających z udziałem glikozy można wyróżnić trzy typy przemian pirogronianu. Jeden typ prezentuje homofermentacja mlekowa, w której trójwęglowy łańcuch kwasu pirogronowego nie ulega rozbiciu. Drugi spotykamy w fermentacji alkoholowej, gdzie zachodzi zależna od fosforanu tiaminy dekarboksylacja pirogronianu. Trzeci jest związany z tioklastycznym rozbiciem kwasu pirogronowego. ATP w tych fermentacjach powstaje wyłącznie przez fosforyzację substratową. Fermentacja jest od tysięcy lat głównym sposobem zabezpieczania żywności przed psuciem. Mikroorganizmy biorące udział w fermentacji powodują zmiany chemiczne i fizyczne w wyniku, których powstających produkt może być znacznie dłużej przechowywany. Dzięki fermentacji żywność uzyskuje nowy smak i zapach.

FERMENTACJA OCTOWA
Enzymatyczny proces utleniania alkoholu etylowego do kwasu octowego, katalizowana przez enzymy wytwarzane głównie przez bakterie octowe. Zachodzi także proces uboczny podczas innych przemian fermentacyjnych. Fermentacja octowa jest podstawowym procesem w przemysłowej produkcji octu.
Fermentacja octowa
Fermentacja octowa polega na utlenianiu alkoholu etylenowego do kwasu octowego:
CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O + 490 kJ (118 kcal)
Różne gatunki bakterii octowych wykazują mniejsze lub większe zdolności dalszego utleniania kwasu octowego zgodnie z równaniem:
CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O + wolna energia
Zjawisko to, zwane nadoksydacją, jest wysoce niepożądane w praktyce przemysłowej. W zasadzie bakterie wywołują dopiero wówczas, gdy zostanie wyczerpany alkohol etylowy w podłożu.

Szkodliwe działanie bakterii octowych w przemyśle spożywczym
· Bakterie octowe mogą powodować wiele wad w gotowym piwie lub winie, wywołując zmętnienie, kwaśnienie, zapach octu, kożuch na powierzchni.
· Mogą one także powodować psucia się marynat owocowych i warzywnych, tworząc kożuch na powierzchni i obniżając kwasowość środowiska.
· Bakterie octowe powodują również zakłócenia w produkcji drożdży piekarskich, ponieważ brzeczka melasowa jest dobrym środowiskiem do ich rozwoju.


FERMENTACJA MLEKOWA

Zachodzi ona w komórkach bakterii, głównie z rodzaju lactobacillus i streptococcus, u pasożytów wewnętrznych oraz w komórkach intensywnie pracujących mięśni w warunkach deficytu tlenowego. Podczas dużego wysiłku fizycznego w mięśniach powstaje kwas mlekowy. Jest on silnie toksyczny i powoduje objawy zmęczenia mięśni. Jego przemiany polegają na tym, że jest transportowany przez krew z mięśni do wątroby, gdzie ulega przemianie w glukozę w procesie glukoneogenezy. Z kolei glukoza transportowana jest przez krew do mięśni, gdzie wykorzystywana jest jako substrat oddechowy. Gdy spada zapotrzebowanie na glukozę jest ona zamieniana w wyniku kondensacji glikogen w procesie glikogenogenezy. W razie potrzeby, przy spadku stężenia glukozy we krwi glikogen jest rozkładany do glukozy i uwalniany do krwi w procesie glikogenolizy. W czasie fermentacji mlekowej następuje redukcja kwasu pirogronowego do kwasu mlekowego. Czynnikiem redukującym jest H2 z NADH2. Zachodzi tu restykucja, czyli odzyskanie NAD (koenzym przenoszący protony i elektrony uwolnione w różnych reakcjach biochemicznych, na enzymy łańcucha oddechowego), który wykorzystywany jest z powrotem do glikolizy, ponieważ jest niezbędny do jej pośrednich etapów. Końcowym produktem jest kwas mlekowy - CH3CHOHCOOH
ogólny zapis fermentacji mlekowej:

