Tema 6. Fermentació PDF

Preview

Summary

La fermentació estaria dintre de la mateixa categoria de la respiració aeròbica de Quimiorganoheterotrofs. Utilitza compostos orgànics com a donador i acceptor d’electrons, en aquest cas no hi ha oxigen, que és la gran diferencia entre respirar i fermentar. També s’utilitzarà un compost orgànic com ...

Description

La fermentació estaria dintre de la mateixa categoria de la respiració aeròbica de Quimiorganoheterotrofs. Utilitza compostos orgànics com a donador i acceptor d’electrons, en aquest cas no hi ha oxigen, que és la gran diferencia entre respirar i fermentar. També s’utilitzarà un compost orgànic com a font de carboni. Un altre dels trets característics és que la obtenció d’energia principalment, excepte d’alguns casos concrets, es fa per fosforilació a nivell de substrat, per tant, no hi ha cadenes de transport electrònic. Un compost orgànic, que sol ser sempre un sucre, és oxidat en una primera etapa més llarga en la fermentació. D’aquesta oxidació, per la via de fosforilació a nivell de substrat la cèl·lula aconsegueix ATP. S’arriba a un intermediari, que pot ser el piruvat o un altre, aquests intermediaris, quan la cèl·lula els necessita també poden ser utilitzats com a font de carboni per créixer. El que és típic de la fermentació treien tot lo que hem vist fins ara és que hi ha una segona etapa en la que aquest intermediari oxidat pateix 3 reaccions de reducció. Aquest compost reduït és el que s’excreta i és al final el que dona interès a la fermentació o no. A nivell cel·lular, d’aquestes etapes d’oxidació i de formació d’ATP es genera poder reductor, per tant, la cèl·lula guanya una capacitat de reducció. Part d’aquest poder reductor s’inverteix en aquesta darrera etapa de reducció. Per què les cèl·lules fan aquest pas d’oxidat a reduït? En cas dels facultatius, si tenen oxigen, normalment faran respiració i mineralitzarà el compost orgànic (fins a CO2), però si no hi ha oxigen és una forma d’acabar la catabolització d’aquest substrat generant compostos una mica més reduïts com pot ser l’alcohol o l’àcid làctic que desprès l’excreten. Hi ha dos conceptes de fermentació: - Fermentació, sentit bioquímic: Tipus de metabolisme  entenem per fermentació el metabolisme que té totes característiques que hem explicat ara mateix. - Fermentació, sentit industrial: Creixemenet de microorganismes en bioreactors  La fermentació dels fongs (en realitat no estan fermentant), però veurem que s’utilitza aquest concepte de fermentació ja que

des de molts anys enrere en tots els processos en que intervenia un microorganismes es parlava de que estava fermentant. Podem pensar en els aliments quan pensem en productes fermentats. En les begudes alcohòliques també. Els responsables casi sempre seran els llevats. En el formatge són els bacteris làctics. Els microorganismes que fermenten la carn dels embotits són els bacteri làctics. Els que fermenten les olives són els bacteris làctics també. Els pepinillos estan fermentats per bacteris làctics també. També hi ha les fermentacions d’altres bacteris, com poden ser els clostridis, alguns enterobacteris com E. Coli, que poden generar acetona i isopropanol, com la laca d’ungles.

Taula per tenir-la com a suport de la gran diversitat de fermentacions que tenim, les que més coneixem, la alcohòlica, la làctica, la dels bifidobacteris, la propiònica, l’acidomixta... que dona productes que tenen una aplicació.

En quan a organismes que fan aquesta fermentació hi ha dos grans grups que són els més rellevants, els bacteris làctics i els llevats, però hi ha d’altres, com l’E. Coli, els Clostridis...

Aquesta fermentació té una aplicació molt evident que és la producció de begudes alcohòliques, com ja sabeu, la fermentació alcohòlica habitualment s’associa en llevats Saccharomyces cerevisiae, però no és l’únic llevat que fa aquesta fermentació.

