Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑green

Czym jest proces fermentacji?

FermentacjafermentacjaFermentacja (łac. fermentatio „zakwaszenie”, „burzenie się”) to reakcja biochemiczna zachodząca w warunkach beztlenowych przy udziele drobnoustrojów, głównie pod wpływem wydzielanych przez nie enzymów. Zazwyczaj w procesie fermentacji wydzielają się produkty gazowe, które odpowiadają za tworzenie się piany na powierzchni roztworu. Procesy fermentacyjne są głównie formą metabolizmu drobnoustrojów, umożliwiającą pozyskiwanie im energii niezbędną do procesów życiowych.

W przemyśle procesy fermentacyjne są wykorzystywane do otrzymywania określonych produktów, najczęściej w gazowym stanie skupienia.

R1Pj5pHlEpLNS
Przykładem procesu fermentacji jest wytwarzanie biogazu (metanu) z odpadów rolniczych i hodowlanych w biofermentatorach.
Źródło: dostępny w internecie: pl.wkipedia.org, domena publiczna.

W tym samym kontekście omawiane zjawisko obejmuje ostatecznie zarówno procesy beztlenowe, jak i tlenowe. Przykładem fermentacji beztlenowej jest fermentacja etanolowa (alkoholowa), zaś fermentacji tlenowej – fermentacja cytrynianowa. Nazwa rodzaju procesu fermentacji wynika z otrzymywanego produktu końcowego. Wyróżniamy np. fermentację etanolową, mleczanową, octową, pirogronianową, masłową, metanową i inne. W tym materiale omówiono pierwsze trzy rodzaje.

bg‑green

Fermentacja alkoholowa (etanolowa)

Fermentacja alkoholowafermentacja alkoholowaFermentacja alkoholowa jest reakcją wieloetapową, zachodzącą w żywych organizmach. W dużym uproszczeniu, biorąc pod uwagę jedynie główny substrat  i ostateczne produkty równanie reakcji chemicznej, wygląda następująco:

C6H12O6glukozadrożdże2 C2H5OH   etanol+2 CO2tlenek węgla(IV)

Jest to reakcja rozkładu cukrów prostych do alkoholualkoholealkoholu etylowego (etanolu) C2H5OH i tlenku węgla(IV) CO2. Fermentacja alkoholowa jest biochemicznym procesem, przebiegającym w warunkach beztlenowych.

R16m4vK3BhZxB
Fermentacja alkoholowa jest przeprowadzana przez drożdże, m.in. Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces uvarum, Kluyveromuces fragilis, niektóre Mucoraceae (tzw. drożdże mukorowe). Do przeprowadzania tego procesu są również zdolne bakterie np. Zymomonas mobilis. Bytują w roślinach, np. owocach lub nektarze kwiatów.
Źródło: Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy, licencja: CC BY-SA 3.0.
Ciekawostka

Proces fermentacji alkoholowej wykorzystywany jest do produkcji napojów alkoholowych, takich jak np. wino, piwo, wódka. Wówczas, oprócz etanolu i tlenu węgla(IV), powstaje również wiele produktów ubocznych – np. gliceryna, kwas bursztynowy i kwas octowy (etanowy), a także wyższe alkohole i estry, odpowiadające za walory smakowo–zapachowe wyrobów.

bg‑gray1

Fermentacja alkoholowa – badanie procesu

Polecenie 1

W oparciu o problem badawczy i instrukcję, przeprowadź poniższe doświadczenie i zbadaj wpływ temperatury na przebieg procesu fermentacji. Spośród podanych hipotez, wybierz tę najbardziej słuszną według Ciebie, a po wykonaniu doświadczenia, zanotuj obserwacje oraz wnioski.

R1coZYEh4UOYT
Problem badawczy: Czy temperatura ma wpływ na aktywność drożdży piekarskich?. Hipoteza: (Wybierz: Wysoka temperatura obniża aktywność drożdży piekarskich., Temperatura środowiska reakcji nie ma wpływu na aktywność drożdży piekarskich., Temperatura 25°C temperatura obniża aktywność drożdży piekarskich.). Sprzęt laboratoryjny: dwie zlewki 200 cm3; cylinder miarowy 50 cm3; termometr laboratoryjny; czajnik elektryczny; waga laboratoryjna; łyżeczka. Odczynniki chemiczne: 20 g drożdży piekarskich; sacharoza C12H22O11; mąka; woda H2O. Przebieg eksperymentu: 1. W każdej zlewce umieść po 10 g drożdży, około 5 g sacharozy oraz około 5 g mąki. Wszystkie składniki dokładnie wymieszaj. 2. Do pierwszej zlewki dodaj 20 cm3 wody o temperaturze 25°C (temperaturę zmierz termometrem) i dokładnie wymieszaj. 3. Do drugiej zlewki dodaj 20 cm3 wody o temperaturze około 100°C (temperaturę zmierz termometrem) i dokładnie wymieszaj. 4. Obie zlewki pozostaw na 30 - 60 minut. 5. Porównaj zmiany w obu próbach. Zapisz obserwacje i wnioski. Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).
Polecenie 2

Wykonaj poniższe doświadczenie, aby potwierdzić, czy jednym z produktów fermentacji alkoholowej jest tlenek węgla(IV). Zapisz swoje obserwacje oraz wnioski.

