Fermentering

Fermentering og matvarer

Fermentering blir ofte kombinert med salting og var tidligere en viktig metode for bevaring av maten hvor man ikke hadde kjøling, frysing og hermetisering.  Mange mikroorganismer kan fermentere sukker i mat som gir surgjøring (senker pH) og gir endret smak og struktur. Bakterier og gjær lager under veksten både proteiner og vitaminer og koenzymer, og det er bare planter og bakterier som kan lage essensielle aminosyrer. Melkesyrebakterier kan også inneholde bakteriociner. som gir antimikrobiell effekt  Fermenterte matvarer inngår i de fleste internasjonale kjøkken Fermenterte melkeprodukter yoghurt, kefir, surmelk, fost (camembert, cheddar, gauda, sveitserost og jarlsbergost).  Melkesyrebakterier blant annet Lactobacillus bulgaricus blir brukt til å omdanne melkesukker til melkesyre og får melkeproteinet til å koagulere og felles ut, noe somendrer både form og smak.  Propionsyrebakterier e.g.  Propionibacterium freudenrechchii fermenter melk til propionsyre med karakteristisk smak og CO₂, hvor boblene med CO₂ lager karakteristiske hull i osten i både sveitserost og Jarlsbergost, eventuelt etter en forgjæring med melekesyrebakterier. Langtidslagret os og spekepølser gjennomgår en etterfermentering under lagringen.

Fermentert kål på tysk kalt sauerkraut). Fermentert vørter fra malt fra spirt bygg eller hvete tilsatt stammer ølgjær (Saccharomyces cerevisae). Surøl er fermentert med villgjær hvor det også kan forekomme melkesyrebakterier og eddiksyrebakterier som gir sursmak på ølet.   Surdeigsbrød fra villfermentering med en kombinasjon av gjærceller og bakterier, men det går an å anskaffe renkulturer av en kombinasjon gjær og bakterier som lever i symbiose og lager en næringsnettverk under fermenteringen. Ved villfermentering i surdeig, melkekulturer eller vin utfører gjær spesifikk fermentering mens bakterier har en mer heterogen fermentering og forholdet mellom  bakterieceller:gjærceller  kan være100:1. Gjærceller kan komme fra kua eller geita, fra overflaten av vindruene og furkten eller kornet eller melet. Ved villfermentering anvender man ikke selekterte og utvalgte stammer av gjærceller og bakterier.

 Vin blir laget fra fermentering av saften fra vindruer, hvor fermentering kan skje med villgjær eller selekterte gjærstammer som gir spesiell lukt og smak. Sprudlende viner blir er etter korking i flasker tilsatt sukker slik at det blir en etter gjæring som danner etanol og CO₂ som gir bobler når flasken åpnes.  Alle typer frukt og bær kan fermenteres og ofte bruker man villgjærstammer som finnes på overflaten til frukten eller bærene. Samling av vær og frukt som ble lagret ga sannsynligvis det første hintet om fermentering og vinproduksjon. I gjærbakst med brødgjær Saccharomyces cerevisae er det først en aerob oksidasjon av sukker fra stivelsen i melet, men når oksygenet er brukt opp blir det fermentering og etanolgjæring. Aerobe oga naerobe  eddiksyrebakterier kan bli brukt til å lage eddik, epleeddik, vineddik eller andre typer avhengig av utgangsmateriale. 

Rakfisk (norr. rakr- bløt) er fermentert fisk (ørret, laks, sik og harr).

Fermentert soyasaus fra asiatiske land. Injera fra er en fermentert pannekake laget fra teff-mel  (Eragrostis tef) i Etiopia. Tempeh /tempoyak fra fermentert durian i  Indonesia, Kimchi er fermenterte grønnsaker tilsatt krepsdyr og annen sjøt fra Korea. Da hi (yoghurt) fra India. Andre indiske matretter hvor det inngår fermentering er  pitha, hawaijar (fermentert soya), gundruk (fermenterte grønnsaker) , dhokla (fermentert kokt ris og kikerter) , sel roti og (fermentert rismel).  Tedrikken kombucha blir laget av symbiotisk kultur gjær og eddiksyrebakterier. Er et område hvor det var domestisering av mange planter og hvor det laget mange tradisjonelle fermenterte drikkevarer og matvarer.