Saccharomyces cerevisiae és un llevat facultatiu, pot fer fermentació o respiració. També té un tipus de regulació d’aquest facultativisme complexa, que és el que ens explica que aquest llevat faci fermentació en presència d’oxigen. El que fa es fermentar i passar aquest sucre en etanol, en el cas de les begudes alcohòliques. En un celler (producció de vi) si que estan tancats, però no hi ha una anaerobiosi estricta, és fa un procés d’oxigenació del vi, però el llevat continua fermentant, encara que té oxigen al medi per poder respirar, això és degut a un fenomen que es diu “Efecte Crabtree”. El que sembla que té lloc és que quan hi ha una concentració de sucres elevada és quan es donaria aquest efecte Crabtree, que el podríem definir com una overflow (vessament, cosa que surt del cabal metabòlic). Quan el llevat té tant de sucre arriba un moment, que per la via de respiració aeròbica, està produint un excés d’ATP del que realment necessita, per tant, sembla ser (s’està estudiant) que en el moment que hi ha aquest desbordament metabòlic on hi ha una gran quantitat de substrat però ja no el necessita per produir ATP, llavors hi ha aquest canvi de respirar a fermentar. El que passa a nivell bioquímic és que l’acetil CoA sintetasa baixaria la seva activitat, no deixant entrar els substrats al cicle de krebs i llavors derivaria a l’oxidació dels sucres cap a la fermentació. No obstant, com vam dir, sempre s’ha d’oxigenar, ja que els llevats necessiten l’oxigen per la síntesi d’esterols de membrana.

Saccharomyces cerevisiae és el llevat que principalment duu a terme aquesta fermentació ne begudes derivades de suc de fruites, però que no necessàriament Saccharomyces cerevisiae, hi ha altres especies que de forma natural també es desenvolupen en l’aplicació industrial. S’intenta estudiar la utilització d’altres especies i no només la de Saccharomyces cerevisiae per tal de millorar les aplicacions que no pot fer aquest llevat i sí que podrien fer uns altres, com poder metabolitzar la fructosa. També s’ha pensat fer híbrids, en Estats Units, Australia o sud Àfrica si que es poden utilitzar, però aquí a Europa està totalment betat. La fermentació alcohòlica bàsicament en les etapes inicials són iguals en quan a la respiració en la utilització dels sucres. En la imatge d’abans tenim a la dreta la glicòlisi, i el que passa és que quan arriben a nivell del piruvat, en lloc d’acabar sent oxidat fins a mineralitzar pels cicle de krebs, el que fan es transformant-lo en etanol. Per tant, és aquesta etapa final la que decideix si fa fermentació o respiració. A partir de la glucosa o la fructosa, el que anomenem sucres fermentables, utilitzarà aquests sucres i en la imatge de dalt a l’esquerra si que es poden veure totes les etapes de fermentació on el piruvat passa després a acetaldehid i finalment en etanol. A partir d’un molt de glucosa, s’obtenen 2 de CO2 i 2 d’etanol.

Aquesta fermentació pot derivar també en alguns productes secundaris com pot ser el glicerol. I en un dels intermediaris fruit de l’oxidació dels sucres s’arriba per una banda a la formació de dihidroxiacetona fosfat i de gliceraldehid 3-fosfat. Amb aquest últim es transforma en piruvat, però la dihidroxiacetona fosfat normalment és convertida en gliceraldehid 3-fosfat i també acaba convertint-se en etanol. No obstant, una petita proporció d’aquest intermediari, acaba convertint-se mitjançant la conversió de dos enzims s’acaba oxidant a glicerol. És importat, ja que el glicerol té un impacte en el producte final. En el cas del glicerol, en els vins, el que passa és que quan baixa el líquid, a les parets queda el glicerol + etanol, un líquid espès més dens  (efecte llàgrima). Abans parlàvem dels llevats del vi, que en aquest cas, S. Cerevisiae és el llevat principal, encara que s’està treballant amb altres espècies, en dissenyar híbrids (soques millorades sense passar per la modificació genètica), però en altres begudes també es poden utilitzar altres llevats, com per exemple en el cas de les cerveses, segons la cervesa

s’utilitza un llevat o un altre (per exemple, S. Pasturianus) i de fet, utilitzar una espècie o una altra, implica que les característiques finals també són molt diferents.