C6H12O6+2ADP+2Pi->2CH3CHOHCOOH+2ATP

C6H12O6-glukoza

ADP-adenozynodifosforan; cząsteczka złożona z adeniny, rybozy i dwóch reszt fosforanowych; zawiera jedno wiązanie wysokoenergetyczne; w wyniku przyłączenia grupy fosforanowej do cząsteczki ADP tworzy się cząsteczka ATP(energia)
Pi-ortofosforan; reszta kwasu fosforowego; przyłączenie grupy fosforanowej do cząsteczki (fosforylacja) ma duże znaczenie biologiczne np. fosforylacja cząsteczki białka; grupy fosforanowe występują również w nukleotydach; w cząsteczce ATP pomiędzy grupami fosforanowymi znajdują się wiązania wysokoenergetyczne
Fermentacja przeprowadzana przez bakterie mlekowe odgrywa istotną rolę w życiu człowieka, ponieważ powoduje kwaśnienie mleka, kwaszenie kapusty i ogórków. Dlatego też ma ona zastosowanie w produkcji kiszonek i w mleczarstwie.
Fermentację mlekową można podzielić na dwa typy:
· Fermentację właściwą; wywoływaną przez bakterie mlekowe
· Fermentacją niewłaściwą; wywoływaną przez różne rodzaje bakterii, np. Escherichia, Micrococcus, Microbacterium, licznie rozpowszechnione w przyrodzie.
Właściwa fermentacja mlekowa jest wywoływana przez bakterie mlekowe homofermentatywne. Jej przebieg można przedstawić za pomocą następującego równania sumarycznego:
C6H12O6 → 2CH3 • CHOH • COOH + 94 kJ (22,5 kcal)
Bakterie właściwej fermentacji mlekowej fermentują przede wszystkim cukry proste (heksozy) i dwucukry, a nie fermentują z reguły pentoz oraz cukrów złożonych.
Fermentacja wywołana przez bakterie pseudomlekowe charakteryzuje się tym, że kwas mlekowy jest tylko jednym z produktów, a ponadto powstaje tlenek węgla IV, kwas octowy, alkohol etylowy i inne.
Zastosowanie fermentacji mlekowej w przemyśle spożywczym
· W mleczarstwie; Prowadzi się hodowlę grzybków kefirowych. Są one używane do produkcji kefiru. W skład tych grzybków wchodzą paciorkowce mlekowe homofermentatywne, pałeczki mlekowe heterofermentatywne oraz drożdże. Wymienione drobnoustroje żyją w symbiozie. Bakterie mlekowe stosuje się w mleczarstwie jeszcze do produkcji takich napojów jak: mleko ukwaszone (zsiadłe), kefir, jogurt, mleko jogurtowe, mleko acidofilne i inne.
· Do ukwaszania śmietanki spożywczej
· Do ukwaszania śmietanki przeznaczonej do produkcji masła
· Do dojrzewania serów podpuszczkowych
· Do ukwaszania mleka przeznaczonego do produkcji serów twarogowych
· Bakterie mlekowe biorą udział w kwaszeniu kapusty, ogórków oraz innych warzyw. Kwaszenie polega głównie na fermentacji mlekowej. Celem tego zabiegu jest przetwarzanie surowców roślinnych w artykuły smaczne i zdrowe, a jednocześnie zakonserwowanie tych produktów na stosunkowo długi okres. Czynnikiem konserwującym jest kwas mlekowy. Fermentacja ta jest typowym zjawiskiem metabiozy, czyli rozwoju jednej grupy drobnoustrojów po drugiej. W pierwszym etapie rozwijają się bakterie niewłaściwej fermentacji mlekowej, które zakwaszają środowisko i stwarzają z kolei lepsze warunki do rozwoju bakterii właściwej fermentacji mlekowej. Najpierw rozwijają się paciorkowce, a potem pałeczki. Po zakończonej fermentacji powierzchnia powinna być zabezpieczona przed dostępem powietrz, w innym razie rozwiną się drożdże i grzyby pleśniowe. Ich działalność zmniejszy kwasowość środowiska i umożliwi działalność bakteriom gnilnym.
· W przemyśle mięsnym; Biorą udział w przemianach mikrobiologicznych zachodzących w wędlinach surowych (metka, salami) podczas ich produkcji i przechowywania. Bakterie te oprócz bakterii denitryfikacyjnych współuczestniczą w kształtowaniu barwy, konsystencji, smakowitości i zapachu wędlin surowych.
· W przemyśle piekarskim; wchodzą w skład zakwasów chlebowych. Wywołując fermentację mlekową zakwaszają one ciasto żytnie, co nadaje mu charakterystyczny smak i zapach, a poza tym przez zakwaszenie środowiska uniemożliwia rozwój bakterii gnilnych. W zakwasach występują pałeczki homo- i heterofermentatywne.
Szkodliwe działanie bakterii mlekowych w przemyśle spożywczym
· Do bakterii mlekowych szkodliwych w przemyśle mleczarskim należą: niektóre bakterie właściwej fermentacji mlekowej, jak np.:
v Odmiana paciorkowca mlekowego, który wytwarza dużo śluzu, powodując ciągliwość mleka.
v Pałeczki okrężnicy, wywołujące różne wady mleka (oborowy smak i zapach, porozrywany skrzep), wczesne wzdęcia serów, wady masła (gorzki smak, oborowy zapach).
· Bakterie mlekowe są również niepożądane we wszystkich przemysłach opartych na fermentacji alkoholowej, a więc w przemyśle gorzelniczym, piwowarskim i winiarskim. Bakterie mlekowe heterofermentatywne wytwarzają różne produkty uboczne, które wpływają hamująco na drożdże. Bakterie te wywołują wiele wad piwa, takich jak: zmętnienie, kwaśnienie i inne. Bakterie mlekowe mogą rozwijać się też w leżakujących winach. Zamieniają one kwas cytrynowy i jabłkowy na kwas mlekowy i tlenek węgla IV
· Heterofermentatywne paciorkowce (Leuconostoc mesenteroides) są przyczyną śluzowacenia soków dyfuzyjnych w cukrownictwie.
· Bakterie mlekowe są też szkodnikami w przemyśle drożdżowym. Jeżeli rozwiną się one w znacznym stopniu w czasie produkcji drożdży, to powodują one obniżenie siły pędnej drożdży oraz zahamowanie ich rozwoju.
· Są też przyczyną śluzowacenia oranżad.


