Fermentazione

Fermentazioni in the history

Fermentazioni … quelle grandi sconosciute

Le fermentazioni aerobiche ed anaerobiche

Tutti i viventi ricavano energia dalla demolizione del glucosio, uno zucchero a sei atomi di carbonio. Questo processo è altamente esoergonico per gli organismi aerobi, cioè quelli capaci di utilizzare l’ossigeno e di svolgere la respirazione cellulare.

Esiste tuttavia un gruppo di organismi, chiamati anaerobi, incapaci di utilizzare l’ossigeno e che limita la propria attività di demolizione alla glicolisi. La condizione anaerobica può essere obbligata, cioè legata alla impossibilità di utilizzare l’ossigeno e all’assenza degli enzimi necessari alla respirazione cellulare, o facoltativa, che entra in azione quando il livello di ossigeno cellulare cala rispetto alle richieste metaboliche. Probabilmente la fermentazione è stata il primo processo del metabolismo energetico utilizzato dai viventi primordiali, quando ancora l’ossigeno era scarsamente presente sulla Terra.

La Fermentazione Alcolica

In generale le fermentazioni sono la trasformazione chimica di sostanze organiche catalizzate per via biologica in particolare la fermentazione alcolica consiste nella trasformazione, ad opera dei lieviti, degli zuccheri presenti nel mosto, soprattutto glucosio, in alcool etilico e anidride carbonica sviluppando calore. In particolare si tratta di un processo metabolico anaerobico energetico effettuato principalmente da una famiglia di lieviti detti saccaromiceti . in particolare il priu comune è il saccharomices cerevisae.

Breve storia della fermentazione

Il chimismo della fermentazione viene descritto nella seconda metà del 700 dal chimico francese Gay-Lussac , noto soppratutto per le leggi  sui gas da lui enunciate. Oltre studiato la composizione dell’acqua in collaborazione con il naturalista tedesco Humbolt Alexander von ,scoprendone la composizione di idrogeno e ossigeno.

C6H12O6 D 2C2H5OH + 2CO2 + 22 kcal.

=

1 zucchero =  2 alcool etilico ­+ 2 anidride carbonica + 22 kcal (calore)

Articolo interessante

http://diogenesii.wordpress.com/2012/02/19/february-19-1626-a/

Il filosofo e medico   F. Redi fece il primo esperimento scientifico biologico nel 1665 il quale confutava la teoria della generazione spontanea .

John needdham eclesiastico scozzese fece altre sperimentazioni facendo bollire zuppe e chiudendole in vasi sterili con tappi di sughero , le quali a distanza di pochi giorni fermentavano.

Questo portò l’ ecclesiastico a pensare che in tutta la materia esistesse una forza vitale responsabile della fermentazione.

Lazzaro Spallanzani abate e biologo italiano riprodusse l’esperimento facendo bollire le zuppe per un tempo maggiore e sigillando i vasi in maniere diverse. In fine ipotizzo l’esistenza di microrganismi , che le zuppe dovevano esser bollite per tempi più prolungati per sterilizzarla e che il tappo in sughero aveva fori troppo grandi in grado di far passare i microorganismi mentre Needham rispose che la bollitura estrema uccideva la forza vitale.  La diatriba si fece cosi accesa che l’ università delle scienze di Parigi offri un premio a chi fosse stato in grado di far luce sull’argomento.

Il premio venne vinto da L. Pasteur 1864 con un semplice esperimento di ampolle che permettevano il passaggio di aria ma non di spore e batteri le quali contenevano acqua sterilizzata,  dimostrò cosi che solo  spezzando il collo di queste provette permettendo di conseguenza il passaggio di spore e batteri  era possibile ottenere una fermentazione.

L. Pasteur nel 1866 scrisse il suo libro “ studi sul vino” da tutti considerato l’inizio dell’enologia.

Il PROCESSO CHIMICO

La fermentazione alcoolica è caratterizzata da due fasi  , nella prima lo lievito divide gli zuccheri complessi ( es. saccarosio ) tramite l’enzima invertasi , similare alla diastasi. Con questa operazione si ottengono zuccheri semplici come il fruttosio.

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆

Nella seconda fase all’interno del’ organismo anaerobico si verifica la glicolisi ( processo di scissione del glucosio in piruvato per la liberazione di atp = adenosina trifosfato = energia ) con il glucosio .

 1Glucosio =>  2 atp ­­­+ 2 piruvato

La mancanza di ossigeno impedisce il normale circolo di Krebs e la respirazione cellulare aerobica per tali ragione la cellula passa alla fermentazione per la produzione di energia anziche la per lei piu redditizia , respirazione cellulare.

Lacido piruvato (CH₃COCOOH)  viene privato di una molecola di anidride carbonica liberata nell’ambiente extracellulare ( esterno) e spezzando il gruppo –COOH per formare come prodotto intermedio l’aldeide acetica (molto velenosa).

In seguito viene arricchita con 2 ioni di idrogeno ricaricando cosi le molecole di nad (nicotinammide adenina di nucleotide molecola con lo scopo biologico di trasferimento di elettroni tramite lo spostamento di atomi di idrogeno) .

