Ферментация

Ферментация — это биохимический процесс метаболического разложения органических веществ, преимущественно углеводов, в анаэробных (бескислородных) условиях, осуществляемый микроорганизмами или выделенными из них ферментами. В ходе ферментации происходит окисление субстрата (например, глюкозы) с образованием энергии (АТФ) и выделением различных конечных продуктов — спиртов, органических кислот, газов. В широком смысле термин «ферментация» часто используется как синоним брожения, однако в биотехнологии и пищевой промышленности под ферментацией понимают любой контролируемый процесс переработки сырья с помощью микроорганизмов, их ферментов или культур клеток, протекающий как в анаэробных, так и в аэробных условиях.

История изучения

Ферментация известна человечеству с глубокой древности. Археологические данные свидетельствуют о том, что ещё 9–10 тысяч лет назад в регионе Плодородного полумесяца (территория современных Ирака, Сирии, Израиля) люди получали алкогольные напитки путём спонтанного брожения виноградного сока или зерновых суслов. Аналогичные процессы использовались в Древнем Египте (около 3000 г. до н. э.) для выпечки хлеба и пивоварения, а также в Китае (около 7000 г. до н. э.) для получения ферментированных напитков из риса, мёда и фруктов.

Долгое время природа ферментации оставалась загадочной. В XVII веке Антони ван Левенгук, рассматривая капли пивного сусла под микроскопом, впервые описал дрожжевые клетки, но не связал их с процессом брожения. Научное объяснение началось в XIX веке. В 1837 году французский физик Шарль Каньяр де Латур, немецкий физиолог Теодор Шванн и немецкий химик Фридрих Кюцинг независимо друг от друга доказали, что дрожжи являются живыми организмами, ответственными за спиртовое брожение.

Решающий вклад внёс Луи Пастер. В 1857 году он опубликовал работу «Мемуар о молочнокислом брожении», где показал, что каждое брожение вызывается специфическим микроорганизмом. Пастер экспериментально доказал, что брожение — это жизненный процесс, протекающий в отсутствие кислорода (анаэробиоз). Он также разработал метод пастеризации для предотвращения нежелательной ферментации в вине и пиве.

В конце XIX века немецкий химик Эдуард Бухнер совершил прорыв, получив в 1897 году бесклеточный дрожжевой экстракт, который вызывал спиртовое брожение. Он показал, что ферментация может протекать вне живой клетки, под действием растворимых ферментов (зимазы). За это открытие Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии в 1907 году. В XX веке были расшифрованы биохимические пути ферментации (гликолиз, цикл Кребса), а с развитием микробиологии и генной инженерии ферментация стала основой промышленной биотехнологии.

Биохимические основы

В основе ферментации лежит последовательность ферментативных реакций, известная как гликолиз (путь Эмбдена — Мейергофа — Парнаса). В ходе гликолиза одна молекула глюкозы (C₆H₁₂O₆) расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (пирувата, C₃H₄O₃) с образованием двух молекул АТФ и двух молекул восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (НАДН).

В аэробных условиях пируват далее окисляется в митохондриях до углекислого газа и воды. В анаэробных условиях, когда кислород отсутствует, клетка должна регенерировать НАД⁺ из НАДН, чтобы гликолиз мог продолжаться. Для этого пируват или его производные восстанавливаются, принимая электроны от НАДН. Именно этот процесс восстановления и представляет собой ферментацию.

Конечный продукт восстановления пирувата определяет тип ферментации. Основные типы включают:

• Спиртовое брожение: пируват декарбоксилируется до ацетальдегида, который затем восстанавливается НАДН до этанола. Осуществляется дрожжами (род Saccharomyces) и некоторыми бактериями.
• Молочнокислое брожение: пируват непосредственно восстанавливается НАДН до молочной кислоты. Характерно для молочнокислых бактерий (род Lactobacillus, Streptococcus) и клеток мышечной ткани человека при интенсивной нагрузке.
• Маслянокислое брожение: пируват превращается в масляную кислоту, углекислый газ и водород. Осуществляется бактериями рода Clostridium.
• Пропионовокислое брожение: пируват через ряд промежуточных стадий превращается в пропионовую и уксусную кислоты. Характерно для пропионовокислых бактерий (род Propionibacterium), используемых в производстве твёрдых сыров (например, швейцарского).

Классификация и виды ферментации

Ферментацию классифицируют по нескольким признакам.

По типу микроорганизмов

• Дрожжевая: спиртовая, с образованием этанола и CO₂.
• Бактериальная: молочнокислая, уксуснокислая, маслянокислая, пропионовокислая.
• Плесневая: с использованием мицелиальных грибов (например, Aspergillus oryzae для производства соевого соуса).

По условиям проведения

• Спонтанная (естественная): происходит за счёт микрофлоры, присутствующей в сырье или окружающей среде. Примеры: квашение капусты, получение кефира в домашних условиях.
• Управляемая (направленная): в сырьё вносят чистые культуры микроорганизмов (закваски) для получения предсказуемого результата. Используется в промышленности: пивоварение, виноделие, производство хлеба, йогуртов.

