Biotechnologia. Temat 1: O fermentacji alkoholowej, mlekowej i ich roli.

Temat 1: O fermentacji alkoholowej, mlekowej i ich roli - biotechnologia tradycyjna. 

Posty dotyczące tematu "Biotechnologia" przybierają formę opracowań i zawierają informacje pochodzące z podręcznika "Biologia na Czasie 1 - poziom podstawowy" dla szkół ponadgimnazjalnych wydawnictwa "Nowa Era"; Wikipedii; Wikibooks (podręcznik do nauki biologii dla liceum); podręczników do biologii wydawnictwa "Operon", podręcznika "Biologia" autorstwa Neil Campbell i Jane Reece. W postach tych starałem się zawrzeć istotę danych zagadnień, jednocześnie posługując się wieloma źródłami wiedzy. Poszczególne zagadnienia zostały wypunktowane w celu ułatwienia nauki. 

Rys historyczny biotechnologii:

Źródło: Ekologia.pl.

Już 6 tysięcy lat przed naszą erą odbywała się produkcja piwa, wina i chleba z wykorzystaniem drożdży przez ludy Sumeryjskie i mieszkańców Babilonu. Sumerowie piwo robili z chleba i wody. Do glinianych naczyń napełnionych wodą wkładano placki chleba uformowanego z wysuszonych ziaren jęczmienia i pszenicy; dodawano przyprawy, miażdżono, dolewano soku z daktyli lub miodu. Z tak przygotowanego ciasta formowano placki, które po wysuszeniu wrzucano pokruszone do wody i gotowano z dodatkiem owoców, rozmarynu i innych ziół, a następnie poddawano fermentacji w dzbanie. Piwo nie było filtrowane - pływały w nim resztki chleba, owoców, ziół - było zatem pijane przez trzcinowe rurki. Produkcją piwa w Sumerze zajmowały się tylko i wyłącznie kobiety.  Około 4 tysiące lat przed naszą erą Chińczycy z wykorzystaniem bakterii produkujących kwas mlekowy rozpoczęli produkcję jogurtu i sera, zaś 300 lat p.n.e. zaczęli wytwarzać sfermentowaną soję, pasty na jej bazie, wino ryżowe powstające w procesie fermentacji skrobi ryżowej i sos sojowy z użyciem kultury grzyba - kropidlaka.  By uzyskać sos sojowy mieli się ziarno soi i gotuje z prażonym ryżem lub pokruszoną pszenicą, a następnie miesza z grzybami i podobnymi mikroorganizmami. Po dwuletniej fermentacji otrzymuje się ciemną, aromatyczną ciecz, którą poddać należy procesowi filtrowania.

Zatem już od bardzo dawna naturalne enzymy lub organizmy stosowane są w celach technologicznych. Biotechnologię taką nazywamy tradycyjną. Jej cechą charakterystyczną jest stosowanie doboru sztucznego - doboru naturalnego, gdzie dostosowanie warunkowane jest subiektywną oceną i działaniami hodowcy. Od tysiącleci człowiek stosuje dobór naturalny w swej kulturze. 

Z przytoczonych na początku przykładów jednoznacznie wynika, że powszechnie stosowanym procesem w biotechnologii tradycyjnej na przestrzeni lat była i jest nadal - fermentacja. Fermentacją nazywamy proces enzymatycznych przemian związków organicznych, których efektem jest uzyskanie energii, najczęściej pod postacią ATP. Umożliwia to organizmom żyjącym okresowo lub stale w warunkach beztlenowych uzyskanie energii użytecznej metabolicznie. Najważniejszymi fermentacjami są:

Fermentacja alkoholowa: 

Fermentacja alkoholowa przeprowadzana jest przez drożdże. Dodaje się je do naczynia ze źródłem węglowodanów, np. winogronowym moszczem. Do produkcji różnych napojów alkoholowych stosuje się różne szczepy drożdży. Drożdżami winiarskimi są np. wybrane szczepy grzybów z gatunku Saccharomyces cerevisiae i inne Saccharomyces. Dzięki zawartemu w nich enzymowi zwanemu zymazą rozkładają one obecne w brzeczce (słód, chmiel, woda, cukier, miód w formie klarownej cieszy) glukozę, fruktozę, sacharozę i maltozę na alkohol etylowy i dwutlenek węgla. Obecnie często wykorzystuje się szczepy drożdży zmodyfikowanych genetycznie w celu usprawnienia procesu. Fermentacja alkoholowa pozwala organizmom na regenerację NAD zużytego w procesie glikolizy. Produkt ostatniego etapu glikolizy jest zaś redukowany do etanolu przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstałego w procesie glikolizy do NAD i wydzieleniu dwutlenku węgla. W pierwszym etapie pirogronian jest przekształcany w etanal (aldehyd octowy) i dwutlenek węgla za pomocą dekarboksylazy pirogronianowej. W drugim etapie etanal jest redukowany do etanolu z jednoczesnym utlenieniem NADH do NAD przez dehydrogenazę alkoholową.  