Probablement, la cervesa que prenem es la Lager, és la que és més popular als països del sud d’Europa, la Ale és més consumida als països del nord i països nòrdics. La Lager és la típica cervesa més clareta, no tant consistent, la típica canya i les Ale tenen com una maduració, són una mica més fortes... Una part molt important d’aquesta diferència és el llevat que s’utilitza. Tant la Ale com la Weiss (no tan coneguda) són S. Cerevisiae, però la Lager, que és la més popular és S. Pastorianus. Parlant de la Lager, que és la més popular aquí, S. Pastorianus, aquest tipus de llevat té les característiques de tenir una elevada capacitat de floculació. Una de les maneres d’eliminar residus és la floculació, doncs aquí, aquests llevats també tenen aquesta elevada capacitat de flocular, que vol dir que segregaran entre elles i acabaran sedimentats. Això implica que quedaran al fons del tanc de sedimentació (baixa fermentació). El fet de que quedin a baix fa que la fermentació sigui més lenta. Per les característiques de la espècie es fa a temperatures més baixes on s’allibera també CO2. S. Cerevisiae no flocula tant, la temperatura també és una miqueta més elevada, la fermentació és molt més rigorosa amb la producció de molt CO2 on, per tant, les cèl·lules queden en suspensió i no sedimenten tant. Entre la Ale i el Lager, només per morfologia seria molt difícil distingir-los. La morfologia vista al microscopi és molt diferent si es tracta d’una soca cervesera quan és una soca de laboratori. Quan aquests llevat s’aïllen i es propaguen en el laboratori, de vegades perden propietats de les que tenien originalment. Quan es treballen en aquestes aplicacions, es té molt en compte que les soques que s’utilitzin generin uns productes secundaris que millorin i en cap cas empitjorin el producte final. Quan es treballen les seleccions de microorganismes per fer la fermentació alcohòlica de bacteris làctics per producció de derivats de la llet, per exemple, es tenen en compte, que siguin bons fermentadors (sucres en etanol), però també, que els productes secundaries que es deriven de la fermentació siguin desitjables i que no apareguin aromes que siguin desagradables.

Aquí tenim només com a manera de resum les etapes de fermentació primària, i després, a partir d’aquí, tindríem com evolucionaria aquests productes que tenim, al llarg de l’envelliment o maduració. La línia puntejada són els llevats en suspensió en les etapes de fermentació. També tenim com evolucionen una sèrie de compostos que tenen un impacte immediat en el producte final, com són els alcohol

superiors, es formen a la etapa de fermentació, de forma paral·lela a la fermentació alcohòlica. No solen ser perjudicials i en quant a l’aroma atribueixen al caràcter alcohòlic. Es diuen alcohol superior simplement perquè són molècules més grans que l’etanol. També generen durant la fermentació els esters, els esters també l’alliberen els llevat. Donen lloc a aromes més aviat fruitals (aroma a plàtan). També hi ha altres productes que es produeixen però que després es van perden amb el temps, que seria l’acetaldehid (poma verda). El VDK és el diacetil que dona aroma de mantega.

L’aplicació de fermentació alcohòlica en aliments és més coneguda però també s’està treballant molt en altres possibles aplicacions de llevats, en la producció d’etanol com a BIOFUEL. En aquest cas, els països que estan ara mateix invertint més diners en desenvolupar aquests processos són els que disposen de matèria prima en abundància (canya de sucre, molt altres).

Això és una gràfica que compara al 2005 diferents països en quant als milions de litres d’aquest tipus de fuel, comparant el bioetanol i el biodiesel. Països com EEUU i Brasil són els capdavanters perquè disposen de la matèria prima i de grans extensions de terra on poden cultivar gran extensions de blat de moro o de canya de sucre (matèria prima a un baix cost). En canvi, a Europa, que no tenim les mateixes característiques, doncs s’ha optat més per altres alternatives ecosostenibles com pot ser el boidiesel. No obstant EEUU i Brasil continuen sent capdavanters. Una de les matèries primes que es pot utilitzar el requisit es que tinguin grans quantitats de sucres, en aquest cas el 15%, els

processos que intervindran seran els llevats format l’etanol, també hi haurà tot un procés d’hidròlisis per alliberar els sucres fermentables, després hi ha un procés de destil·lació per concentrar l’etanol al biofuel. Finalment hi haurà una deshidratació per tal de purificar l’etanol. Tot i que tenim més present la fermentació alcohòlica del llevat també existeix la fermentació alcohòlica bacteriana.