La reazione totale sintetizzata è :

C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₆O + 2 CO₂

1 Glucosio = 2Alcol Etilico + 2Anidride Carbonica + Calore (22Kcal)

L’andamento della fermentazione è determinato da diversi fattori:

•  Lo spettro di temperatura ottimale è tra i 25 ed i 30 gradi con un massimo di 40 ed una punta minima di 5 °C.

• La concentrazione zuccherina troppo elevata ( ottimale 20 25 % circa ) del mosto può rendere difficile l’inizio della fermentazione a causa della membrana semipermeabile del lievito e della quindi possibilità di fenomeni osmotici che portano al rallentamento del processo ed in fine alla morte della cellula per disidratazione. Generalmente viene utilizzato il saccaromycae cerevisae ma in particolare per mosti molto zuccherini o per la presa di spuma si tende ad utilizzare il saccharomycae bayanus ( molto resistente all’ alcool . potere alcoolimetro oltre i 15% , spettro di temperatura ampio 10 32 gradi resistente all’ so2 )

• La quantità di alcool etilico prodotto può inibire l’attività dei lieviti in quanto l’alcool è un antisettico

• L’acidità del mosto può condizionare l’attività dei lieviti; il ph ottimale è 4 4.5 con un massimo di 7 ed un minimo di 3.

• L’aerazione iniziale del mosto può essere utile in quanto i lieviti richiedono una certa quantità di ossigeno per svilupparsi e come iniettore di fermentazione.

•  La presenza di sostanze anticrittogamiche e di anidride solforosa in eccesso può inibire la fermentazione.

• Necessitano di sostanze azotate per la duplicazione cellulare ed in particolare per la creazione delle membrane cellulari delle cellule figlie

Utilizzi

La fermentazione è un processo chimico molto antico utilizzato sin dai sumeri e dagli egizi per la produzione di birra e vino , anche se in quest’ultimo caso manca completamente la prima fase in quanto è già presente il fruttosio come zucchero semplice. Al contrario nella produzione del pane la produzione di CO2 è responsabile della lievitazione dell’ impasto.  Stessa cosa che succede nei vini frizzanti dove la CO2 rimane in soluzione finche la pressione isobarica rimane costante.

La Fermentazione Malolattica

La fermentazione malolattica anche detta disadicidazione biologica consiste nella trasformazione di una molecola di acido malico in una di acido lattico e una di anidride carbonica.

Acido Malico = Acido Lattico + Anidride Carbonica

Questo tipo di fermentazione è utile nei vini rossi e generalmente da evitare nei vini bianchi anche se ci sono eccezioni.

La Malolattica comporta una diminuzione dell’acidità del vino donandogli caratteristiche di morbidezza e rotondità e ricchezza di corpo per via della concentrazione dei polisaccaridi. I toni erbacei divengono meno marcati e si accentuano le note di noce vaniglia cuoio , quindi profumi secondari e terziari.

I batteri lattici (famiglia lactobacillus Es. Pediococcus cerevisiae, Oenococcus oeni, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus hilgardii, Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri e Lactobacillus fructivorans) modificano  l’acido malico presente nell’uva e lo  trasformano in acido lattico che ha un ph piu basso e anidride carbonica.

Dal punto di vista chimico la fermentazione malo lattica avviene secondo la seguente reazione :

COOH-CH₂-CHOH-COOH    =>    CH₃-CHOH-COOH + CO₂

Dove da una molecola di acido malico (bicarbossidico) se ne forma una di acido lattico (monocarbossilico) ed una di co2 .

La fermentazione malo-lattica è influenzata da:

-presenza di vitamine e amminoacidi (necessari per lo  sviluppo dei batteri lattici ed il loro nutrimento);

-valore del pH (ha un’azione selettiva sui batteri lattici;  inoltre determina la prontezza e la durata della fermentazione);

-presenza dell’anidride solforosa combinata ai composti carbonilici.

La Fermentazione Acetica

La fermentazione acetica è il processo principale sfruttato per la produzione dell’aceto .

E’ svolta per merito dei Gluconobacter suboxidans, batteri aerobici che ossidano l’etanolo ad acido acetico sfruttando l’ossigenoatmosferico.
Si puo ottenere rispettando le seguenti condizioni :

• Temperatura tra i 20 ed i 30
• Titolo di etanolo non superiore ai 10%
• Presenza di ossigeno

Nel 1822 Lavoisier fu il primo a dimostrare che la fermentazione acetica consiste nell’ossidazione dell’etanolo , in oltre il chimico francese fu il primo a riconoscere e dare il nome all’ossigeno dal greco “ formatore d acidità” ed l’azoto “ senza vita”.

La Fermentazione lattica

La fermentazione lattica è una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni batteri e nella cellula animale in assenza di ossigeno. Consiste nella trasformazione di una molecola di glucosio (o di un altro zucchero fermentabile) in due molecole diacido piruvico che vengono successivamente ridotte ad acido lattico con una bassa resa energetica. Questa via metabolica prende il nome dal principale prodotto finale ma viene detta anche omolattica per distinguerla da quella eterolattica che utilizza un meccanismo diverso.
La fermentazione lattica si incontra principalmente nei lattobacilli e nel metabolismo anaerobico di alcuni tessuti (muscolo) degli organismi pluricellulari.
Viene sfruttata a livello industriale per la produzione di formaggi e latticini.

C3H4O3 + 2 NADH g C3H6O3 + 2 NAD+

acido piruvico              acido lattico