Teoria fermentacji

Ludwik Pasteur , Archives Photographiques

W biochemii teoria fermentacji odnosi się do historycznego badania modeli naturalnych procesów fermentacji, zwłaszcza fermentacji alkoholowej i mlekowej . Znani współautorzy tej teorii to Justus Von Liebig i Louis Pasteur , z których ten ostatni opracował czysto mikrobiologiczne podstawy procesu fermentacji w oparciu o swoje eksperymenty. Prace Pasteura nad fermentacją doprowadziły później do opracowania przez niego teorii zarazków chorobotwórczych , która położyła kres koncepcji spontanicznego generowania. Chociaż proces fermentacji był szeroko stosowany w całej historii przed powstaniem dominujących teorii Pasteura, leżące u jego podstaw procesy biologiczne i chemiczne nie zostały w pełni poznane. Współcześnie fermentację wykorzystuje się do produkcji różnych napojów alkoholowych, artykułów spożywczych i leków.

Przegląd fermentacji

Proces fermentacji

Fermentacja to beztlenowy proces metaboliczny, który przekształca cukier w kwasy, gazy lub alkohole w środowiskach pozbawionych tlenu. Drożdże i wiele innych drobnoustrojów powszechnie wykorzystuje fermentację do oddychania beztlenowego niezbędnego do przeżycia. Nawet ludzkie ciało od czasu do czasu przeprowadza procesy fermentacji, na przykład podczas biegu długodystansowego; kwas mlekowy gromadzi się w mięśniach podczas długotrwałego wysiłku. W ludzkim ciele kwas mlekowy jest produktem ubocznym ATP , która wytwarza energię, dzięki czemu organizm może kontynuować ćwiczenia w sytuacjach, w których pobór tlenu nie może być przetwarzany wystarczająco szybko. Chociaż fermentacja daje mniej ATP niż oddychanie tlenowe, może zachodzić ze znacznie większą szybkością. Fermentacja była świadomie stosowana przez ludzi od około 5000 lat p.n.e., o czym świadczą słoiki znalezione w rejonie irańskich gór Zagros, zawierające pozostałości drobnoustrojów podobnych do tych obecnych w procesie produkcji wina.

Historia

Przed badaniami Pasteura nad fermentacją istniały pewne wstępne konkurencyjne koncepcje na jej temat. Jednym z naukowców, który wywarł znaczny wpływ na teorię fermentacji, był Justus von Liebig . Liebig uważał, że fermentacja była w dużej mierze procesem rozkładu w wyniku wystawienia drożdży na działanie powietrza i wody. Teorię tę potwierdziła obserwacja Liebiga, że ​​inne rozkładające się substancje, takie jak zgniłe części roślin i zwierząt, oddziałują z cukrem w podobny sposób jak drożdże. Oznacza to, że rozkład materii białkowej (tj. białek rozpuszczalnych w wodzie) spowodował przekształcenie cukru w ​​alkohol. Liebig utrzymywał ten pogląd aż do swojej śmierci w 1873 roku. Odmienną teorię poparli Charles Cagniard de la Tour i teoretyk komórki Theodor Schwann , którzy twierdzili, że fermentacja alkoholowa zależy od procesów biologicznych przeprowadzanych przez drożdże piwne.

Zainteresowanie Louisa Pasteura fermentacją zaczęło się, gdy zauważył pewne niezwykłe właściwości alkoholu amylowego — produktu ubocznego kwasu mlekowego i fermentacji alkoholowej — podczas swoich badań biochemicznych. W szczególności Pasteur zauważył jego zdolność do „obracania płaszczyzny spolaryzowanego światła ” i „niesymetrycznego rozmieszczenia atomów”. prawo korelacji hemiedrycznej”. Pasteur już wcześniej próbował wyprowadzić związki między budową chemiczną substancji a kształtem zewnętrznym, a optycznie czynny alkohol amylowy nie spełnił jego oczekiwań zgodnie z proponowanym „prawem”. Pasteur szukał powodu, dla którego tak się stało być tym wyjątkiem i przede wszystkim dlaczego taki związek chemiczny powstał podczas procesu fermentacji.W serii wykładów później w 1860 r. Pasteur próbował powiązać aktywność optyczną i asymetrię molekularną z organicznym pochodzeniem substancji, twierdząc, że żadna substancja chemiczna procesy były w stanie przekształcić substancje symetryczne (nieorganiczne) w asymetryczne (organiczne).Stąd obserwacja alkoholu amylowego dostarczyła niektórych z pierwszych motywacji do biologicznego wyjaśnienia fermentacji.

