Histórico de fermentação, processo, tipos, exemplos

O fermentação É um processo químico pelo qual um ou mais compostos orgânicos são degradados para compostos mais simples na ausência de oxigênio (em anaerobiose). É realizado por muitos tipos de células para produzir energia na forma de ATP.

Hoje, os organismos capazes de moléculas de "fermento" na ausência de oxigênio são muito importantes no nível industrial, pois são explorados para a produção de etanol, ácido lático e outros produtos comercialmente relevantes que servem para fazer vinho, cerveja, queijo e iogurte , etc.

Pão e cerveja, dois produtos de fermentação de levedura alcoólica.Pixabay.com)

A palavra fermentação deriva da palavra latina Fervere, o que significa "ferver" e foi cunhado por aludir ao bubb.

Atualmente, como sugeriu Gay-Lussac em 1810, é o termo geral usado para se referir a glicose anaeróbica ou outros nutrientes orgânicos, a fim de produzir energia na forma de ATP.

Como os primeiros seres vivos que surgiram na Terra provavelmente viviam em uma atmosfera sem oxigênio, a degradação anaeróbica da glicose é provavelmente a forma metabólica mais antiga entre os seres vivos para obter energia de moléculas orgânicas.

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História da fermentação

O conhecimento humano do fenômeno da fermentação é tão velho, talvez, como é a agricultura, pois durante milhares de anos esse homem promove a conversão do suco de uvas doces esmagado em vinho efervescente ou a conversão da massa de trigo em pão no pão.

No entanto, para as primeiras sociedades, a transformação desses elementos "básicos" em alimentos fermentados foi considerada uma espécie de evento "mistério" ou "milagroso", porque não se sabia o que causou.

O progresso do pensamento científico e a invenção dos primeiros microscópios, certamente lançaram um precedente importante no campo da microbiologia e, com ele, permitiu a solução do "mistério" fermentativo.

Experimentos de Lavoisier e Gay-Lussac

Retrato gráfico de Antoine Lavoisier (Fonte: H. Rousseau (designer gráfico), e.Thomas (Fear) Augustin Challamel, desejo Lacroix [domínio público] via Wikimedia Commons)

Lavoisier, um cientista francês, no final de 1700 mostrou que, no processo de transformação de açúcares em álcool e dióxido de carbono (como o que acontece durante a produção de vinho), o peso dos substratos consumidos foi o mesmo que os produtos sintetizados sintetizados.

Mais tarde, em 1810, Gay-Lussac resumiu essas declarações na seguinte reação química:

C6H12O6 (glicose) → 2CO2 (dióxido de carbono) + 2C2H6O (etanol)

No entanto, por muitos anos, argumentou -se que essas mudanças químicas observadas durante a fermentação foram o produto de vibrações moleculares emitidas pela matéria de decomposição, ou seja, por células mortas.

Em palavras mais simples: todos os pesquisadores estavam convencidos de que a fermentação era um efeito colateral da morte de um organismo e não um processo necessário para um ser vivo.

Leveduras em ação

Louis Pasteur em seu laboratório. Via Wikimedia Commons

Mais tarde, Louis Pasteur, em 1857, marcou o nascimento da química microbiológica quando associou a fermentação a microorganismos como leveduras, das quais o termo estava relacionado à idéia da existência de células vivas, com produção de gás e de alguns compostos orgânicos.

Posteriormente, em 1920, descobriu -se que, na ausência de oxigênio, alguns extratos musculares de mamíferos catalisavam a formação de lactato a partir de glicose, e que muitos dos compostos produzidos durante a fermentação de grãos também foram produzidos por células musculares.

Graças a essa descoberta, a fermentação foi generalizada como uma forma de uso de glicose e não como um processo exclusivo de leveduras e bactérias.

Muitos estudos subsequentes refinaram consideravelmente o conhecimento relacionado ao fenômeno da fermentação, à medida que as rotas e enzimas metabólicas envolvidas foram elucidadas, o que permitiu sua exploração para diferentes fins industriais.

Processo de fermentação geral

Como dissemos, a fermentação é um processo químico que implica transformação anaeróbica (sem oxigênio) de um substrato orgânico em compostos orgânicos mais simples, que não podem ser metabolizados "a jusante" por sistemas enzimáticos sem intervenção de oxigênio.

