Fermentação - Fermentation
A fermentação é um processo metabólico que produz alterações químicas em substratos orgânicos por meio da ação de enzimas . Em bioquímica , é estritamente definido como a extração de energia dos carboidratos na ausência de oxigênio . Na produção de alimentos , pode referir-se mais amplamente a qualquer processo no qual a atividade de microrganismos acarreta uma mudança desejável em um alimento ou bebida. A ciência da fermentação é conhecida como zimologia .
Em microrganismos, a fermentação é o principal meio de produção de trifosfato de adenosina (ATP) pela degradação de nutrientes orgânicos anaerobicamente . A equação da palavra para fermentação é: glicose → etanol + dióxido de carbono, ou C
6H
12O
6(aq) → 2C
2H
5OH (l) + 2CO
2(g). Os humanos usam a fermentação para produzir alimentos e bebidas desde o Neolítico . Por exemplo, a fermentação é usada para preservação em um processo que produz ácido lático encontrado em alimentos ácidos como pepinos em conserva , kombucha , kimchi e iogurte , bem como para a produção de bebidas alcoólicas, como vinho e cerveja . A fermentação também ocorre no trato gastrointestinal de todos os animais, incluindo humanos.
Definições
Abaixo estão algumas definições de fermentação. Eles variam de usos informais e gerais a definições mais científicas.
- Métodos de preservação de alimentos por meio de microrganismos (uso geral).
- Qualquer processo microbiano em grande escala ocorrendo com ou sem ar (definição comum usada na indústria).
- Qualquer processo que produza bebidas alcoólicas ou laticínios ácidos (uso geral).
- Qualquer processo metabólico de liberação de energia que ocorre apenas em condições anaeróbicas (algo científico).
- Qualquer processo metabólico que libera energia de um açúcar ou outra molécula orgânica não requer oxigênio ou um sistema de transporte de elétrons e usa uma molécula orgânica como o aceptor final de elétrons (mais científico).
Papel biológico
Junto com a respiração aeróbica , a fermentação é um método para extrair energia das moléculas. Este método é o único comum a todas as bactérias e eucariotos . É, portanto, considerada a mais antiga via metabólica , adequada para ambientes primitivos - antes da vida das plantas na Terra, ou seja, antes do oxigênio na atmosfera.
A levedura , uma forma de fungo , ocorre em quase todos os ambientes capazes de sustentar micróbios, desde a casca das frutas até as vísceras de insetos e mamíferos e as profundezas do oceano. As leveduras convertem (quebram) moléculas ricas em açúcar para produzir etanol e dióxido de carbono.
Os mecanismos básicos de fermentação permanecem presentes em todas as células de organismos superiores. O músculo dos mamíferos realiza a fermentação durante os períodos de exercício intenso, onde o suprimento de oxigênio se torna limitado, resultando na criação de ácido lático . Em invertebrados , a fermentação também produz succinato e alanina .
Bactérias fermentativas desempenham um papel essencial na produção de metano em habitats que vão desde o rúmen do gado até digestores de esgoto e sedimentos de água doce. Eles produzem hidrogênio, dióxido de carbono, formato e acetato e ácidos carboxílicos . Então, consórcios de micróbios convertem o dióxido de carbono e o acetato em metano. Bactérias acetogênicas oxidam os ácidos, obtendo mais acetato e hidrogênio ou formato. Finalmente, os metanógenos (no domínio Archea ) convertem o acetato em metano.
Visão geral bioquímica
Fermentação reage NADH com um endógeno , orgânico aceitador de electrões . Normalmente, este é o piruvato formado a partir do açúcar por meio da glicólise . A reação produz NAD + e um produto orgânico, exemplos típicos sendo etanol , ácido lático e gás hidrogênio (H 2 ) , e muitas vezes também dióxido de carbono . No entanto, compostos mais exóticos podem ser produzidos por fermentação, como ácido butírico e acetona . Os produtos da fermentação são considerados produtos residuais, uma vez que não podem ser metabolizados sem o uso de oxigênio.
A fermentação normalmente ocorre em um ambiente anaeróbio . Na presença de O 2 , NADH e piruvato são usados para gerar ATP na respiração . Isso é chamado de fosforilação oxidativa . Isso gera muito mais ATP do que apenas a glicólise. Ele libera a energia química do O 2 . Por esse motivo, a fermentação raramente é usada quando o oxigênio está disponível. No entanto, mesmo na presença de oxigênio abundante, algumas cepas de leveduras , como Saccharomyces cerevisiae, preferem a fermentação à respiração aeróbia , desde que haja um suprimento adequado de açúcares (fenômeno conhecido como efeito Crabtree ). Alguns processos de fermentação envolvem anaeróbios obrigatórios , que não toleram oxigênio.
