Fermentazione

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Dal punto di vista strettamente chimico la fermentazione è un processo ossidativo anaerobico svolto da numerosi organismi a carico di particolari sostanze chimiche[1] (carboidrati o raramente di amminoacidi) per la produzione di energia necessaria alla loro sopravvivenza.

Parte dell'energia ricavata dalla degradazione di substrati organici viene immagazzinata in ATP.
Oltre alla fermentazione, i batteri usano anche la respirazione per la produzione di energia. La differenza è che nel primo caso l'accettore finale di elettroni è una sostanza organica mentre nel secondo caso è una sostanza inorganica. Se la sostanza inorganica è l'ossigeno si parla di respirazione aerobica, se invece è un'altra sostanza (ione solfato, ione nitrato, ecc.) si parla di respirazione anaerobica.

Data la grande importanza che questo tipo di metabolismo svolge nella preparazione di parecchi alimenti (ma anche nella loro degradazione) il termine fermentazione è stato ampiamente usato per indicare una qualsiasi trasformazione catalizzata da un microrganismo. Talvolta il termine è ancora usato in questo senso.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il termine fermentazione deriva dal latino fervere (ribollire), termine usato per indicare l'aspetto del mosto durante la preparazione del vino.

Prima della nascita della chimica biologica (Friedrich Wöhler, 1828), i processi di fermentazione e putrefazione venivano confusamente accomunati con la digestione degli alimenti, generalmente in un'ottica vitalistica.

Louis Pasteur fece un po' di chiarezza attribuendo la fermentazione a enti non ben definiti indicati come fermenti, contenuti nei lieviti.

I successivi studi (Eduard Buchner, 1897) portarono prima a scoprire la natura proteica dei fermenti e ad identificarli con gli enzimi e, in seguito (Gustav Embden, Otto Meyerhof), vennero chiarite le principali vie del metabolismo energetico in generale e della fermentazione in particolare.

Biochimica[modifica | modifica wikitesto]

Dal momento che in anaerobiosi non è disponibile l'ossigeno come accettore finale di elettroni, lo stesso substrato viene in parte ossidato ed in parte ridotto. Le fermentazioni sono quindi delle disproporzioni.

Nella maggior parte delle fermentazioni il metabolita di partenza è uno zucchero o un altro composto in cui il numero di ossidazione medio del carbonio è zero in quanto il carbonio stesso verrà in parte ossidato ed in parte ridotto.

Nelle fermentazioni conviene distinguere due parti:

  • la glicolisi, comune alla maggior parte delle fermentazioni;
  • la rigenerazione del NAD, dal NADH+H+ (che viene ossidato).

Nella prima parte, la glicolisi, il glucosio viene trasformato in due molecole di acido piruvico con contemporanea produzione di due molecole di ATP e due molecole di NADH. L'ATP è una molecola ad alto contenuto energetico subito disponibile per le varie necessità della cellula. Nella seconda parte, la cellula provvede alla rigenerazione del NAD+. Il NADH, nella sua forma ridotta, rappresenta una grossa fonte d’energia, circa 2,5 ATP, che per essere utilizzata richiede però la presenza d’ossigeno. In assenza d’ossigeno, il NADH ridotto deve essere liberato del suo prezioso carico senza ricavarne energia. Le varie fermentazioni differiscono per il modo in cui il NAD+ viene rigenerato.

Confrontando i numeri di ossidazione dei singoli atomi di carbonio della molecola di Ac. lattico (-3; 0; +3) con il numero di ossidazione del carbonio nel glucosio (0), si nota come la stessa molecola sia stata in parte ossidata ed in parte ridotta (disproporzione). È questa ossidoriduzione interna che fornisce l'energia fissata nelle due molecole di ATP.