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É realizado por diferentes enzimas e normalmente é observado em microorganismos, como moldes, leveduras ou bactérias, que produzem uma série de produtos secundários que o homem aproveitou para fins comerciais por muitos séculos.

Nas reações químicas que ocorrem durante a fermentação, as enzimas (proteínas capazes de acelerar diferentes reações químicas) hidrolisam seus substratos e se decompõem ou "Digie", pagando moléculas mais simples e nutrientes mais assimiláveis, metabolicamente falando.

Vale ressaltar que a fermentação não é um processo exclusivo de microorganismos, pois pode ocorrer em algumas células animais (como o músculo, por exemplo) e em algumas células vegetais sob certas condições.

Quais substratos são fermentáveis?

No início da pesquisa científica relacionada à fermentação, pensava -se que as moléculas essenciais para esse processo eram carboidratos.

No entanto, logo após se entender que muitos ácidos orgânicos (incluindo aminoácidos), proteínas, gorduras e outros compostos são substratos fermentáveis ​​para diferentes tipos de microorganismos, pois podem funcionar como fonte de alimento e energia para estes.

É importante esclarecer que o metabolismo anaeróbico não produz a mesma quantidade de energia que o metabolismo aeróbico, uma vez que os substratos, em geral, não podem ser completamente oxidados, portanto, não é extraída entre estes.

Consequentemente, os microorganismos anaeróbicos geralmente consomem quantidades muito maiores de substratos para poder extrair a mesma energia que extrairia um microorganismo semelhante em condições aeróbicas (na presença de oxigênio).

O que é fermentação sobre?

Quando a respiração não pode ser dada, devido à ausência de um aceitador de elétrons externos ou por algum defeito na cadeia respiratória celular, a fermentação é a rota catabólica usada para produzir energia a partir de glicose ou outras fontes de carbono.

No caso da glicose, por exemplo, sua oxidação parcial é realizada através da rota glicolítica, através da qual ocorrem piruvato, ATP e NADH (esses produtos variam de acordo com o substrato energético).

Sob condições de aerobiose, o piruvato é ainda mais oxidado quando entra no ciclo Krebs e os produtos desse ciclo entram na cadeia de transportadores de elétrons. O NAD+ também é regenerado durante esses processos, o que permite manter a continuidade da rota glicolítica.

Quando não há oxigênio, isto é, na anaerobiose, o piruvato derivado de reações oxidativas (ou outros compostos orgânicos resultantes) sofre uma redução. Essa redução permite a regeneração do NAD+, um evento fundamental para o processo de fermentação.

A redução do piruvato (ou outro produto oxidativo) marca o início da síntese de resíduos, que podem ser álcoois, gases ou ácidos orgânicos, que são excretados ao ambiente extracelular.

Quanta energia é produzida?

Enquanto a oxidação completa de uma glicose mol até dióxido de carbono (CO2) e água em condições aeróbicas gera 38 moles de ATP, a fermentação produz entre 1 e 3 moles de ATP para cada mole de glicose consumida.

Tipos de fermentação

Existem diferentes tipos de fermentação, geralmente definidos não apenas pelos produtos finais do processo, mas também por substratos energéticos que são usados ​​como "combustível". Muitos deles serão particularmente definidos no contexto industrial.

Como nota para o leitor, provavelmente é conveniente revisar alguns aspectos do metabolismo energético antes, especialmente em relação ao catabolismo de carboidratos (glicólise), o ciclo Krebs e a cadeia de transporte de elétrons (respiração), a fim de entender este tópico com maior profundidade.

5 tipos de fermentação podem ser mencionados:

- Fermentação alcoólica

- Fermentação lática ou ácida

- Fermentação Propiônica

- Fermentação butírica

- Fermentação de ácido misto

Fermentação alcoólica

Quando é feita referência a esse tipo de fermentação, geralmente é entendido que tem a ver com a produção de etanol (CH3CH2OH ou C2H6O), que é um tipo de álcool (dos quais bebidas alcoólicas, como vinho e cerveja, por exemplo).