Embora a levedura conduza a fermentação na produção de etanol em cervejas , vinhos e outras bebidas alcoólicas, este não é o único agente possível: as bactérias conduzem a fermentação na produção de goma xantana .
Produtos de fermentação
Etanol
Na fermentação do etanol, uma molécula de glicose é convertida em duas moléculas de etanol e duas moléculas de dióxido de carbono . Ele é usado para fazer a massa do pão crescer: o dióxido de carbono forma bolhas, expandindo a massa em uma espuma. O etanol é o agente intoxicante em bebidas alcoólicas como vinho, cerveja e licor. A fermentação de matérias-primas, incluindo cana-de-açúcar , milho e beterraba , produz etanol que é adicionado à gasolina . Em algumas espécies de peixes, incluindo o peixinho dourado e a carpa , ele fornece energia quando o oxigênio é escasso (junto com a fermentação do ácido láctico).
A figura ilustra o processo. Antes da fermentação, uma molécula de glicose se divide em duas moléculas de piruvato ( glicólise ). A energia dessa reação exotérmica é usada para ligar fosfatos inorgânicos ao ADP, que o converte em ATP e converte o NAD + em NADH. Os piruvatos se dividem em duas moléculas de acetaldeído e liberam duas moléculas de dióxido de carbono como resíduos. O acetaldeído é reduzido a etanol usando a energia e o hidrogênio do NADH, e o NADH é oxidado em NAD + para que o ciclo se repita. A reação é catalisada pelas enzimas piruvato descarboxilase e álcool desidrogenase.
Ácido lático
A fermentação homolática (produzindo apenas ácido lático) é o tipo mais simples de fermentação. O piruvato da glicólise sofre uma reação redox simples , formando ácido lático . No geral, uma molécula de glicose (ou qualquer açúcar de seis carbonos) é convertida em duas moléculas de ácido lático:
- C 6 H 12 O 6 → 2 CH 3 CHOHCOOH
Ela ocorre nos músculos dos animais quando eles precisam de energia mais rapidamente do que o sangue pode fornecer oxigênio. Também ocorre em alguns tipos de bactérias (como lactobacilos ) e alguns fungos . É o tipo de bactéria que converte a lactose em ácido lático no iogurte , conferindo-lhe seu sabor azedo. Essas bactérias de ácido láctico podem realizar a fermentação homolática , em que o produto final é principalmente o ácido láctico, ou a fermentação heterolática , em que algum lactato é posteriormente metabolizado em etanol e dióxido de carbono (por meio da via da fosfocetolase ), acetato ou outros produtos metabólicos, por exemplo:
- C 6 H 12 O 6 → CH 3 CHOHCOOH + C 2 H 5 OH + CO 2
Se a lactose for fermentada (como em iogurtes e queijos), ela é primeiro convertida em glicose e galactose (ambos açúcares de seis carbonos com a mesma fórmula atômica):
- C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 2 C 6 H 12 O 6
A fermentação heterolática é, em certo sentido, intermediária entre a fermentação de ácido lático e outros tipos, por exemplo, fermentação alcoólica . As razões para ir mais longe e converter o ácido láctico em outra coisa incluem:
- A acidez do ácido láctico impede os processos biológicos. Isso pode ser benéfico para o organismo em fermentação, pois afasta concorrentes inadaptados à acidez. Como resultado, o alimento terá uma vida útil mais longa (uma das razões pelas quais os alimentos são fermentados propositalmente); porém, a partir de certo ponto, a acidez começa a afetar o organismo que a produz.
- A alta concentração de ácido lático (o produto final da fermentação) leva o equilíbrio para trás ( princípio de Le Chatelier ), diminuindo a taxa na qual a fermentação pode ocorrer e desacelerando o crescimento.
- O etanol, no qual o ácido lático pode ser facilmente convertido, é volátil e escapará prontamente, permitindo que a reação prossiga facilmente. O CO 2 também é produzido, mas é apenas fracamente ácido e ainda mais volátil do que o etanol.
- O ácido acético (outro produto de conversão) é ácido e não tão volátil quanto o etanol; no entanto, na presença de oxigênio limitado, sua criação a partir do ácido lático libera energia adicional. É uma molécula mais leve que o ácido lático, formando menos ligações de hidrogênio com seu entorno (por ter menos grupos que podem formar tais ligações), portanto é mais volátil e também permite que a reação prossiga mais rapidamente.
- Se o ácido propiônico , o ácido butírico e os ácidos monocarboxílicos mais longos forem produzidos (consulte a fermentação de ácido misto ), a quantidade de acidez produzida por glicose consumida diminuirá, como acontece com o etanol, permitindo um crescimento mais rápido.
