Fermentationsdefinition
Fermentation bezieht sich auf den Stoffwechselprozess, bei dem organische Moleküle (normalerweise Glucose) in Abwesenheit von Sauerstoff oder einer Elektronentransportkette in Säuren, Gase oder Alkohol umgewandelt werden. Fermentationswege regenerieren das Coenzym Nicotinamid-Adenindinukleotid (NAD +), das bei der Glykolyse zur Freisetzung von Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet wird. Die Fermentation liefert nur ein Netto von 2 ATP pro Glucosemolekül (durch Glykolyse), während die aerobe Atmung mit Hilfe der Elektronentransportkette bis zu 32 Moleküle ATP pro Glucosemolekül liefert.Das Studium der Fermentation und ihrer praktischen Anwendungen heißt Zymologie und entstand 1856, als der französische Chemiker Louis Pasteur nachwies, dass die Fermentation durch Hefe verursacht wurde. Fermentation tritt in bestimmten Arten von Bakterien und Pilzen auf, die eine sauerstofffreie Umgebung benötigen, um zu leben (bekannt als obligate Anaerobier), in fakultativen Anaerobier wie Hefe, und auch in Muskelzellen, wenn Sauerstoff knapp ist (wie bei anstrengenden Übungen). Die Fermentationsprozesse sind für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie wertvoll, mit der Umwandlung von Zuckern in Ethanol zur Herstellung alkoholischer Getränke, der Freisetzung von CO2 durch Hefe zum Aufgehen von Brot und der Herstellung organischer Säuren zur Konservierung und Aromatisierung von Gemüse und Milchprodukten.
Funktion der Fermentation
Die Hauptfunktion der Fermentation besteht darin, NADH wieder in das Coenzym NAD + umzuwandeln, damit es wieder für die Glykolyse verwendet werden kann. Während der Fermentation reagiert ein organischer Elektronenakzeptor (wie Pyruvat oder Acetaldehyd) mit NADH unter Bildung von NAD + und erzeugt dabei Produkte wie Kohlendioxid und Ethanol (Ethanolfermentation) oder Lactat (Milchsäuregärung).
Arten der Fermentation
Es gibt viele Arten der Fermentation, die sich durch die aus Pyruvat oder seinen Derivaten gebildeten Endprodukte auszeichnen. Die beiden Fermentationen, die am häufigsten von Menschen zur Herstellung kommerzieller Lebensmittel verwendet werden, sind die Ethanolfermentation (für Bier und Brot) und die Milchsäuregärung (zum Würzen und Konservieren von Milchprodukten und Gemüse).
Ethanol-Fermentation
Diese Abbildung zeigt die Prozesse der Glykolyse und Ethanol-Fermentation.
Bei der Ethanolfermentation wird das durch Glykolyse erzeugte Pyruvat in zwei Schritten in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt. Zuerst setzt das Pyruvat Kohlendioxid frei, um eine Zwei-Kohlenstoff-Verbindung namens Acetaldehyd zu bilden. Als nächstes wird Acetaldehyd durch NADH zu Ethanol reduziert, wodurch das NAD + zur Verwendung in der Glykolyse regeneriert wird. Insgesamt wird ein Molekül Glucose in zwei Moleküle Kohlendioxid und zwei Moleküle Ethanol umgewandelt.
Die Ethanolfermentation wird typischerweise von Hefe durchgeführt, einem einzelligen Pilz.
Milchsäuregärung
Diese Abbildung zeigt die Prozesse der Glykolyse und der homolaktischen Fermentation.
Es gibt zwei Haupttypen der Milchsäuregärung: homolaktische und heterolaktische. Bei der homolaktischen Säuregärung reduziert NADH Pyruvat direkt zu Lactat. Dieser Prozess setzt kein Gas frei. Insgesamt wird ein Molekül Glucose in zwei Moleküle Lactat umgewandelt. Bei der heterolaktischen Fermentation wird etwas Lactat weiter metabolisiert, was über den Phosphoketolase-Weg zu Ethanol und Kohlendioxid führt.
Die Milchsäuregärung wird hauptsächlich von bestimmten Arten von Bakterien und Pilzen durchgeführt. Diese Art der Fermentation tritt jedoch auch in Muskelzellen auf, um ATP zu produzieren, wenn die Sauerstoffversorgung während anstrengenden Trainings erschöpft ist und keine aerobe Atmung möglich ist.
Fermentation Equation
Ethanol Fermentation
glucose → 2 ethanol + 2 carbon dioxide
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2
Lactic Acid Fermentation
glucose → 2 lactic acid
C6H12O6 → 2 C3H6O3
Products of Fermentation
While there are a number of products from fermentation, the most common are ethanol, lactic acid, carbon dioxide, and hydrogen gas (H2). Diese Produkte werden kommerziell in Lebensmitteln, Vitaminen, Pharmazeutika oder als Industriechemikalien verwendet. Darüber hinaus bieten viele weniger verbreitete Produkte immer noch einen kommerziellen Wert. Zum Beispiel wurde die Herstellung von Aceton über die Aceton – Butanol – Ethanol-Fermentation zuerst von dem jüdischen Chemiker Chaim Weizmann entwickelt und war für die britische Kriegsindustrie während des Ersten Weltkriegs wichtig.
Quiz
1. Was ist das Coenzym, das durch den Fermentationsprozess regeneriert wird?
A. NADH
B. NAD+
C. Ethanol
D. Milchsäure
2. Welche Art von Gärung tritt in Muskelzellen bei anstrengendem Training auf?
A. Ethanol
B. Gemischte Säure
C. Milchsäure
D. Buttersäure
3. Welcher Chemiker hat die Rolle von Hefe bei der Fermentation demonstriert?
A. Chaim Weizmann
B. Louis Pasteur
C. Marie Curie
D. Antoine Lavoisier
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