FERMENTACJA ALKOHOLOWA
Etanolowa fermentacja, enzymatyczny proces beztlenowego rozkładu sacharydów na alkohol etylowy i dwutlenek węgla, dostarczającym różnym drobnoustrojom i roślinom energii magazynowanej w postaci kwasu –adenozynotrifosforowego (ATP). Fermentacja alkoholowa przeprowadzana jest przez drożdże jest wykorzystywana do produkcji napojów alkoholowych, przy wypieku ciasta. Fermentacja alkoholowa zachodzi także w komórkach drożdży, w mięsistych, dużych owocach, w nasionach okrytych twardą łupiną i w korzeniach, jeśli jest dużo wody w glebie. Zachodzi ona w korzeniach roślin bagiennych np. ryż oraz w korzeniach roślin zalanych wiosna przez wodę.
Należy pamiętać, że drożdże są względnymi beztlenowcami, tzn. w obecności tlenu fermentacja zostaje zahamowana i drożdże zaczynają oddychać tlenowo. Proces glikolizy w fermentacji alkoholowej przebiega podobnie jak w oddychaniu tlenowym - do wytworzenia pirogronianu. Następnie pirogronian nie wchodzi w cykl Krebsa, ale ulega dekarboksylacji na aldehyd octowy, do którego przyłącza się wodór odłączony od aldehydu trój-fosfo-glicerynowego w procesie glikolizy. W ten sposób powstaje alkohol etylowy.
Ogólny zapis fermentacji alkoholowej:

C6H12O6+2ADP+2Pi->2C2H5OH+2ATP+2CO2

C6H12O6-glukoza

ADP-adenozynodifosforan
Pi-ortofosforan
C2H5OH-alkohol etylowy (etanol)
ATP-energia
CO2-dwutlenek węgla
Fermentacja alkoholowa jest wykorzystywana w piwowarstwie, winiarstwie, gorzelnictwie, kandyzowaniu owoców, produkcji drożdży oraz pieczywa.

FERMENTACJA MASŁOWA

Jest to beztlenowy proces enzymatycznego rozkładu sacharydów na kwas masłowy, dwutlenek węgla i wodór.
Produktami tej fermentacji są również: kwas octowy, kwas bursztynowy i etanol. Zachodzi ona w komórkach bakterii Clostridium. Przeprowadzają ją także pierwotniaki u przeżuwaczy. Fermentacja masłowa jest rozpowszechniona w przyrodzie, m.in. następuje rozkład resztek roślinnych np. w zbiornikach wodnych, bagnach. Fermentacja masłowa jest podstawą przemysłu produkcji kwasu masłowego oraz bierze udział w procesie roszenia łodyg roślin włóknodajnych jak: len, konopie.