Tipi di fermentazione[modifica | modifica wikitesto]

Fermentazione lattica[modifica | modifica wikitesto]

Nella fermentazione lattica i due atomi di idrogeno vengono trasferiti sul carbonio in posizione 2 dell'acido piruvico, producendo acido lattico:

CH3 CO COOH + (NADH + H+) → CH3 CHOH COOH + NAD+
(Ac. piruvico + NADH → Ac. lattico + NAD+)

Questo processo viene attuato da alcuni batteri (lattobacilli) e dalle cellule del corpo umano in condizioni di anaerobiosi (muscolo).

Nei muscoli, in condizioni di carico intenso, viene prodotta energia a carico del glicogeno presente in loco, che viene prima scisso in glucosio e poi viene fermentato ad acido lattico. L'accumulo di questo catabolita genera l'affaticamento muscolare e viene gradualmente eliminato durante il recupero.

Fermentazione alcolica[modifica | modifica wikitesto]

Fermentazione alcolica del sidro di pere in damigiana.

Qui di seguito come viene rigenerato il NAD+ per la fermentazione alcolica:

  • 1a parte:
C3H4O3 → C2H4O + CO2
Acido piruvicoAcetaldeide + Anidride carbonica
  • 2a parte:
C2H4O + (NADH + H+) → NAD+ + C2H6O
Acetaldeide + Nicotinammide adenina dinucleotide ridottoNicotinammide adenina dinucleotide ossidato + Etanolo

La fermentazione alcolica ha come risultato la trasformazione degli zuccheri in alcol etilico e anidride carbonica. Tale processo è alla base della produzione delle principali bevande alcoliche (vino, birra) ma anche della lievitazione del pane. Questa fermentazione, realizzata partendo da sottoprodotti di produzioni agricole, viene utilizzata anche per la produzione del bioetanolo.

Il processo viene svolto da dei funghi unicellulari chiamati lieviti. Inizialmente tali organismi messi nel substrato di coltura (il mosto, il malto o l'impasto del pane) svolgono una respirazione aerobica, utilizzando cioè l'ossigeno dell'aria, trasformando gli zuccheri in acqua ed anidride carbonica. Poi dall'interno della massa in fermentazione per mancanza di ossigeno i lieviti passano alla fermentazione sfruttando l'energia degli zuccheri ossidandoli anaerobicamente (senza l'utilizzo di ossigeno) in alcol etilico ed anidride carbonica.

Gli organismi fermentatori, liberando nell'ambiente i loro prodotti, abbandonano un catabolita ricco di energia, ulteriormente utilizzabile in presenza di ossigeno. La scarsa resa energetica della fermentazione è compensata dalla flessibilità ecologica che permette ai fermentatori di vivere anche in condizioni in cui gli organismi aerobi obbligati non sono in grado di sopravvivere.

Questo si nota nella produzione di aceto: essa avviene dopo la fermentazione alcolica ed è dovuta a microrganismi aerobi del genere Acetobacter e Mycoderma che sfruttano aerobicamente proprio il catabolita (etanolo) finale della fermentazione alcolica.

Altre fermentazioni[modifica | modifica wikitesto]

Tra i procarioti si trovano molti agenti delle diverse fermentazioni, tali fermentazioni possono prendere il nome dal prodotto principale della fermentazione stessa: ecco un breve elenco delle principali:

Tutte sono accomunate dalla conservazione, nei prodotti, del numero di ossidazione medio dei reagenti.

Fermentazione ruminale[modifica | modifica wikitesto]

Insieme delle reazioni operate dai microrganismi nei prestomaci dei ruminanti in grado di rendere disponibile sotto forma di molecole digeribili o direttamente assimilabili gli alimenti introdotti con la dieta. Si parla di "fermentazione" e non di "digestione" perché la grandissima maggioranza delle reazioni chimiche che operano nei prestomaci è di tipo fermentativo e di "ruminale" perché proprio all'interno del rumine avvengono in modo massivo, anche se non in via esclusiva. Queste reazioni sono meglio conosciute nei ruminanti domestici (bovini, pecore, capre) mentre sono meno indagate quelle dei ruminanti selvatici. Esse inoltre avvengono in modo simile in tutti gli erbivori anche se all'interno di organi diversi; ad esempio nel cavallo e nel coniglio (specie erbivore sprovviste di uno stomaco concamerato) le reazioni avvengono prevalentemente nell'intestino cieco.