R1bXPpH26gdsz
Problem badawczy: Jaki gaz wydziela się podczas fermentacji alkoholowej drożdży piekarniczych?. Hipoteza: Gaz produkowany przez drożdże piekarnicze to tlenek węgla(IV). Sprzęt laboratoryjny: kolba stożkowa (200 cm3) z korkiem z rurką odprowadzającą; zlewka 150 cm3; cylinder miarowy 50 cm3; termometr laboratoryjny; łyżeczka. Odczynniki chemiczne: 10 g drożdży piekarskich; sacharoza C12H22O11; mąka; woda wapienna (nasycony wodny roztwór wodorotlenku wapnia), woda H2O. Przebieg eksperymentu: 1. W kolbie umieść 10 g drożdży, dodaj około 5 g sacharozy oraz 5 g mąki. Wszystkie składniki dokładnie wymieszaj. 2. Do zlewki wlej 50 cm3 świeżo sporządzonego roztworu wody wapiennej. 3. Następnie dodaj do kolby 20 cm3 wody o temperaturze 25°C (temperaturę zmierz termometrem) i dokładnie wymieszaj. 4. Kolbę zatkaj korkiem z rurką odprowadzającą. 5. Zakończenie rurki odprowadzającej zanurz w zlewce z wodą wapienną i pozostaw na 30 - 60 minut. 7. Zapisz obserwacje, wnioski oraz równanie reakcji chemicznej pomiędzy tlenkiem węgla(IV) oraz nasyconym wodnym roztworem wodorotlenku wapnia. Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij) Równanie reakcji chemicznej: Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
RUhpsDBjTD3ww
Problem badawczy: Jaki gaz wydziela się podczas fermentacji alkoholowej drożdży piekarniczych?. Hipoteza: Gaz produkowany przez drożdże piekarnicze to tlenek węgla(IV). Sprzęt laboratoryjny: kolba stożkowa (200 cm3) z korkiem z rurką odprowadzającą; zlewka 150 cm3; cylinder miarowy 50 cm3; termometr laboratoryjny; łyżeczka. Odczynniki chemiczne: 10 g drożdży piekarskich; sacharoza C12H22O11; mąka; woda wapienna (nasycony wodny roztwór wodorotlenku wapnia), woda H2O. Przebieg eksperymentu: 1. W kolbie umieść 10 g drożdży, dodaj około 5 g sacharozy oraz 5 g mąki. Wszystkie składniki dokładnie wymieszaj. 2. Do zlewki wlej 50 cm3 świeżo sporządzonego roztworu wody wapiennej. 3. Następnie dodaj do kolby 20 cm3 wody o temperaturze 25°C (temperaturę zmierz termometrem) i dokładnie wymieszaj. 4. Kolbę zatkaj korkiem z rurką odprowadzającą. 5. Zakończenie rurki odprowadzającej zanurz w zlewce z wodą wapienną i pozostaw na 30 - 60 minut. 7. Zapisz obserwacje, wnioski oraz równanie reakcji chemicznej pomiędzy tlenkiem węgla(IV) oraz nasyconym wodnym roztworem wodorotlenku wapnia. Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij) Równanie reakcji chemicznej: (Uzupełnij).
bg‑green

Fermentacja octowa

Fermentacja octowafermentacja octowaFermentacja octowa jest procesem biochemicznym, zachodzącym w warunkach tlenowych. Polega na tworzeniu kwasu octowego (kwasu etanowego) z etanolu (alkoholu etylowego) w rozcieńczonym roztworze z udziałem bakterii octowych (AAB, ang. Acetic Acid Bacteria).

Zapis procesu można przedstawić w sposób uproszczony:

C2H5OHetanol  + O2tlen bakterie octowe CH3COOHkwas octowy + H2Owoda

Proces fermentacji octowej wykorzystywany jest do produkcji octu.

Ciekawostka

Szacuje się, że ocet otrzymywany jest od ponad 10000 lat.

Do jego produkcji wykorzystuje się różne surowce pochodzenia rolniczego, zawierające węglowodany lub alkohol.