No només els llevat poden transformar els sucres en etanol, hi ha alguns bacteris, com Zymomonas mobilis, que s’utilitza en la producció de tequila. El que es fermenta és el suc d’una planta que és l’Ágabe, (Atzavara). Aquest suc es fermenta i el fermenta aquesta espècie de bacteri. La fermentació des de el punt de vista bioquímic és una mica diferent de la del llevat, no són les mateixes reaccions bioquímiques. Aquest fermentat se li anomena el pulque que quan es destil·la dona lloc al tequila. Això no vol dir que en el procés natural de fermentació s’han aïllat llevat, ja que normalment, una cosa son els processos industrial, on està tot controlat, on s’utilitza un cultiu iniciador seleccionat i, per altra banda, la fermentació tradicional, on no hi ha una selecció estricta de soca, i per tant s’aïllen alhora tant bacteris làctics com llevats. A partir de glucosa, per una via metabòlica, que no té res a veure amb la glicòlisi, apareixen tota una sèrie d’intermediaris que són diferents, com pot ser l’àcid fosfogluconic... que acaben convertint-se en piruvat i glicerol 3fosfat, aquest intermediaris donaran lloc a les etapes finals de fermentació alcohòlica que són igual a les de els llevats, on l’etanol és el producte final passant per acetaldehid gràcies al poder reductor, també es forma CO2. Per cada molècula de glucosa obtenim 2 d’etanol. A nivell bacterià, el que canvia dels llevats, és la primera etapa de la via de fermentació, la metabolització del sucre fins arribar a piruvat, l’intermediari comú per formar etanol.

Dintre de la fermentació làctica és important que d’entrada distingim el que d’entrada s’anomena una fermentació homolàctica i la que és una heterolàctica. Els dos tipus són fermentacions làctiques es coneixen com el procés de transformar sucres (glucosa..) en àcid làctic. Els bacteris làctics que es troben en la fermentació homolàctica, tenen com a producte final l’àcid làctic i la heterolàctica, a banda de l’àcid làctic, també poden donar lloc (amb menor proporció) a CO2, etanol i acètic. En un iogurt estàndard, la fermentació seria homolàctica, on la llet (sucres de la llet com la maltosa) es transformarien en àcid làctic, quan la llet qualla es converteix en la textura que té el iogurt. En el cas del Quefir, és una mena de iogurt (llet fermentada) que habitualment es fa d’una forma més casolana i es fan servir bacteris heterolàctics i per tant, en aquest tipus de iogurt es nota el CO2, l’etanol (molt poc) i la sensació àcida del àcid acètic. Especies que fan només fermentació homolàctica per exemple tindríem els Lactococcus o Streptococcus, no obstant, hi ha llevats, que depenent de l’espècie fan un tipus de fermentació o una altra. Llavors, altres que només fan heterolàctica serien el gènere Leuconostoc i Oenococcus. A nivell de metabolisme, la homolàctica permet obtenir una miqueta més d’energia a la cèl·lula que la heterolàctica. La homolàctica permet 2 ATPs per molt de glucosa i la heterolàctica oscil·la entre 1-1,5 ATPs ja que depèn més dels productes secundaris. També tenim un apunt que diu que l’àcid làctic també és producte d’altres fermentacions, no només els bacteris làctics fan la fermentació per produir àcid làctic, els clostridis i els àcido-mixta també la poden fer.