Le fermentazioni nelle produzioni alimentari in Occidente[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi trasformazione agroalimentare.

In molte culture le fermentazioni hanno fornito importanti strumenti per la trasformazione degli alimenti aumentandone i valori nutrizionali e la conservabilità.

In Occidente i più noti prodotti ottenuti mediante fermentazione sono:

Pane[modifica | modifica wikitesto]

Nella panificazione il lievito (del genere Saccharomyces) fermenta gli oligosaccaridi che si staccano dall'amido durante la fase di impasto e di riposo della massa in lavorazione. I prodotti della fermentazione alcolica (alcol etilico ed anidride carbonica) passano in fase gassosa formando le caratteristiche bolle durante la lievitazione e la cottura.

Vino[modifica | modifica wikitesto]

Il vino viene prodotto a partire da soluzioni zuccherine ottenute dallo schiacciamento del grappolo d'uva lasciate a fermentare con i lieviti unicellulari del genere Saccharomyces presenti sulla buccia dell'acino o provenienti da colture selezionate.

A seconda delle condizioni di fermentazione, si differenziano le qualità organolettiche (colore, sapori, aromi...) del vino caratteristiche che si arricchiscono ulteriormente durante le fasi successive di lavorazione.

Il lievito in condizioni anaerobiche trasforma 100 grammi di zucchero in 51,1 di alcool etilico con un rendimento in volume del 65.5%. Questo è un rendimento ideale, nella realtà una parte dello zucchero disponibile è utilizzata dal lievito per moltiplicarsi; inoltre durante la fermentazione i lieviti del mosto producono, oltre l'alcol e l'anidride carbonica, anche prodotti secondari (glicerina, acido acetico, acido succinico) che contribuiscono a caratterizzare l'aroma del prodotto finito. Il rendimento reale quindi si approssima al 60% in volume.

Birra[modifica | modifica wikitesto]

La birra si ottiene per l'azione di lieviti delle specie Saccharomyces cerevisiae o Saccharomyces pastorianus su di un mosto contenente malto di orzo, ed eventualmente anche quantità variabili di malti di altri cereali (grano, riso o mais). La lavorazione è tale da conservare nel prodotto anche l'anidride carbonica.

Sottoprodotti dei birrifici sono il "lievito di birra" venduto disidratato o compresso in panetti e l'anidride carbonica.

Formaggi[modifica | modifica wikitesto]

Nella maturazione di alcuni formaggi (riconoscibili dalle "occhiature") gli zuccheri residui vengono degradati con produzione di anidride carbonica.

Altri formaggi maturano utilizzando vie metaboliche diverse dalla fermentazione.

Yogurt[modifica | modifica wikitesto]

Lo yogurt è il risultato della fermentazione lattica operata da ceppi selezionati di lattobacilli sul latte, intero o trattato.

L'abbassamento del pH dovuto all'accumulo dell'acido lattico protegge il latte da altre alterazioni che lo renderebbero inadatto all'alimentazione e ne permettono quindi la conservazione a temperatura ambiente. Esso inoltre determina la denaturazione della caseina, che coagula conferendo al prodotto la caratteristica consistenza.

Poiché il sapore dello yogurt è notevolmente più acido rispetto al latte da cui si origina, spesso lo yogurt che si trova in commercio è addizionato con zucchero, preparazioni di frutta, o altri componenti che compensano tale maggiore acidità.

Le fermentazioni nel resto del mondo[modifica | modifica wikitesto]

È doveroso notare che le fermentazioni conosciute nel Mondo Occidentale sono relativamente poche, e sono dedicate soprattutto a svolgere un ruolo preminente nella sterilizzazione e conservazione dei cibi e delle bevande, oltre che a produrre un discreto miglioramento gustativo e di digeribilità (pane).