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Industrialmente falando, o principal microorganismo explorado pelo homem para obter bebidas alcoólicas é o fungo do tipo de levedura pertencente à espécie Saccharomyces cerevisiae.

Fermentação Alcoólica (Fonte: O autor da versão original é Usuário: Norro. /CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0) via Wikimedia Commons)

As leveduras são, de fato, organismos aeróbicos que podem crescer como anaeróbios opcionais, ou seja, que se as condições merecem, mude seu metabolismo e se adapte à ausência de oxigênio para viver.

Como discutimos na seção anterior, o desempenho energético em condições anaeróbicas é muito menor do que em condições aeróbicas, portanto o crescimento é mais lento.

A fermentação alcoólica implica conversão de piruvato em etanol, que ocorre em um processo de dois etapas: primeiro a transformação de piruvato em acetaldeído e depois de acetaldeído em etanol.

A primeira reação, a reação de conversão de piruvato em acetaldeído, é uma descarboxilação em que uma molécula de CO2 é liberada para cada molécula de piruvato e é catalisada pela enzima discarboxilase piruvato, que precisa de um cofattor conhecido como pirofosfato de tiamina ou tpp.

O acetaldeído assim produzido é reduzido ao etanol por meio da enzima álcool desidrogenase, que usa uma molécula NADH2 como cofator para cada molécula de acetaldeído, liberando etanol e NAD+.

NAD+ pode ser reutilizado para o gliceraldeído 3-fosfato.

Em nível industrial, diferentes cepas de S. cerevisiae Eles são explorados com propósitos diferentes, pois alguns foram "especializados" para a produção de vinho, cerveja, pão, etc., Para que eles possam apresentar algumas diferenças metabólicas distintas.

Fermentação lática ou ácida

Este tipo de fermentação pode ser subdividido em dois: homofermentativo e heterofermentativo. O primeiro tem a ver com a produção de ácido lático como o único produto fermentativo do piruvato glicolítico e o segundo implica a produção de ácido lático e etanol.

- Fermentação homolática

O piruvato produzido pela rota glicolítica é diretamente convertida em ácido lático graças à ação enzimática de um ácido desidrogenase lático. Nesta reação, como na segunda reação da fermentação alcoólica, uma molécula NAD+ é regenerada para oxidar 3-fosfato gliceraldeído em glicólise.

Para cada molécula de glicose que é consumida, são produzidas duas moléculas de piruvato; portanto, o resultado da fermentação lática corresponde a duas moléculas de ácido lático por molécula de glicose (e duas moléculas NAD+).

Esse tipo de fermentação é muito comum em certos tipos de bactérias chamadas bactérias ácidas -tóticas e é o tipo mais simples de fermentação que existe.

O ácido lático também pode ser produzido por algumas células musculares, como piruvato, pela ação do lactato de desidrogenase (usado por NADH2), é convertido em ácido lático.

- Fermentação heterolática

Neste tipo de fermentação, as duas moléculas de piruvato derivadas da glicólise não são usadas para sintetizar o ácido lático. Em vez disso, para cada molécula de glicose, um piruvato se torna ácido lático e o outro se torna etanol ou ácido acético e CO2.

As bactérias que metabolizam a glicose dessa maneira são conhecidas como bactérias heterofermentativas de ácido-lático.

Estes não produzem piruvato em toda a via glicolítica, mas usam uma parte do caminho do fosfato de pentose para produzir 3-fosfato gliceraldeído, que é então metabolizado em piruvato por enzimas glicolíticas.

Em resumo, essas bactérias "cortam" o xilulose 5-fosfato (sintetizado a partir de glicose) em gliceraldeído 3-fosfato e fosfato de acetil usando uma enzima cetolase fosfato pentose pentose ligada a TPP, produção de gliceraldefosfato de GPP (Produção Glydehate-Fosfosfato) (Glyderhyate 3fosfosfosfosfato de TPP).

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A lacuna entra na rota glicolítica e é convertida em piruvato, que é posteriormente transformada em ácido lático graças a uma enzima lactato desidrogenase, enquanto o acetil fosfato pode ser reduzido a ácido acético ou etanol.

Bactérias ácidas-láticas são muito importantes para o homem, pois são usadas para produzir diferentes derivados de leite fermentados, entre os quais iogurte se destacam.