Proces produkcji octu z owoców przebiega w dwóch etapach. Najpierw powstaje alkohol – produkt fermentacji alkoholowej, która przebiega właśnie przy udziale drożdży. Później, pod wpływem tlenu z powietrza z alkoholu, w wyniku fermentacji octowej, powstaje kwas octowy.

W odniesieniu do produktów przemysłu winiarskiego i piwowarskiego może być to proces niekorzystny, ponieważ powoduje kwaśnienie wyrobów alkoholowych.

RY2TZ5s6joQ6J
Schemat przemysłowego wytwarzania octu
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie Czuba J., Technologia i mikrobiologia fermentacji octowej, Biotechnologia, 3 (62), 233-240, 2003, licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑green

Fermentacja mlekowa

Fermentacja mlekowafermentacja mlekowaFermentacja mlekowa jest procesem, w którym rozkładowi ulegają takie cukry, jak glukoza, maltoza, laktoza oraz sacharoza, przy udziale enzymów katalizujących fermentację wytwarzanych przez bakterie mlekowe. Produktem fermentacji mlekowej jest kwas mlekowy.

Laktoza, będąca disacharydem, który wchodzi w skład mleka, zostaje przekształcona w kwas mlekowy (kwas 2–hydroksypropanowy). Proces przebiega dwuetapowo.

I. Laktoza, dzięki działaniu enzymu laktazy (beta–D–galaktozydaza), ulega hydrolizie z utworzeniem glukozy i galaktozy.

C12H22O11laktoza+H2OwodalaktazaC6H12O6glukoza+C6H12O6galaktoza

II. Glukoza, pod wpływem bakterii mlekowych, tworzy kwas mlekowy:

C6H12O6glukozabakterie mlekowe2 CH3CHOHCOOHkwas mlekowy
Ciekawostka

Fermentacja mlekowa nie jest możliwa bez bakterii fermentacji mlekowej.

Do produkcji kwasu mlekowego zdolne są przede wszystkim bakterie fermentacji mlekowej (LAB, ang. Lactic Acid Bacteria). Bakterie kwasu mlekowego są grupą zróżnicowaną ewolucyjnie.

Ze względu na metabolizm, bakterie fermentacji mlekowej można podzielić na:

RwQPqX8QYELOu
Wybierz jedno nowe słowo poznane podczas dzisiejszej lekcji i ułóż z nim zdanie.

Fermentacja mlekowa jest wykorzystywana w przemyśle spożywczym do produkcji:

  • kefirów,

  • jogurtów,

  • zakwasu chlebowego,

  • kiszonych ogórków, kapusty i innych warzyw,

  • niektórych wędlin,

  • koncentratów spożywczych.

Ciekawostka

W przypadku tworzenia pasz dla zwierząt, fermentacja mlekowa odnalazła się także w produkcji sianokiszonek.

R1H2Ra5diHA8y
Sianokiszonki to rodzaj paszy przygotowywanej z podsuszonych roślin. Przedstawione na grafice bele zielonki owijane są folią, w celu izolacji od powietrza. Podczas zbiorów, do zielonki dodawane są również dodatki kiszonkarskie (m.in. bakterie kwasu mlekowego).
Źródło: Przykuta, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 4.0.
bg‑gray1

Fermentacja mlekowa – badanie procesu

Polecenie 3
R1JApfzYXxOOH
Problem badawczy: Czy w warunkach domowych można przeprowadzić fermentację mlekową?. Hipoteza: W warunkach domowych można przeprowadzić fermentację mlekową, wykorzystując jogurt jako źródło bakterii fermentacji mlekowej. Sprzęt laboratoryjny: jałowy cylinder miarowy 250 cm3; dwa jałowe kolby stożkowe 300 cm3; dwa jałowe szkiełka zegarkowe; łyżeczka. Odczynniki chemiczne: 0,5 l mleka UHT;mały jogurt naturalny. Przebieg eksperymentu: 1. Za pomocą cylindra odmierz po 250 cm3 mleka i umieścić w kolbach. 2. Do pierwszej kolby dodaj dwie łyżeczki jogurtu naturalnego. 3. Otwory obu kolb zakryj szkiełkami zegarkowymi. 4. Pozostaw obie kolby w temperaturze około 40°C na 6 - 10 h. 5. Po upływie wyznaczonego czasu, zaobserwuj różnice między zawartością kolb. Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).
Polecenie 4
R17YgcLQGBpQs
Problem badawczy: Jaki wpływ ma zmiana temperatury na przebieg (wydajność) procesu fermentacji alkoholowej?. Hipoteza: Fermentacja mlekowa zachodzi w temperaturze około 40°C. Sprzęt laboratoryjny: jałowy cylinder miarowy 250 cm3; trzy jałowe kolby stożkowe 300 cm3; trzy jałowe szkiełka zegarkowe; łyżeczka; dwie cieplarki; lodówka. Odczynniki chemiczne: 0,75 litra mleka UHT;mały jogurt naturalny. Przebieg eksperymentu: 1. Za pomocą cylindra odmierz po 250 cm3; mleka i umieścić w kolbach. 2. Do każdej kolby dodaj dwie łyżeczki jogurtu naturalnego. 3. Otwory kolb zakryj szkiełkami zegarkowymi. 4. Ustaw temperaturę w pierwszej cieplarce na 40°C, a w drugiej na 80°C. 5. Każdą z kolb umieść na 6 - 10 h odpowiednio w: a) w cieplarce nagrzanej do 40°C; b) w lodówce ustawionej na około 4°C; c) w cieplarce nagrzanej do 80°C. 5. Po upływie wyznaczonego czasu, obserwuj różnice między zawartością kolb. Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).