C6H12O6 ———> 2C2H5OH + 2CO2 + energia 

Fermentacja masłowa

Fermentacja masłowa wywoływana jest przez bakterie masłowe. Bakterie te należą do rodzaju Clostridium i są beztlenowcami. Mają ponadto kształt laseczek. Ich naturalnym środowiskiem jest gleba. W mleczarstwie bakterie te powodują psucie się pasteryzowanego mleka i późne wzdęcia serów podpuszczkowych dojrzewających, psucie się konserw i kiszonych pasz. 

C6H12O6 + bakterie masłowe -> kwas masłowy + 2CO2 + 2H2 + energia

Fermentacja metanowa 

Przeprowadzana jest jako ostatni etap utylizacji odpadów komunalnych. Jest procesem mikrobiologicznego rozkładu substancji organicznych przeprowadzanym w beztlenowych warunkach przez mikroorganizmy anaerobowe. Zazwyczaj jest traktowana jako cały ciąg przemian rozpoczynający się od hydrolizy, a kończący na tzw. metanogenezie, gdzie z kwasu octowego powstaje metan i wydzielony zostaje dwutlenek węgla.

CH3COOH ——-> CH4 + CO2

Proces przebiega pod wpływem bakterii metanogennych (klasa: Methanobacteria)

Fermentacja mlekowa 

Bakterie właściwej fermentacji mlekowej dzielimy na bakterie homofermentatywne, które fermentują cukrowce wytwarzając tylko i wyłącznie kwas mlekowy, lecz także heterofermentatywne wytwarzające obok kwasy mlekowego produkty uboczne takie jak np. kwas octowy lub etanol, a także fakultatywnie heterofermentatywne, u których sposób przeprowadzania reakcji jest zależny od warunków. Bakterie fermentacji mlekowej należą do rodzajów Lactococcus, Leuconostoc, Lactobacillus. Fermentacja mlekowa jako proces biochemiczny pozwala organizmom lub organom takim jak np. mięśnie szkieletowe, działających w warunkach beztlenowych na regenerację NAD zużytego w procesie glikolizy. Produkt ostatniego etapu glikolizy - pirogronian jest redukowany w mleczan przy jednoczesnym utlenieniu NADH powstałego w procesie glikolizy do NAD przy pomocy dehydrogenazy mleczanowej. 

C6H12O6 ——> kwas mlekowy - homofermentacja

C6H12O6 ——> kwas mlekowy + np. kwas octowy - heterofermentacja

Z fermentacją mlekową związane jest kiszenie. Kiszenie (lub kwaszenie) jest sposobem konserwacji żywności opierającym się na tym sposobie fermentacji. W wyniku kiszenia cukry proste zawarte w komórkach roślinnych rozkładają się na kwas mlekowy hamując m.in. procesy gnicia (poprzez zahamowanie rozwoju bakterii gnilnych). By przebieg kiszenia przebiegał prawidłowo powinno odbywać się ono w temperaturze 15-20 stopni, w warunkach usunięcia powietrza, np. przez ubicie kapusty lub zalanie jej solanką. 

Skupmy się teraz na organizmach przeprowadzających fermentację mlekową. Mogą to być:

Lactobacillus - gram - dodatnie bakterie, najliczniejsze spośród bakterii kwasu mlekowego. Zdolne są do przemiany laktozy i innych prostych cukrów w kwas mlekowy. Warto zwrócić uwagę na to, że wiele osób jest uczulonych na laktozę. W związku z tym, że bakterie te używane są do produkcji jogurtów, a laktoza zużywana jest w celu wytworzenia kwasu mlekowego, to jogurty nie zawierają, lub zawierają mniej laktozy niż np. mleko. U człowieka bakterie te zasiedlają przewód pokarmowy, jamę ustną i obecne są w ślinie i pochwie kobiet. Wśród bakterii fermentacji mlekowej dominuje Lactobacillus casei. Do produkcji kiełbas fermentowanych zaś używana jest Lactobacillus sakei. Jej nazwa pochodzi od japońskiego napoju alkoholowego - Sake - jednakże jest ona tam tylko zanieczyszczeniem. 

Do produkcji serów pleśniowych dodaje się nie tylko bakterie mlekowe, ale również pewne gatunki grzybów np. Penicillium camemberti. W wyniku fermentacji mlekowej otrzymuje się również zakwas do pieczywa i sianokiszonki - zakonserwowaną paszę dla zwierząt. W przypadku produkcji kefiru oprócz fermentacji mlekowej stosuje się również fermentację etanolową. 

Fermentacja octowa:

Do miana pseudofermentacji zaliczyć możemy fermentację octową - proces powstawania kwasu octowego z alkoholu etylowego, z udziałem bakterii. Proces ten jest tlenowy - nie jest to zatem fermentacja. Uzyskujemy w ten sposób ocet. 

etanol + O2 ——-> kwas octowy + H20 

Proces przebiega z wykorzystaniem bakterii octowych.