La fermentazione rappresenta un processo metabolico che deriva dall'ossidazione parziale di alcuni carboidrati e di alcol, normalmente operata da specifici microrganismi appartenenti alla classe dei batteri o dei lieviti. Esistono differenti tipi di fermentazione, ciascuno dei quali è specifico di un substrato e di una classe di batteri lieviti/capaci di trasformarlo.
La capacità fermentante dei microrganismi è utilizzata nei processi industriali per la produzione di cibi complessi, ad esempio i formaggi, la birra, i derivati del latte e molti altri ancora. Questi processi, oltre a conferire un sapore particolare, servono anche per garantire una maggiore sicurezza alimentare e per aumentare la shelf-life, cioè la possibilità di conservazione subito dopo la produzione.
Biochimica della fermentazione
Nella maggior parte dei microrganismi la fermentazione avviene in assenza di ossigeno. Questo processo, di fatto, può essere definito coma una via metabolica anaerobia. L'unica eccezione è rappresentata dai lieviti del genere Saccharomyces che operano la fermentazione alcolica anche in abbondante presenza di ossigeno.
La presenza di ossigeno è un fattore che sposta il metabolismo verso la via metabolica aerobia. Dal punto di vista energetico, la respirazione cellulare è più efficiente in termini di molecole di ATP presenti. La fermentazione rappresenta un modo non del tutto efficiente che possiedono alcuni organismi affinché possano ottenere il NAD+ utilizzato come trasportatore di elettroni nella glicolisi.
Recupero del NAD ossidato (NAD+) prodotto durante la
glicolisi
Organismi fermentanti
I microrganismi che operano la fermentazione appartengono a due phyla: batteri e lieviti. Ciascun genere possiede una specifica attività ed è capace di utilizzare uno specifico substrato. Ad esempio, i lieviti del genere Saccharomyces hanno una elevata specificità per la fermentazione degli zuccheri in etanolo. Altri microrganismi non operano sui carboidrati ma utilizzano l'etanolo come substrato per le reazioni di ossidoriduzione.
Fermentazione alcolica
Nella fermentazione alcolica gli zuccheri sono convertiti in anidride carbonica ed etanolo (alcol etilico) del genere Saccaromyces. Il processo di fermentazione alcolica è largamente utilizzato per la produzione delle bevande alcoliche, tra cui spiccano il vino e la birra.
Fasi della fermentazione alcolica.
Fermentazione lattica
La fermentazione lattica si suddivide in fermentazione omolattica e fermentazione eterolattica. Nella omolattica, il piruvato viene convertito in acido lattico e porta ad un sensibile abbassamento del pH del fermentato. Nella eterolattica, oltra al piruvato si formano altri sottoprodotti quali l'etanolo e l'anidride carbonica.
Resa delle fermentazioni omolattiche e eterolattiche
| Fermentazione omolattica |
Fermentazione eterolattica |
|---|
| $$C_{6}H_{12}O_{6} \rightarrow 2 CH_{3}CHOHCOOH$$ |
$$C_{6}H_{12}O_{6} \rightarrow CH_{3}CHOHCOOH + CO_{2} + C_{2}H_{5}OH$$ |
Fermentazione acetica
Nella fermentazione acetica il substrato è rappresentato dall'etanolo. Il pool enzimatico di Acetobacter e di Gluconobacter porta all'ossidazione del reagente in acido acetico ed acqua.
$$C_{2}H_{12}O_{6} \rightarrow CH_{3}COOH + H_{2}O$$
Fermentazione glicerica
Nella fermentazione glicerica il diidrossiacetone fosfato, un intermedio della glicolisi, è trasformato in glicerolo.
Fermentazione malolattica
La fermentazione malolattica utilizza, come substrato, l'acido malico e porta alla formazione di acido lattico.
$$COOH-CHOH-CH_{2}-COOH \rightarrow COOH-CHOH-CH_{3} + CO_{2}$$
Fermettazione propionica
La fermentazione propionica è operata da un singolo genere batterico: Propionibactericum. Questa reazione è alla base del processo di maturazione di molti formaggi.
Fermentazione butirrica
La fermentazione butirrica è alla basa del processo di caseificazione. Utilizza come substrato di partenza l'acido lattico per la produzione di acido acetico, acido butirrico, idrogeno molecolare (H2) e anidride carbonica (CO2).
Tavola e riassunto delle fermentazioni
Riassunto e specchietto delle fermentazioni
| Fermentazione |
Substrato |
Prodotto |
|---|
| Fermentazione alcolica |
Glucosio |
Etanolo, anidride carbonica |
| Fermentazione omolattica |
Piruvato |
Acido lattico |
| Fermentazione eterolattica |
Piruvato |
Acido lattico, etanolo, anidride carbonica |
| Fermentazione acetica |
Etanolo |
Acido acetico |
| Fermentazione glicerica |
Diidrossiacetone fosfato |
Glicerolo |
| Fermentazione malolattica |
Acido malico |
Acido lattico, anidride carbonica |
| Fermentazione propionica |
Acido lattico |
Acido propionico, acido acetico, anidride carbonica |
| Fermentazione butirrica |
Acido lattico |
Acido buturrico, acido acetico, anidride carbonica, idrogeno molecolare |
Introduzione ai carboidrati: Introduzione e classificazione dei carboidrati, Struttura e chiralità degli zuccheri, monosaccaridi, disaccaridi, polisaccaridi. Glucosio e mutarotazione del glucosio.
Introduzione ai lipidi: I lipidi
Introduzione agli aminoacidi: Aminoacidi, carica ionica degli aminoacidi, punto isoelettrico, legame peptidico.
Metabolismo degli aminoacidi: Transaminazione, ciclo dell'urea.
Metabolismo dei carboidrati: Glicolisi, , regolazione della glicolisi, regolazione del metabolismo del glucosio, gluconeogenesi, via dei pentoso fosfati, glicogenolisi. Regolazione del glucosio ematico.
Ciclo di Krebs: Decarbossilazione ossidativa del piruvato.
Introduzione alle proteine: Proteine e struttura (struttura primaria, struttura secondaria, struttura terziaria alfa-elica, foglietto beta), enzimi, emoglobina.
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