Nel resto del mondo (Asia, America, Africa) sono invece diffusi da molto tempo, ed affermati ancor oggi, anche a livello industriale, moltissimi altri tipi di fermentazione, sia usando gli stessi agenti di fermentazione per sostanze diverse, sorgo (durrha), mais, sia usando tipi e agenti di fermentazione diversi, con batteri, o diversi miceti, per sostanze diverse (legumi, vegetali, pesci, carni, ma soprattutto ogni genere di cereali (sesamo, miglio, riso, soia, teff). Queste fermentazioni sono usate prevalentemente per migliorare il contenuto nutrizionale delle sostanze di origine (proteine, e vitamine), producendo sostanze batteriologicamente pure (in termini di commestibilità), oltre che di sapore gradevole, e durature nel tempo.[2] Se ne citano solo alcuni:

Africa[modifica | modifica wikitesto]

  • Ogi, Sudafrica; una crema poco densa da mais e sorgo; in tempi recenti è prodotto estesamente anche per via industriale.
  • Mahewu, Sudafrica; crema densa, diversamenta preparata all'Ogi, da mais e farina di frumento.
  • Mawe, Africa Occidendale (costa atlantica); pasta acida di farina di mais.
  • Injera, Africa Orientale (Eritrea ed Etiopia, focaccina da forno, spugnosa ed acida di farine di Teff e Frumento.
  • Kishk, Egitto pasta acida da frumento in grani, e latte, altissimo contenuto proteico e vitaminico.
  • Kiska, Sudan pane basso, acido, da farina di sorgo.
  • Banku, Ghana pane acido da mais e Cassava.
  • Kenkei, Ghana panetti di sola pasta di mais fermentata, cotta al vapore.

America[modifica | modifica wikitesto]

  • Chicha, in tutta la zona andina, bevanda nutriente a basso/medio livello alcolico, acida.
  • Pozol, Messico ed America centrale, panetti fermentati di farina di mais.
  • Tesguino, America centrale, bevanda sciropposa ed acida, alcolica, da grani di mais.
  • Atole, Messico, crema acida da granella umida di mais, non alcolica.
  • Agua agria, Messico bevanda acida non alcolica da fermentazione lattica.
  • Zambumbia, bevanda messicana alcolica da orzo e zucchero di canna.

Asia[modifica | modifica wikitesto]

In Cina è individuato come sinonimo di "agente fermentante", oltre che di prodotto fermentato: il Chu; quindi esistono diversi tipi di "Chu", a seconda di questo, ma anche di cosa, e di come si fermenta.

  • Ping chu: pastone cremoso.
  • San chu: composizione granulosa.
  • Huang chu: chu giallo = fermentazione alcolica, normalmente di riso o soia.
  • Huang cheng chu: chu giallo di grano (nord della Cina) dove non cresce il riso.
  • Na chu: Chu tipico di riso, (Cina meridionale e Corea).

Corea:

  • Nuruk: pastone di riso, grano, orzo fermentato.
  • Meju: pastone di granella di soia, fermentata.

Giappone:

  • Koji: pastone tipo polenta da granella o farina di riso o grano (frumento).

Filippine:

  • Bubod: pastone fermentato di riso da granella o farina.

Thailandia:

  • Loopang: pastone da fermentazione micetica, di farina e crusca di riso.

Indonesia e Malesia:

  • Ragi: panetti compatti di riso, fermentazione micetica.

India:

  • Marchaa: torta bassa di riso, fermentazione micetica.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) IUPAC Gold Book, "fermentation"
  2. ^ http://dels-old.nas.edu/banr/gates1/docs/mtg5docs/bgdocs/Fermentations_world.pdf

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Aguggini, Beghelli et al. "Fisiologia degli animali domestici con elementi di etologia" UTET

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]