Eddiksyre (acetat) og propionsyre (propionat) hører med til de kortkjedete fettsyrene som blir fermentert av mikrobiomet i tykktarmen og har helsemessige gode effekter.

I glykolysen blir  ATP laget ved substratnivåfosforylering.

glukose + 2ADP + 2P_i → 2 etanol + 2ATP + 2CO₂ + 2H₂O

Sammenlignet med aerob oksidasjon er energiutbytte lavt. Glukose er elektrondonor.

Enzymet pyruvat kinase i lgykolyseen katalyserer reaksjonen som omdanner

fosfoenolpyruvat + ADP → pyruvat + ATP

Siden gjæring skjer uten oksygen må NAD⁺ som mottar elektroner fra glukose regenerers. Regenerering kan enten skje ved at elektroner i den reduserte formen NADH blir ovrført til pyruvat som omdannet laktat. I etanolgjæring er det acetaldehyd som virker som elektronakseptor. Vanligvis er det uorganiske molekyler som har funksjon som elektronakseptorer i respirasjon, men her er det to eksempler på bruk av organiske molekyler som elektronakseptor. Det samme gjelder Sticklandfermentering. 

Advarsel: Fermentering av matvarer stiller ekstra hygieniske krav og renslighet slik at det under fermenteringen ikke vokser opp sykdomsfremkallende enteriske bakterier, patogene matbårne virus, Listeria, Clostridia (Clostridium botulinum,  Clostridium difficile) eller andre toksinproduserende bakterier. Vannet som benyttes må ikke være forurenset. Har man et dårlig immunforsvar kan det ha vanskeligheter med å møte mange nye grupper bakterier eller gjær fra fermenterte matvarer. Dessuten inneholder fermenterte matvarer en meget kompleks blanding av organiske stoffer, blant annet fuselalkoholer, ketosyrer og aldehyder (tysk fusel - dårlige drikke) fra etanolgjæring e.g. isoamylalkohol fra Ehrlich-metaolisme fra aminosyrer i gjær  som kan være med å gi hodepine.

Gas eller halm lagt i silo eller pakket i plast som begrenser lufttilgangen.Tilsettes maursyre og det blir i ilegg laget syrer ved fermentering som konserverer graset (ensilering).

Fermentering og biokjemi

Anaerob katabolisme av organiske stoffer som fungerer både som elektrondonor og elektronakseptor, og kjemisk energi i form av ATP lages ved substratfnivåosforylering. Fermentering er degradering av en substans f.eks. glukose til mindre molekyler og frigivelse av energi uten bruk av oksygen. Respirasjon hvor hydrogen fjernes fra glukose under glykolysen og endeproduktene er etylalkohol (etanol) eller melkesyre (laktat). NADH eller andre reduserte elektronakseptorer som lages under oksidasjonsprosesser i biosynteseveien reoksideres av andre metabolitter i synteseveien.Prokaryotene kan vokse i en rekke forskjellige anaerobe nisjer uten oksygen. De kan reoksidere nikotinamid adenin dinukleotid i redusert form (NADH) og andre reduserte elektrontransportører ved anaerob respirasjon med nitrat, sulfat eller fumarat som elektronakseptor eller de kan utføre fermentering. Eukaryoter kan utføre fermentering for kortere tidsrom og f.eks. gjær kan drive fermentering, men vanligvis er oksygen nødvendig bl.a. for å lage steroler og umettede fettsyrer. Ved fermenteringen må det være balanse mellom oksidasjon og reduksjon. Ofte benyttes protoner (H⁺) som elektronakseptor for å skape redoksbalanse ved fermenteringen. Det lages da hydrogen katalysert av hydrogenase med ferredoksin som elektrontransportør. Hydrogenase er et reversibelt enzym.

Det er forskjellige typer av fermentering (gjæring): etanolgjæring; melkesyregjæring (laktat- ); smørsyregjæring (butyrat-); propionsyregjæring; blandet syre og homoacetisk gjæring. Mange anaerobe bakterier har acetat som endeprodukt ved fermentering. Både acetat og fettsyrer er gunstige endeprodukter siden disse kan benyttes til å lage ATP ved substratnivåfosforylering.