Gás hidrogênio
O gás hidrogênio é produzido em vários tipos de fermentação como forma de regenerar o NAD + do NADH. Os elétrons são transferidos para a ferredoxina , que por sua vez é oxidada pela hidrogenase , produzindo H 2 . O gás hidrogênio é um substrato para metanógenos e redutores de sulfato , que mantêm a concentração de hidrogênio baixa e favorecem a produção de um composto tão rico em energia, mas o gás hidrogênio em uma concentração bastante alta pode, no entanto, ser formado, como nos flatos .
Por exemplo, o Clostridium pasteurianum fermenta a glicose em butirato , acetato , dióxido de carbono e gás hidrogênio: A reação que leva ao acetato é:
- C 6 H 12 O 6 + 4 H 2 O → 2 CH 3 COO - + 2 HCO 3 - + 4 H + + 4 H 2
Proteína alternativa
A fermentação pode ser aplicada para gerar fontes alternativas de proteína. Por exemplo, alimentos à base de proteína vegetal, como o tempeh, são produzidos por fermentação. No entanto, a fermentação também pode ser usada para cultivar produtos animais feitos de material não vivo in vitro. Ovos, mel, queijo e leite são exemplos feitos de várias proteínas. Essas proteínas podem ser produzidas usando esta aplicação particular de fermentação. As substâncias que são feitas por fermentação e que se assemelham ao leite são chamadas de substitutos do leite . As substâncias que se assemelham ao queijo são chamadas de análogos do queijo e as substâncias que se assemelham a ovos são chamadas de substitutos do ovo .
Algumas empresas começaram a fornecer serviços de fermentação aos agricultores ( Farming as a Service ).
O heme é uma proteína que confere à carne a sua textura, sabor e aroma característicos. A Impossible Foods usava a fermentação para gerar um determinado filamento de heme derivado das raízes da soja, chamado leghemoglobina de soja , que foi integrado ao Impossible Burger para imitar o sabor e a aparência da carne.
De outros
Outros tipos de fermentação incluem fermentação misto de ácido , a fermentação butanodiol , fermentação butirato , fermentação caproato , fermentação acetona-butanol-etanol , e a fermentação glioxilato .
Modos de operação
A maioria da fermentação industrial usa procedimentos de lote ou lote alimentado, embora a fermentação contínua possa ser mais econômica se vários desafios, particularmente a dificuldade de manter a esterilidade, puderem ser enfrentados.
Lote
Em um processo em lote, todos os ingredientes são combinados e as reações prosseguem sem qualquer entrada adicional. A fermentação em lote tem sido usada há milênios para fazer pão e bebidas alcoólicas, e ainda é um método comum, especialmente quando o processo não é bem compreendido. No entanto, pode ser caro porque o fermentador deve ser esterilizado usando vapor de alta pressão entre os lotes. A rigor, muitas vezes há adição de pequenas quantidades de produtos químicos para controlar o pH ou suprimir a formação de espuma.
A fermentação em lote passa por uma série de fases. Há uma fase de latência na qual as células se ajustam ao ambiente; em seguida, uma fase em que ocorre o crescimento exponencial. Uma vez que muitos dos nutrientes tenham sido consumidos, o crescimento diminui e se torna não exponencial, mas a produção de metabólitos secundários (incluindo antibióticos e enzimas comercialmente importantes) acelera. Isso continua por uma fase estacionária depois que a maioria dos nutrientes foi consumida e, em seguida, as células morrem.
Fed-batch
A fermentação em lote alimentado é uma variação da fermentação em lote, onde alguns dos ingredientes são adicionados durante a fermentação. Isso permite maior controle sobre as etapas do processo. Em particular, a produção de metabólitos secundários pode ser aumentada pela adição de uma quantidade limitada de nutrientes durante a fase de crescimento não exponencial. As operações em lote do Fed costumam ser imprensadas entre as operações em lote.
Abrir
O alto custo de esterilização do fermentador entre lotes pode ser evitado usando várias abordagens de fermentação aberta que são capazes de resistir à contaminação. Uma é usar uma cultura mista desenvolvida naturalmente. Isso é particularmente favorecido no tratamento de águas residuais, uma vez que populações mistas podem se adaptar a uma ampla variedade de resíduos. Bactérias termofílicas podem produzir ácido lático em temperaturas em torno de 50 ° Celsius, o suficiente para desencorajar a contaminação microbiana; e o etanol foi produzido a uma temperatura de 70 ° C. Está logo abaixo do ponto de ebulição (78 ° C), o que facilita a extração. Bactérias halofílicas podem produzir bioplásticos em condições hipersalinas. A fermentação em estado sólido adiciona uma pequena quantidade de água a um substrato sólido; é amplamente utilizado na indústria de alimentos para produzir aromas, enzimas e ácidos orgânicos.