Aquí tenim la filogènia i la classificació dels bacteris làctics. Els bacteris lactics estan dintre d’aquest grup, de baix contingut en G+C. Dintre dels bacteris làctics hi ha tres grups importants. - Enterococcaceae - Lactobacillaceae (grup més important en quant a aplicacions) - Streptococcaceae De forma resumida tenim, en primer lloc, quin és el producte principal de la fermentació làctica, depenent de la espècie genera un isòmer de l’àcid làctic o un altre. En el cas dels lactobacillus poden generar una mescla del D/L, el D o el L només. En altres cassos, només generen un tipus o un altre. Aquests bacteris làctics de forma general els associem a aliments, de on s’aïllen aquests bacteris làctics? Es troben en molts aliments, com pot ser la carn, la llet, els vegetals, els vins... (es pot veure clarament tot això a la taula de dalt). Els Enterococcus es troba a la femta. En el cas dels Streptococcus també hi ha alguns que són patògens. S’utilitzen uns o altres depenent de l’aplicació que tenen. Cal recordar que els bifidobacteris són un grup a banda, tot i que comparteixen algunes semblances en quant al metabolisme, també fan una fermentació que s’assembla molt a la làctica, però no és la mateixa. També, l’origen dels bifidobacteris són del a microbiota intestinal i no dels aliments com passa amb els altres. Després aquests bifidobacteris s’addicionen als iogurts perquè tenen propietats bones per la salut però no s’han de confondre. En la següent pàgina tenim la comparació de lo que seria la fermentació homolàctica i la heterolàctica.

-

-

La homolàctica és força senzilla, bàsicament, el que té lloc és la metabolització de la glucosa per la via de la glicòlisi i després fins a piruvat i el piruvat és transformat al lactat. En principi, el guany net per una molècula de glucosa seria de 2 ATPs i no hi ha aparició de productes secundaris. En el cas de la via heterolàctica només per veure la diferència principal, no hi ha la degradació de la glucosa per la via de la glicòlisi, intervenen uns altres enzims. És una via llarga però si que hem de saber que es tracta d’una via diferent amb uns altres intermediaris, per això porta a que es generin uns productes una mica diferents. La via de degradació de la glucosa s’anomena la ruta de Warbug-Dickens i si que hi ha la etapa incial de la activació del a glucosa però després hi ha una sèrie d’intermediaris diferents. per una banda es genera gliceraldehid 3-fosfat i per altra banda, l’acetil fosfat, i per tant, això és el que pot derivar a la formació o bé a etanol o bé a àcid acètic. En aquesta primera etapa d’oxidació de la glucosa, que són diferents, hi ha una pèrdua de carboni, això explica que es formi el CO2. En principi la formació principal seria la transformació d’aquest gliceraldehid cap a lactat, i si ens fixem, aquesta part si que és comuna entre una via i l’altra. En aquest cas, el guany net d’ATP està entre 1-1,5, considerant que hi hagués una repartició equimolar entre la formació de lactat, etanol i CO2 (1:1:1).

Hi ha una altra fermentació que està associada als bacteris làctics, que és la fermentació acetoïna-diacetil. Insisteixo, macarrones, això vull que us quedi clar, sinó hem veniu a preguntar. Els bacteris làctics, depenent de si són homofermetnadors o heterofermentadors produiran àcid làctic o a més etanol, CO2 i acètic. No obstant, si al medi també tenen citrats (llet..), aquests bacteris podran fer un altre tipus de fermentació paral·lelament a la fermentació làctica. Els productes que es generen de la fermentació del citrat tenen un impacte en l’aroma molt important, per això és molt important alhora de produir els productes alimentaris. El citrat, quan és metabolitzar per aquesta via genera un acetat i un oxalacetat, a partir d’aquest últim es genera el piruvat, també pot ser a partir dels sucres i del piruvat es generen diferents intermediaris com són el diacetil, després la acetoïne i finalment el Butandiol. - Sobretot el diacetil és un compost que dona típicament l’aroma de mantega. Aquest diacetil és molt volàtil, per tant, el fet que metabolitzin el citrat a aquests compostos vol dir que tindrà una implicació directa en el producte final, sobretot en els additius, derivats de la llet (llet amb aroma de mantega és positiu). Per contra, el que aparegui un aroma excessiu de mantega en el vi no es gaire positiu. Per tant, depenent del producte amb que estiguem treballant, es potenciaran soques que tinguin aquesta via molt activa o al contrari. - Tant la acetoïne com el butandiol tenen també un ...