По типу субстрата

• Углеводная: на основе сахаров, крахмала, целлюлозы.
• Белковая: ферментация белковых продуктов (соевые бобы, рыба, мясо) для изменения текстуры и вкуса.
• Липидная: ферментация жиров, например, при производстве некоторых видов сыров.

По типу конечного продукта

• Спиртовая: этанол, CO₂.
• Кислотная: молочная, уксусная, пропионовая, масляная кислоты.
• Газовая: водород, метан (метаногенез у архей).

Применение в промышленности и быту

Ферментация является основой множества традиционных и современных производств.

Пищевая промышленность

• Хлебопечение: дрожжевое брожение теста обеспечивает его разрыхление углекислым газом.
• Алкогольная продукция: производство пива, вина, сидра, крепких напитков (виски, ром, водка) основано на спиртовом брожении.
• Молочные продукты: йогурт, кефир, сметана, творог, сыры получают путём молочнокислого брожения. В производстве твёрдых сыров участвуют пропионовокислые бактерии.
• Квашение и соление: квашеная капуста, солёные огурцы, мочёные яблоки — результат молочнокислого брожения под действием бактерий, обитающих на поверхности овощей.
• Соевые продукты: мисо, соевый соус, темпе производятся с использованием плесневых грибов и бактерий.
• Уксус: получают уксуснокислым брожением (окислением этанола уксуснокислыми бактериями) в аэробных условиях.

Биотехнология и фармацевтика

• Производство ферментов: амилазы, протеазы, липазы для пищевой, текстильной и моющей промышленности.
• Производство органических кислот: лимонной (с помощью плесени Aspergillus niger), молочной, глюконовой.
• Производство аминокислот: глутаминовой кислоты (глутамат натрия), лизина.
• Производство антибиотиков: пенициллин, стрептомицин, тетрациклин получают путём глубинной ферментации микроорганизмов.
• Производство витаминов: рибофлавин (B₂), цианокобаламин (B₁₂).
• Производство вакцин и рекомбинантных белков: инсулин, интерферон, гормон роста.

Сельское хозяйство

• Силосование кормов: молочнокислое брожение консервирует зелёную массу растений, предотвращая её гниение.
• Компостирование: аэробная и анаэробная ферментация органических отходов для получения удобрения.
• Биогаз: метановое брожение органических отходов в биогазовых установках для получения энергии.

Экология

• Биоремедиация: использование микроорганизмов для разложения загрязнителей (нефти, пестицидов) в почве и воде.
• Очистка сточных вод: анаэробное сбраживание осадка сточных вод для уменьшения его объёма и получения биогаза.

Ферментация в кулинарии и домашнем хозяйстве

В домашних условиях ферментация используется для приготовления различных продуктов. Квашение капусты является традиционным русским способом заготовки овощей на зиму. Для этого нашинкованную капусту смешивают с солью (около 2% от массы) и морковью, утрамбовывают в ёмкость и оставляют при комнатной температуре на 3–7 дней. Соль создаёт осмотическое давление, подавляющее развитие гнилостных бактерий, и создаёт условия для размножения молочнокислых бактерий, которые сбраживают сахара капусты в молочную кислоту. Эта кислота действует как природный консервант, придавая продукту характерный кисловатый вкус и обеспечивая его длительное хранение.

Домашнее производство йогурта также основано на ферментации. Молоко нагревают до температуры около 40 °C, вносят закваску, содержащую культуры Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus, и выдерживают в термосе или йогуртнице в течение 6–12 часов. В результате молочный сахар (лактоза) превращается в молочную кислоту, что вызывает свёртывание белков молока (казеина) и образование густой однородной массы.

Интересные факты

• Самым крупным ферментационным процессом на Земле является разложение органического вещества в рубце жвачных животных (коров, овец). В рубце обитает сложное сообщество бактерий, простейших и грибов, которые сбраживают целлюлозу растений, позволяя животным усваивать питательные вещества из травы.
• Слово «фермент» происходит от латинского fermentum — «закваска». В русском языке термин «ферментация» долгое время был синонимом «брожения», но в XX веке его значение расширилось.
• В 1928 году Александр Флеминг случайно обнаружил антибактериальное действие плесени Penicillium notatum, что привело к созданию пенициллина — первого антибиотика, получаемого промышленным путём с помощью глубинной ферментации. Разработка технологии массового производства пенициллина в 1940-х годах стала одним из крупнейших достижений биотехнологии.
• Современные биореакторы (ферментёры) для промышленной ферментации могут иметь объём от нескольких литров до нескольких сотен кубических метров. Они оснащены системами автоматического контроля температуры, pH, содержания кислорода и перемешивания.

Источники

• Пастер Л. Мемуар о молочнокислом брожении. 1857.
• Бухнер Э. Бесклеточное спиртовое брожение. 1897.
• Ленинджер А. Основы биохимии. В 3 т. — М.: Мир, 1985.
• Беккер М. Е. Введение в биотехнологию. — М.: Пищевая промышленность, 1978.
• Грачёва И. М., Кривова А. Ю. Технология ферментных препаратов. — М.: Пищевая промышленность, 2000.
• Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Статья «Брожение». 1890–1907.