Fermentering har blitt og brukes som konservering av matvarer hvor anaerobe halofile (salttålende) melkesyrebakterier surgjør matvarene slik at ingen andre bakteriegrupper klarer å vokse. Eksempler på slike melkesyrebakterier er Leuconostoc msenteroides, Lactobacillus brevis og Lactobacillus plantarum. Alle planter har bakterier og soppsporer på overflatene. Sauerkraut er fermentert kål. Te, sjokolade og ekte vanilje blir laget i en form for fermenteringsprosess.

Første trinn i fermentering er aktivering av glukose vha. ATP til fruktose-1,6-difosfat. Neste trinn to er en oksidasjon/reduksjon og dannelse av ATP og to molekyler pyruvat (pyrudruesyre). Det tredje trinnet er en oksidasjon/reduksjon hvor pyruvat omdannes til etanol katalysert av enzymet alkohol dehydrogenase

acetaldehyd + NADH + H⁺ gir etanol + NAD⁺)

eller til laktat katalysert av laktat dehydrogenase

pyruvat + NADH gir laktat + NAD⁺ + H⁺

 og det frigis karbondioksid (CO₂.). NADH forbrukes under fermenteringen. To molekyler adenosin trifosfat (ATP) trengs i fosforylering og 4 molekyler lages, netto 2 ATP per molekyl glukose fermentert. Fermentering brukes i produksjon av alkohol, fermentering av melk med melkesyrebakterier, og i produksjon av CO₂ for heving av bakeverk.

glukose → 2etanol + 2CO₂

Karbon (C) i CO₂ er mer oksidert, og karbon i etanol er mer redusert enn karbon i glukose. Det skjer en intern balanse i redoks under fermenteringen. For å kunne fermenteres må derfor et organisk stoff ikke være for mye redusert eller for mye oksidert. For å kvitte seg med de reduserte elektronakseptorene kan prokaryoter skille dem ut i mediet omkring. Produksjon av hydrogen laget under oksidasjonen må være lik hydrogen overført til endeproduktene i fermenteringen og brukes til å balansere redoksreaksjonen. Protoner fra vann virker da som elektronakseptor katalysert av en hydrogenase som får elektroner fra ferredoksin. Mange organismer som fermenterer lager både etanol, acetat (eddiksyre) og hydrogengass (H₂). Under fermentering lages ATP vanligvis ved subratnivåfosforylering, men noen organismer kan lage ionegradienter og lage ATP på denne måten under fermenteringen.

F.eks. kan Oxalobacter formigenes fermentere oksalsyre:

oksalat^2- + H₂O → format^- + HCO₃^-

Ved nøytral pH er oksalsyre i ionisert form og ved dekarboksylering til format forbrukes ett proton. Format kan fraktes ut av cellen og dette er nok til å skape en pH-gradient. Andre bakterier kan bruke en Na⁺-gradient til å drive ATP-syntese.

I Mémoire sur la fermentation appellée lactique la Louis Pasteur i 1857 det første bevis på en kimteori hvor det er mikroorganismer som deltar i metabolske prosesser. Fermentering er et resultat av gjærceller omdanner sukker til alkohol og karbondioksid, eller pyruvat omdannet til melkesyre (laktat) i melkesyregjæring. 

Industriell fermentering

Industriell fermentering i store ståltanker kan det bli laget etanol brukt som biodrivstoff, men fermenteringen kan også gi mikrobielt protein som dyrefôr.  Den israelske politikeren og kjemikeren Chaim Weizmann (1874-1952) brukte organismen Clostridium acetobutylicum i industriell fermentering av sukker til aceton: butanol; i forholdet etanol i forholdet 3:6:1 (ABE-fermentering).

Fra karbohydratrike stoffer fra planter som melasse fra sukkerrør eller sukkerbeter, stivelse fra korn eller cellulose kan ved fermentering med selekterte mikrober, noen genmodifiserte, lage  flere typer kjemikalier eddiksyre, propionsyre, smørsyre (butyrat) , ravsyre (succinat) og alkoholer som etanol, butanol, propanol, butandiol og glycerol.  I fermenteringen holdes det nøye kontroll med kilden for nitrogen, fosfor, svovel kalium, magnesium, jern og den andre mineralnæringen, samt temperatur og pH.   