Procesy fermentacji alkoholowej, octanowej i mlekowej mają duże znaczenie w gospodarce człowieka – pozwalają bowiem produkować i przechowywać żywność. Złożoność omawianych procesów wpływa na końcowy bukiet smakowy i walory uzyskiwanych produktów. To właśnie produkty pośrednie wpływają na niepowtarzalność i unikatowość smaku danej potrawy czy napoju. Za wszystkie te procesy odpowiadają bakterie i grzyby.

Rg3sQz6zOfwXw
Kiszenie warzyw pozwala zachować ich walory odżywcze na zimowe miesiące.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Słownik

fermentacja
fermentacja

reakcja biochemiczna, zachodząca pod wpływem enzymów drobnoustrojów, zwykle w warunkach beztlenowych; niektóre procesy produkcji związków organicznych z wykorzystaniem mikroorganizmów nazwane są fermentacją, mimo że zachodzą z udziałem tlenu, np. fermentacja octowa

fermentacja alkoholowa
fermentacja alkoholowa

proces biochemiczny rozkładu cukrów (głownie heksoz np. glukoza) przy udziale enzymów katalizujących fermentację, wytwarzanych przez drożdże – produktami procesu fermentacji alkoholowej jest etanol oraz tlenek węgla(IV); proces fermentacji etanolowej wykorzystywany jest do produkcji napojów alkoholowych, takich jak np. wino, piwo, wódka z surowców naturalnych, w których znajdują się polisacharydy – np. owoce czy zboża

fermentacja octowa
fermentacja octowa

proces biochemiczny utleniania etanolu (alkoholu etylowego) do kwasu etanowego (octowego), przy udziale enzymów katalizujących fermentację, wytwarzanych przez bakterie octowe

fermentacja mlekowa
fermentacja mlekowa

proces biochemiczny rozkładu cukrów, takich jak glukoza, maltoza, laktoza, sacharoza, przy udziale enzymów katalizujących fermentację, wytwarzanych przez bakterie mlekowe z rodzaju Streptococcus spp.Lactobacillus spp; produktem jest kwas mlekowy;  zachodzi podczas kiszenia ogórków, kapusty czy kwaśnienia mleka

alkohole
alkohole

grupa związków organicznych, zawierająca jedną lub więcej grup hydroksylowych OH

enzym
enzym

wielkocząsteczkowe związki chemiczne; katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne; ich działanie polega na obniżeniu energii aktywacji katalizowanej reakcji chemicznej

Bibliografia

Bakterie fermentacji mlekowej, pod red. Z. Libudzisza, P. Walczaka i J. Bardowskiego, Łódź 2004.

Bednarski W., Biotechnologia żywności, Warszawa 2003.

Encyklopedia Chemia WSiP, Warszawa 2001.

Grębosz M., Zapotoczny Sz., Słownik Szkolny. Chemia, Kraków 2007.

Hutkins R.W., Microbiology and technology of fermented foods, Iowa 2006.

Narayanan N., Roychoudhury P. K., Srivastava A., L (+) lactic acid fermentation and its product polymerization. Biotechnology Industry, „Electronic Journal of Biotechnology” 2004, nr 7/2, s. 167‑179.

Klebicka E., Kusewicz D., Bakterie kwasu octowego [w:] Mikrobiologia techniczna, pod red. Z. Libudzisza, t. 2., Warszawa 2009, s. 65–71.

Mikroorganizmy w żywności i żywieniu, pod red. J. Gawęckiego i Z. Libudzisza, Poznań 2006.

Molenda J., Zarys mikrobiologii żywności, Wrocław 2003.

Słońska A., Klimuszko D., Bakteriocyny probiotycznych pałeczek z rodzaju Lactobacillus, „Postępy Mikrobiologii” 2010, nr 40/2, s. 87‑96.

Unicki‑Goldginger W.J.H., Życie bakterii, Warszawa 2006.