Fermentacja masłowa przebiega zgodnie z równaniem:
C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2 + 2H2 + wolna energia
Oprócz kwasu masłowego powstają również liczne produkty uboczne, np. kwas octowy, alkohol metylowy, metan, aceton, alkohol butylowy. Przebieg fermentacji zależy od gatunku bakterii i odczynu środowiska. W środowisku obojętnym głównym produktem jest kwas masłowy, a w środowisku kwaśnym te same bakterie wywołują fermentacje acetobutanolową. Są też gatunki bakterii masłowych, które redukują aceton to alkoholu izopropylowego. Bakterie masłowe odgrywają ważną rolę w procesie moczenia łodyg lnu i konopi, ponieważ umożliwiają, na skutek fermentacji błonnika, oddzielenie włókien przędnych od tkanki korowej i zdrewniałej.
Szkodliwa rola bakterii masłowych w przemyśle spożywczym
· Wyrządzają liczne szkody w: mleczarstwie i przetwórstwie owocowo – warzywnym.
· Wywołują bombaże konserw pod wpływem wytwarzanych gazów (CO2 i H2). Produkty takie mają bardzo nieprzyjemny zapach i nie nadają się do spożycia.
· Rozwój ich w zacierze gorzelniczym hamuje działalność drożdży. Fermentacja masłowa często zachodzi w przecierach zbożowych, natomiast rzadko w zacierach ziemniaczanych.


FERMENTACJA ACETONOWO- BUTANOLOWA- jest odmianą fermentacji masłowej, wywoływana przez niektóre Clostridium (C. Acetobutylicum, C. Butylicum) jest fermentacja acetonowo- butanolowa, podczas której powstaje częściowo zamiast kwasu masłowego- butanol, a zamiast octowego- aceton. Początkowo fermentacja ta ma przebieg identyczny z fermentacją masłową. Gdy wytworzone kwasy obniżą pH środowiska do 4,5 , fermentacja zmienia przebieg i zamiast kwasów powstają związki obojętne- butanol i aceton. Fermentacja acetono - butanolowa znajduje ograniczone zastosowanie w produkcji acetonu i butanolu.


FERMENTACJA PROPIONOWA
Bakterie fermentacji propionowej są to gramododatnie, nie przetrwalnikowe i nieruchliwe pałeczki, wytwarzające katalizę, o mniejszych niż bakterie mlekowe wymaganiach pokarmowych. Występują głównie w środowisku jelitowym, ale można spotkać je w glebie, w produktach mlecznych zwłaszcza w serach.

Bakterie propionowe:
Bakterie propionowe należą do rodzaju Propinobacterium. Charakteryzują się one następującymi się następującymi cechami:
· W warunkach beztlenowych są to krótkie, drobne pałeczki podobne do paciorkowców mlekowych
· W warunkach tlenowych lub w środowisku zakwaszonych przybierają kształt bardziej wydłużonych, wykazując skłonność do przechodzenia w formy nieprawidłowe
· Są względnymi beztlenowcami
· Są mezofilami
· Nie tworzą przetrwalników
· Są nieruchome
· Są Gram – dodatnie
· Tworzą z mleczanów albo cukrów prostych kwas propionowy, octowy, tlenek węgla IV i wodę.
Bakterie te mają szczególne znaczenie w przemyśle mleczarskim w dojrzewaniu serów podpuszczkowych. Określone gatunki używane są do zakwasów stosowany do wyrobu sera ementalskiego.
Fermentacja ta jest beztlenowym rozkładem kwasu mlekowego (lub cukru) na kwas propionowy i octowy z wydzieleniem tlenku węgla IV i wody:
3CH3CHOH • COOH → 2CH3CH2COOH + CH3COOH + CO2 + H2O + wolna energia
W czasie tej fermentacji powstają również pewne ilości kwasu bursztynowego.

FERMENTACJA CYTRYNOWA
Fermentacja cytrynowa to metoda otrzymywania kwasu cytrynowego z glukozy z wykorzystaniem odpowiednich pleśni.

Równanie sumaryczne fermentacji cytrynowej

3C6H12O6 + 9O2 + pleśnie Aspergillus niger ⇒ 2C6H8O7 + 6CO2 + 10H2O + kcal

Metody produkcji kwasu cytrynowego

Metoda fermentacyjna przewyższa metodę uzyskiwania kwasu cytrynowego z owoców cytrusowych, ponieważ jest tańsza. W metodzie tej wykorzystuje się melasę, będącą produktem ubocznym przemysłu cukrowniczego.

Wytwarzanie kwasu cytrynowego związane jest z okresem głodowania grzyba. Skład pożywki powinien być tak dobrany, aby umożliwić tylko nieznaczny rozwój grzybów a jednocześnie uniemożliwić zarodnikowanie.