Contínuo
Na fermentação contínua, os substratos são adicionados e os produtos finais removidos continuamente. Existem três variedades: quimiostatos , que mantêm os níveis de nutrientes constantes; turbidostatos , que mantêm a massa celular constante; e reatores de fluxo em pistão nos quais o meio de cultura flui continuamente através de um tubo enquanto as células são recicladas da saída para a entrada. Se o processo funcionar bem, há um fluxo constante de alimentação e efluente e os custos de configurar repetidamente um lote são evitados. Além disso, pode prolongar a fase de crescimento exponencial e evitar subprodutos que inibem as reações, removendo-os continuamente. No entanto, é difícil manter um estado estacionário e evitar a contaminação, e o projeto tende a ser complexo. Normalmente, o fermentador deve funcionar por mais de 500 horas para ser mais econômico do que os processadores em lote.
História do uso de fermentação
O uso de fermentação, particularmente para bebidas , existe desde o Neolítico e foi documentado datando de 7.000 a 6.600 aC em Jiahu , China , 5.000 aC na Índia, o Ayurveda menciona muitos vinhos medicinais, 6.000 aC na Geórgia, 3150 aC no antigo Egito , 3.000 aC na Babilônia , 2.000 aC no México pré-hispânico e 1.500 aC no Sudão . Alimentos fermentados têm um significado religioso no Judaísmo e no Cristianismo . O deus báltico Rugutis era adorado como o agente de fermentação.
Em 1837, Charles Cagniard de la Tour , Theodor Schwann e Friedrich Traugott Kützing publicaram artigos independentes concluindo, como resultado de investigações microscópicas, que a levedura é um organismo vivo que se reproduz por brotamento . Schwann ferveu o suco de uva para matar o fermento e descobriu que nenhuma fermentação ocorreria até que um novo fermento fosse adicionado. No entanto, muitos químicos, incluindo Antoine Lavoisier , continuaram a ver a fermentação como uma simples reação química e rejeitaram a noção de que organismos vivos poderiam estar envolvidos. Isso foi visto como uma reversão ao vitalismo e foi satirizado em uma publicação anônima de Justus von Liebig e Friedrich Wöhler .
A virada veio quando Louis Pasteur (1822-1895), durante as décadas de 1850 e 1860, repetiu os experimentos de Schwann e mostrou que a fermentação é iniciada por organismos vivos em uma série de investigações. Em 1857, Pasteur mostrou que a fermentação do ácido lático é causada por organismos vivos. Em 1860, ele demonstrou como as bactérias causam o acidificação do leite, um processo que antes se pensava ser apenas uma mudança química. Seu trabalho na identificação do papel dos microrganismos na deterioração dos alimentos levou ao processo de pasteurização .
Em 1877, trabalhando para melhorar a indústria cervejeira francesa , Pasteur publicou seu famoso artigo sobre fermentação, " Etudes sur la Bière ", que foi traduzido para o inglês em 1879 como "Estudos sobre fermentação". Ele definiu fermentação (incorretamente) como "Vida sem ar", mas mostrou corretamente como tipos específicos de microorganismos causam tipos específicos de fermentações e produtos finais específicos.
Embora mostrar que fermentação resultante da ação de microrganismos vivos fosse um avanço, não explicava a natureza básica da fermentação; nem, provar que é causado por microorganismos que parecem estar sempre presentes. Muitos cientistas, incluindo Pasteur, tentaram sem sucesso extrair a enzima de fermentação da levedura .
O sucesso veio em 1897, quando o químico alemão Eduard Buechner triturou o fermento, extraiu um suco deles e, para seu espanto, descobriu que esse líquido "morto" fermentava uma solução açucarada, formando dióxido de carbono e álcool de maneira muito semelhante às leveduras vivas.
Os resultados de Buechner são considerados um marco do nascimento da bioquímica. Os "fermentos desorganizados" comportaram-se exatamente como os organizados. A partir de então, o termo enzima passou a ser aplicado a todos os fermentos. Entendeu-se então que a fermentação é causada por enzimas produzidas por microorganismos. Em 1907, Buechner ganhou o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho.
Os avanços na microbiologia e na tecnologia de fermentação têm continuado de forma constante até o presente. Por exemplo, na década de 1930, foi descoberto que microorganismos podiam sofrer mutação com tratamentos físicos e químicos para serem de maior rendimento, crescimento mais rápido, tolerantes a menos oxigênio e capazes de usar um meio mais concentrado. A seleção de cepas e a hibridização também se desenvolveram, afetando a maioria das fermentações alimentares modernas .
Etimologia
A palavra "fermentar" é derivada do verbo latino fervere , que significa ferver. Acredita-se que tenha sido usado pela primeira vez no final do século 14 na alquimia , mas apenas em um sentido amplo. Não foi usado no sentido científico moderno até cerca de 1600.