W 1856 roku Pasteur był w stanie obserwować pod mikroskopem drobnoustroje odpowiedzialne za fermentację alkoholową, jako profesor nauk ścisłych na Uniwersytecie w Lille . Według legendy zaczerpniętej z biografii Pasteura z 1900 roku, jeden z jego studentów chemii – właściciel fabryki spirytusu buraczanego w Lille – zwrócił się do niego o pomoc po nieudanym roku warzenia piwa. Pasteur przeprowadził eksperymenty w fabryce, obserwując proces fermentacji, zauważając, że globulki drożdży wydłużały się po utworzeniu kwasu mlekowego, ale były okrągłe i pełne, gdy alkohol fermentował prawidłowo.

W innej obserwacji Pasteur zbadał pod mikroskopem cząsteczki pochodzące z winorośli i ujawnił obecność żywych komórek. Pozostawienie tych komórek zanurzonych w soku winogronowym spowodowało aktywną fermentację alkoholową. Ta obserwacja dostarczyła dowodów na zakończenie rozróżnienia między „sztuczną” fermentacją w winie a „prawdziwą” fermentacją w produktach drożdżowych. Poprzednie błędne rozróżnienie wynikało częściowo z faktu, że drożdże musiały być dodawane do brzeczki piwnej w celu wywołania pożądanej fermentacji alkoholowej, podczas gdy katalizatory fermentacji wina występowały naturalnie na winorośli; fermentacja wina była postrzegana jako „sztuczna”, ponieważ nie wymagała dodatkowego katalizatora, ale naturalny katalizator był obecny w samej winorośli. Te obserwacje dostarczyły Pasteurowi hipotezy roboczej dla przyszłych eksperymentów.

Jednym z procesów chemicznych, które badał Pasteur, była fermentacja cukru do kwasu mlekowego, tak jak ma to miejsce w przypadku zakwaszania mleka. W eksperymencie z 1857 roku Pasteur był w stanie wyizolować mikroorganizmy obecne w fermentacji mlekowej po zajściu procesu chemicznego. Następnie Pasteur wyhodował mikroorganizmy w hodowli w swoim laboratorium. Był wtedy w stanie przyspieszyć proces fermentacji kwasu mlekowego w świeżym mleku, podając do niego hodowaną próbkę. Był to ważny krok w udowodnieniu jego hipotezy, że fermentacja kwasu mlekowego była katalizowana przez mikroorganizmy.

Pasteur eksperymentował również z mechanizmami drożdży piwnych pod nieobecność azotu organicznego. Dodając czyste drożdże piwne do roztworu cukru trzcinowego, soli amonowej i popiołu drożdżowego, Pasteur był w stanie obserwować proces fermentacji alkoholowej ze wszystkimi typowymi produktami ubocznymi: gliceryną, kwasem bursztynowym oraz niewielkimi ilościami celulozy i substancji tłuszczowych. Jednakże, gdyby którykolwiek ze składników został usunięty z roztworu, nie doszłoby do fermentacji. Dla Pasteura był to dowód na to, że drożdże wymagają azotu, minerałów i węgla z pożywki do swoich procesów metabolicznych, uwalniając kwas węglowy i alkohol etylowy jako produkty uboczne. To również obaliło teorię Liebiga, ponieważ w pożywce nie było materii białkowej; rozkład drożdży nie był siłą napędową obserwowanej fermentacji.