Eles também são responsáveis ​​por outros alimentos fermentados, como repolho fermentado ou "chucrute", alfinetes e azeitonas fermentadas.

- Fermentação Propiônica

Isso é realizado por Propionibacteria, capaz de produzir ácido propiônico (CH3-CH2-COOH) e que habita o rúmen de animais herbívoros.

É um tipo de fermentação pela qual as bactérias usam glicose glicolítica para produzir piruvato. Este piruvato é carboxilado ao oxalacetato, que é então reduzido em duas etapas para sucinar, usando as reações de reversão do ciclo Krebs.

O succinato é então convertido em succinil-coa e isso, por sua vez, em Melonil-Coa metil através da enzima malônica da Malonil Mutase, que catalisa um retroglo intramolecular de succinil-coa. O Malonil-Coa Metil está escurecendo para executar o Propionil-CoA.

Essa propionia propiônica. Bactérias ácidas e propionibactérias são usadas para produzir queijo suíço, pois o ácido propiônico lhe dá um sabor especial.

- Fermentação butírica

Fermentação butírica. Fonte: BellwASTHOW/CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)

É realizado pela formatação de bactérias de esporos que são anaerobias obrigadas e que geralmente pertencem ao gênero Clostridium. Dependendo da espécie, essas bactérias também podem produzir butan, ácido acético, etanol, isopropanol e acetona (o dióxido de carbono é sempre um produto).

Essas bactérias se degradam.

Em algumas bactérias, duas moléculas de acetil-CoA condensam por meio de uma enzima Tisolasa, produzindo acetoacetil-CoA e lançando um COA. O acetoacetil-coa é desidrogenado pela β-hidroxibutiril-coa enzima desidrogenase para formar p-hidroxibutiril-coa.

Este último produto dá origem a Crotonil-CoA pela ação da enzima Crotonasa. Crotonil-CoA é reduzido novamente por uma butirril-coa desidrogenase associada ao FADH2, produzindo Butiril-CoA.

Finalmente, Butiril-CoA é convertido em ácido butírico por eliminação da parte do COA e a adição de uma molécula de água. Em condições alcalinas (alto pH), algumas bactérias podem converter ácido butírico em n-butanol

- Fermentação de ácido misto

É comum em bactérias conhecidas como enterobactérias, que podem crescer com ou sem oxigênio. É chamado de "ácidos mistos" porque diferentes tipos de ácidos orgânicos e compostos neutros são produzidos como resultado da fermentação.

Esquema de resumo da fermentação de ácido misto (fonte: o uploader original era Nicolasgrandjean na Wikipedia francesa. /CC BY-SA (http: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/) via Wikimedia Commons)

Dependendo da espécie, ácido fórmico, ácido acético, ácido succínico, ácido lático, etanol, CO2, butanodiol, etc.

Muitas vezes, também é conhecida como fermentação com ácido fórmico, porque em condições anaeróbicas, algumas bactérias podem formar ácido fórmico e acetil-coa a partir de piruvato pela ação do ácido enzimático-piruvato liasa liasa.

Exemplos de processos nos quais há fermentação

Existem muitos exemplos de processos fermentativos e seus produtos. Entre alguns desses exemplos, poderíamos incluir:

Iogurte, um produto de fermentação (imagem de fluxo da IMO em www.Pixabay.com)

- Ele salame (carne fermentada), produzida por fermentação lática de bactérias que batem ácido

- Ele iogurte (Leite fermentado), também produzido por bactérias ácidas-láticas

- Ele queijo (Leite fermentado), produzido por bactérias ácidas e propionibactérias por meio de fermentação lática e propiônica

Queijo, produto da fermentação de bactérias ácidas e propionibactérias (imagem de lipefontes0 na www.Pixabay.com)

- Ele pão (Fermentação de massas de trigo), produzida por leveduras através da fermentação alcoólica

- Ele veio e a cerveja (Fermentação de açúcares em uvas e açúcares de grãos), produzidos por leveduras através da fermentação alcoólica

- Ele café e ele cacau (Fermentação de açúcares presentes na mucilagem da fruta), produzida por bactérias ácidas e leveduras por fermentação lática e alcoólica.

Referências

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