Anaerob cellerespirasjon i skjelettmuskler

Muskelarbeid krever store mengder energi i form av ATP som blir laget i tilknytning til trikarboksylsyresyklus, men er avhengig av stor tilførsel av oksygen. Elektronene som finnes lagret i maten, for eksempel glukose fr nedbrytning av glykogen i muskler og lever, blir overført til redoksbæreren NADH og videre til oksygen som terminal elektronakseptor i elektrontransportkjeden i mitokondriene. Oksygenet blir transportert med hemoglobin i de røde blodcellene og som også fjerner hydrogenkarbonat og CO₂ fra den aerobe cellerespirasjonen. Dykkende sjøpattedyr frakter i tillegg oksygen fraktet myoglobin i musklene.

Hvis det ikke er nok oksygen til å oksidere pyruvat i trikarboksylsyresyklus så blir NAD⁺ regenerert i musklene via melkesyregjæring, men med lavt energiutbytte, bare fra substratnivåfosforylering i glykolysen. Fermentering gir energi i form av ATP uten bruk av oksygen, to molekyler ATP for hvert molekyl glukose som blir fermentert.

Enzymet laktat dehydrogenase katalyserer reaksjon hvor pyruvat blir redusert til melkesyre (laktat) 

pyruvat + NADH + H⁺ → laktat + NAD⁺

Laktat gir i tillegg surgjøring av musklene, acidose og man kjenner effekten av med muskeltretthet.  

Melkesyre produsert i skjelettmuskler blir resirkulert og fraktet med blodet til lever hvor laktat blir omdannet til glukose i Cori-syklus. I tillegg kan laktat påvirke hjenren i gunstig retning, som en bieffekt.  For eksempel kan krokodiller gi et lynraskt angrep som krever mye ATP, men krever etter den etter lang periode med hvile lyn.

Store hvalarter som skal dykke ned til 3000 meter benytter sannsynligvis muligheten til også å ha anaerob metabolisme I alt cellevev. Noen marine vertebrater kan også benyytte etanolgjæring. Planter under hpoksis og anoksis bruker etanolgjæring og ikke melkesyregjæring.

Fermentering i vomma hos drøvtyggere

Vomma hos drøvtyggere fungerer som en stor fermentor som i et komplekst næringsnett omdanner planter til kortkjedete fettsyrer som blir tatt opp i blodbanene og utnyttet som næring.Det er bare mikroorganismer (bakterier og sopp) som har enzymer som kan bryte cellulose, hemicellulose og lignin i celleveggene i planter. Cellulose er satt sammen av glukose bundet sammen i beta (β)1,4 bindinger og er tungt nedbrytbart til forskjell fra stivelse i planter og glykogen som har glukose bundet sammen i alfa(α)1,4- og α-1,6-bindinger og er lett nedbrytbart. Ved å lagre glukose i form av polymere har evolusjonen valgt en gunstig strategi for å unngå de osmotiske vanskelighetene tilsvarende mengde fritt glukose villa ha forårsaket.

Siden det ikke er oksygen tilstede i vomma er det bakterier som også kan bruke uorganiske stooffer som elektronakseptor. I dissimilatorisk nitratreduksjon med denitrifiserende bakterier blir nitrat (NO₃^-) brukt som elektronakseptor og omdannes til lystgass (N₂O) eller nitrogengass (N₂).

Jernreduserende bakterier bruker ferrijern (Fe3+) som elektronakseptor og danner toverdig jern (Fe²⁺).  

Ved dissimilatorisk sulfatreduksjon i sulfatreduserende bakterier blir sulfat (SO₄^2-) brukt som elektronakseptor og omdannet til illeluktende hydrogensulfid (HS^-) Metanogene bakterier bruker karbondioksid (CO₂) som elektronakseptor og danner metan som også virker som en kraftig drivhusgass.  

Fermentering i tarmen hos en-magedyr hest og hare

Hester er og harer et herbivore en-magedyr. Hos hester magen relativt liten noe som forutsetter kontinuerlig beiting og. Fra tynntarmen går maten over i stor, velutviklet muskelfylt tykktarm og lang blindtarm hvor plantemateriale fermentert  av mikrobiomet, bestående av bakterier, sopp, protozoer,  til kortkjedete fettsyrer.

