Fermentation ist ein Verfahren zur Herstellung von Wein, Bier, Joghurt und anderen Produkten. Hier ist ein Blick auf den chemischen Prozess, der während der Fermentation abläuft.
SCHLUSSELERKENNTNISSE: Fermentation
- Die Fermentation ist eine biochemische Reaktion, die Energie aus Kohlenhydraten extrahiert, ohne Sauerstoff zu verwenden.
- Organismen nutzen die Fermentation zum Leben, außerdem hat sie viele kommerzielle Anwendungen.
- Mögliche Fermentationsprodukte umfassen Ethanol, Wasserstoffgas und Milchsäure.
Gärungsdefinition
Die Fermentation ist ein Stoffwechselprozess, bei dem ein Organismus ein Kohlenhydrat wie Stärke oder einen Zucker in einen Alkohol oder eine Säure umwandelt. Beispielsweise führt Hefe eine Fermentation durch, um Energie zu gewinnen, indem sie Zucker in Alkohol umwandelt. Bakterien führen eine Fermentation durch und wandeln Kohlenhydrate in Milchsäure um. Das Studium der Gärung wird Zymologie genannt .
Geschichte der Gärung
Der Begriff „Gärung“ kommt vom lateinischen Wort „ fervere “, was „kochen“ bedeutet. Die Fermentation wurde von Alchemisten des späten 14. Jahrhunderts beschrieben, jedoch nicht im modernen Sinne. Der chemische Prozess der Gärung wurde um das Jahr 1600 zum Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen.
Fermentation ist ein natürlicher Prozess. Die Menschen wandten die Fermentation an, um Produkte wie Wein, Met, Käse und Bier herzustellen, lange bevor der biochemische Prozess verstanden wurde. In den 1850er und 1860er Jahren war Louis Pasteur der erste Zymurgist oder Wissenschaftler, der die Fermentation untersuchte, als er zeigte, dass die Fermentation durch lebende Zellen verursacht wurde. Pasteur gelang es jedoch nicht, das für die Fermentation verantwortliche Enzym aus Hefezellen zu extrahieren. 1897 mahlte der deutsche Chemiker Eduard Büchner Hefe, extrahierte Flüssigkeit daraus und stellte fest, dass die Flüssigkeit eine Zuckerlösung fermentieren konnte. Büchners Experiment gilt als Beginn der Wissenschaft der Biochemie und brachte ihm 1907 den Nobelpreis für Chemie ein .
Beispiele für durch Fermentation gebildete Produkte
Die meisten Menschen kennen Lebensmittel und Getränke, die Fermentationsprodukte sind, erkennen aber möglicherweise nicht, dass viele wichtige Industrieprodukte aus Fermentation resultieren.
- Bier
- Wein
- Joghurt
- Käse
- Bestimmte saure Lebensmittel, die Milchsäure enthalten, einschließlich Sauerkraut, Kimchi und Peperoni
- Brotsäuerung durch Hefe
- Abwasserbehandlung
- Einige industrielle Alkoholproduktion, z. B. für Biokraftstoffe
- Wasserstoffgas
Ethanol-Fermentation
Hefe und bestimmte Bakterien führen eine Ethanolfermentation durch, bei der Pyruvat (aus dem Glukosestoffwechsel) in Ethanol und Kohlendioxid zerlegt wird . Die chemische Nettogleichung für die Herstellung von Ethanol aus Glucose lautet:
C 6 H 12 O 6 (Glucose) → 2 C 2 H 5 OH (Ethanol) + 2 CO 2 (Kohlendioxid)
Die Ethanolgärung wurde zur Herstellung von Bier, Wein und Brot verwendet. Es ist erwähnenswert, dass die Fermentation in Gegenwart hoher Pektinkonzentrationen zur Produktion kleiner Mengen Methanol führt, das beim Verzehr giftig ist.
Milchsäuregärung
Die Pyruvatmoleküle aus dem Glukosestoffwechsel (Glykolyse) können zu Milchsäure fermentiert werden. Die Milchsäuregärung dient der Umwandlung von Laktose in Milchsäure bei der Joghurtherstellung. Es tritt auch in tierischen Muskeln auf, wenn das Gewebe schneller Energie benötigt, als Sauerstoff zugeführt werden kann. Die nächste Gleichung für die Milchsäureproduktion aus Glukose lautet:
C 6 H 12 O 6 (Glucose) → 2 CH 3 CHOHCOOH (Milchsäure)
Die Produktion von Milchsäure aus Laktose und Wasser kann wie folgt zusammengefasst werden:
C 12 H 22 O 11 (Laktose) + H 2 O (Wasser) → 4 CH 3 CHOHCOOH (Milchsäure)
Wasserstoff- und Methangasproduktion
Der Fermentationsprozess kann Wasserstoffgas und Methangas ergeben.
Methanogene Archaeen durchlaufen eine Disproportionierungsreaktion, bei der ein Elektron von einem Carbonyl einer Carbonsäuregruppe auf eine Methylgruppe von Essigsäure übertragen wird, um Methan und Kohlendioxidgas zu ergeben.
Viele Arten der Fermentation liefern Wasserstoffgas. Das Produkt kann vom Organismus verwendet werden, um NAD + aus NADH zu regenerieren. Wasserstoffgas kann von Sulfatreduzierern und Methanogenen als Substrat verwendet werden. Menschen erleben die Wasserstoffgasproduktion von Darmbakterien, die Blähungen produzieren .
Fakten zur Fermentation
- Die Fermentation ist ein anaerober Prozess, was bedeutet, dass für ihren Ablauf kein Sauerstoff benötigt wird. Aber auch bei reichlich Sauerstoff ziehen Hefezellen die Fermentation der aeroben Atmung vor, sofern ausreichend Zucker zur Verfügung steht.
- Fermentation findet im Verdauungssystem von Menschen und anderen Tieren statt.
- Bei einer seltenen Erkrankung namens Darmfermentationssyndrom oder Autobrauereisyndrom führt die Fermentation im menschlichen Verdauungstrakt zu einer Vergiftung durch die Ethanolproduktion.
- Die Fermentation findet in menschlichen Muskelzellen statt. Muskeln können ATP schneller verbrauchen als Sauerstoff zugeführt werden kann. In dieser Situation wird ATP durch Glykolyse produziert, die keinen Sauerstoff verwendet.
- Obwohl die Fermentation ein üblicher Weg ist, ist sie nicht die einzige Methode, die von Organismen verwendet wird, um anaerob Energie zu gewinnen. Einige Systeme verwenden Sulfat als letzten Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette .
Zusätzliche Referenzen
- Hui, YH (2004). Handbuch der Gemüsekonservierung und -verarbeitung . New York: M. Dekker. p. 180. ISBN 0-8247-4301-6.
- Klein, Donald W.; LansingM.; Harley, John (2006). Mikrobiologie (6. Aufl.). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-255678-0.
- Purves, William K.; Sadava, David E.; Orians, Gordon H.; Heller, H. Craig (2003). Leben, die Wissenschaft der Biologie (7. Aufl.). Sunderland, Mass.: Sinauer Associates. S. 139–140. ISBN 978-0-7167-9856-9.
- Steinkraus, Keith (2018). Handbuch einheimischer fermentierter Lebensmittel (2. Aufl.). CRC-Presse. ISBN 9781351442510.