Blokada fermentacyjna, przykład aparatu z zakrzywioną szyjką stosowanego obecnie w piwowarstwie

Pasteur o spontanicznym powstawaniu

Przed latami sześćdziesiątymi i siedemdziesiątymi XIX wieku — kiedy Pasteur opublikował swoją pracę na temat tej teorii — wierzono, że mikroorganizmy, a nawet niektóre małe zwierzęta, takie jak żaby, będą spontanicznie generować . Spontaniczne pokolenie było historycznie wyjaśniane na różne sposoby. Arystoteles, starożytny grecki filozof, wysunął teorię, że stworzenia pojawiły się z pewnych mikstur ziemskich pierwiastków, takich jak glina lub błoto zmieszane z wodą i światłem słonecznym. Później Felix Pouchet argumentował za istnieniem „sił plastycznych” w szczątkach roślinnych i zwierzęcych, zdolnych do spontanicznego wytwarzania jaj, z których narodziły się nowe organizmy. Oprócz tego powszechnym dowodem, który wydawał się potwierdzać teorię, było pojawienie się robaków na surowym mięsie po wystawieniu go na działanie powietrza.

W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XIX wieku zainteresowanie Pasteura spontanicznym generowaniem doprowadziło go do krytyki teorii Poucheta i przeprowadzenia własnych eksperymentów. W swoim pierwszym eksperymencie wziął przegotowaną słodzoną wodę drożdżową i zamknął ją w hermetycznym urządzeniu. Doprowadzenie gorącego, sterylnego powietrza do mieszaniny pozostawiło ją niezmienioną, natomiast wprowadzenie pyłu atmosferycznego spowodowało pojawienie się drobnoustrojów i pleśni w mieszaninie. Wynik ten został również wzmocniony przez fakt, że Pasteur użył azbestu, formy całkowicie nieorganicznej materii, do przenoszenia pyłu atmosferycznego. W drugim eksperymencie Pasteur użył tych samych kolb i mieszaniny cukru i drożdży, ale pozostawił je bezczynnie w kolbach „łabędziej szyi”, zamiast wprowadzać jakiekolwiek obce substancje. Niektóre kolby były otwarte na zwykłe powietrze jako grupa kontrolna i wykazywały one wzrost pleśni i drobnoustrojów w ciągu jednego lub dwóch dni. Kiedy kolby z łabędzią szyjką nie wykazały tych samych wzrostów drobnoustrojów, Pasteur doszedł do wniosku, że struktura szyjek blokuje przedostawanie się pyłu atmosferycznego do roztworu. Na podstawie tych dwóch eksperymentów Pasteur wywnioskował, że pył atmosferyczny przenosi zarazki odpowiedzialne za „spontaniczne powstawanie” w jego bulionach. Tak więc praca Pasteura dostarczyła dowodu, że wyłaniający się wzrost bakterii w bulionach odżywczych jest spowodowany biogenezą , a nie jakąś formą spontanicznego wytwarzania.

Aplikacje

Obecnie proces fermentacji jest wykorzystywany w wielu codziennych zastosowaniach, w tym w lekach, napojach i żywności. Obecnie firmy takie jak Genencor International wykorzystują produkcję enzymów biorących udział w fermentacji do budowania przychodów w wysokości ponad 400 milionów dolarów rocznie. Wiele leków, takich jak antybiotyki, powstaje w procesie fermentacji. Przykładem jest ważny lek kortyzon , który można otrzymać w drodze fermentacji steroidu roślinnego znanego jako diosgenina .

System fermentacji Burton Union, Centrum dla zwiedzających Coors

Enzymy użyte w reakcji są dostarczane przez pleśń Rhizopus nigricans . [ potrzebne źródło ] Jak powszechnie wiadomo, alkohole wszystkich rodzajów i marek są również produkowane w drodze fermentacji i destylacji . Moonshine jest klasycznym przykładem tego, jak to się odbywa. Wreszcie, produkty spożywcze, takie jak jogurt, są również wytwarzane w procesach fermentacji. Jogurt to sfermentowany produkt mleczny, który zawiera charakterystyczne kultury bakterii Lactobacillus bulgaricus i Streptococcus thermopiles .

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fermentation_theory&oldid=1134318134 ”