Hare

Hare (Lepus timidus) spiser meget tungt fordøyelig plantemateriale i form av knopper, småkvister om vinteren og om sommeren diverse plantemateriale som må brytes ned ved fermentering. Hare har to typer avføring. De harde kulene og den bløte cecotrope fra blindtarmen (caecum; cecum  l. caecus -blind). Haredyr er koprofage gr. kópros - avføring; phageîn – spise) og spiser sin egen bløte avføring fra omvendt peristaltikk fra blindtarmen hvor bakterier utfører fermentering og blir refordøyet. Avføringen går gjennom fordøyelsessystemet en gang til og etter fermentering i tykktarmen kommer de harde runde kulene ut med avføringen.

Fermentering i tykktarmen hos menneske

Oligosakkarider, fruktaner og sukkeralkoholer er eksempler på stoffer i matvarer i planter som ikke blir tatt opp i tynntarmen, men kommer ut i tykktarmen hvor de blir fermentert.

Fermentering i vagina

I alle kroppshulrom hvor det ikke er oksygen er det fermentering. Mikrobiomet i vagina er dominert av flere arter melkesyrebakterier i slekten  Lactobacillus som produserer melkesyre ved fermentering. Melkesyre  gir et surt miljø, pH <4 som reduserer vekst av andre anaerobe bakterier. Melkesyrebakterier produserer også bredspektret bakteriociner som hemmer vekst av andre bakteriearter.  Hvis bakteriesamfunnet blir forstyrret med smørsyrebakterier (smørsyre lukter ikke godt) eller gjærsoopp kan det resulter i vaginose. Utflod med vond lukt kan også skyldes   infeksjon med zooflagellaten Trichimonas vaginalis. Overdreven daglig såpevask eller intimvask «nedentil» kan gi forstyrrelser i mikrobiomet og er ikke anbefalt.  

Anaerob cellerespirasjon i neddykket plantemateriale

I sumpvegetasjon er det aerenkyym som frakter oksygen til røttene og røtter hos tilpassete arter kan omdanne rotbarken (cortex) i røttene ved behov. I perioden med oksygenmangel har plantene evnde til å gjøre etanolfermentering.

Pyruvat dekarboksylase i en oksidativ dekarboksylering med vitamin B₁(thiaminpyrofosfat) som kofaktor og magnesium (Mg²⁺) katalyserer reaksjonen:

pyruvat → acetaldehyd + CO₂

Alkohol dehydrogenase katalyserer nreste trinn i reaksjonen

acetaldehyd + NADH + H⁺ → etanol + NAD⁺

NADH kommer fra glyceraldehyd-3-fosfat og blir dehydrogenert med acetaldehyd som elektronakseptor.

Bakterier som lager melkesyre

Omdanning av glukose til to molekyler laktat omfatter to trinn med reduksjon-oksidasjonsreaksjoner. I melkesyregjæring virker pyruvat som terminal elektronakspetor. Bakterier som kan metabolisere  sukker og lage melkesyre omfatter homofermative og heterofermative melkesyrebakaterier e.g. slekten  Lactobacillus, samt bakterieslektene  Aerococcus (som er salt- og syretolerant og kan fermentere soya, men kan også gi urinveisinfeksjoner),   Bifidobacterium,( i tykktarmen hos mennesker) ; Carnobacterium (en vanlig forekommende melkesyrebakterie i natyren), Enterococcus, (Fermenterer karbohydrater Embden-Meyerhof-Parnas omsetningsveien),  Lactococcus, Leuconostoc (heterofermativ melkesyrebakterie blant annet til fermentering av sauerkraut),  Pediococcus (til sauerkraut, men kan også lage diacetyl som gir smørsmak på vin), Streptococcus (fermenterer via Embden-Meyerhof-Parnas omsetningsveien),  Tetragenococcus (halofil melkesyrebakterie til soyafermentering), Vagococcus (bevegelige melkesyrebakterier) og Weissella.

Vond lukt fra jordsmonnet like etter snøsmelting

Vond lukt fra bakken like etter snøsmelting skyldes at det i gjennom vinteren kan ha være anaerobe forhold i sjiktet mellom is, snø og gammel vegetasjon og jordsmonnet. Anaerobe mikroorganismer kan ved fermenteringen av rester av organisk materiale lage illeluktende smørsyre og det kan bli dannet hydrogensulfid fra sulfatredisernde bkaterer kan, samt merkaptaner som bidrar med lukt av råtne egg.  

Natur og kultur

Når ølet går inn går vettet ut.

Litteratur

Wikipedia

Tilbake til hovedside