Seconda Università degli Studi di Napoli DiSTABiF Anno Accademico 2015-16 Corso di Laurea Magistrale in SCIENZE DEGLI ALIMENTI E DELLA NUTRIZIONE UMANA Insegnamento di BIOCHIMICA e BIOTECNOLOGIE degli ALIMENTI Prof. Augusto Parente Lezione 12bis 1 Aprile 20.04.2015
LE FERMENTAZIONI: VITA SENZA OSSIGENO: Nel 1860 Louis Pasteur scoprì che la fermentazione non era un processo spontaneo, ma un processo vitale in assenza di aria. In realtà, si è visto successivamente che il lievito Saccharomices cerevisiae non può vivere in completa assenza di O 2, a meno che non abbia a disposizione steroli preformati ed acidi grassi insaturi. FERMÉNTO s. m. [dal lat. fermentum, derivato di una radice affine a fervēre «bollire, essere in moto»]. 1. Termine che in passato indicava ogni microrganismo capace di indurre una fermentazione (fermenti lattici, acetici, ecc.) e che poi è stato usato come sinonimo di enzima (fermenti digestivi, proteolitici, ecc.).
LE FERMENTAZIONI OGGI Definizione secondo il Vocabolario Treccani FERMENTAZIÓNE s. f. [dal lat. tardo fermentatio -onis]. Serie di processi chimici di parziale demolizione di una sostanza organica, con accumulo di composti più semplici, operata, attraverso enzimi, da microrganismi viventi che così traggono l energia necessaria per il loro accrescimento e moltiplicazione. Tali processi vengono utilizzati nelle tecnologie alimentari (per la produzione di bevande alcoliche, per la maturazione dei formaggi), nell industria chimica (preparazione dell acido lattico, propionico, ecc.), nell industria farmaceutica (preparazione di antibiotici). FERMENTAZIONE ANAEROBICA O ANOSSIDATIVA, quella che si svolge senza l intervento dell ossigeno, su un substrato che è, generalmente, un carboidrato (fermentazione alcolica, glicerica, ecc.); FERMENTAZIONE AEROBICA O OSSIDATIVA, quella che si svolge con l intervento dell ossigeno: ha spesso come substrato una sostanza diversa dai carboidrati e, più che una trasformazione di tipo demolitivo, può considerarsi un ossidazione (fermentazione acetica, citrica, fumarica, ecc.). *Per la fermentazione nobile in enologia, v. infavato.
FERMENTAZIONE: Trasformazione di un substrato biochimico mediante l azione di un microrganismo. - Fermentazioni spontanee e naturali: le fermentazioni intestinali; - Fermentazioni controllate e di carattere industriale per ottenere un prodotto del metabolismo microbico: per esempio (J. Adrian et al., 206): i) fermentazione alcoolica (etanolo) e lattica (acido lattico); ii) produzione di antibiotici o amminoacidi per via fermentativa; - Fermentazioni controllate e di carattere industriale NON per ottenere un prodotto del metabolismo microbico, ma per la iii) Produzione di biomassa. iv) Produzione di prodotti agroalimentari - Stabilizzazione del latte mediante fermentazione lattica (latte fermentato e yogurt); - Prodotti della filiera lattiero-casearia (formaggi stagionati; lattosio)
FERMENTAZIONI destinate alla produzione industriale (Adrian J et al. F-10, 205) Substrato nutritivo Mosto di cereali Mosto di cereali Ceppo Saccharomices cerevisiae (l) Saccharomices carlbegensis (l) Prodotto della fermentazione Etanolo Etanolo Prodotto agroalimentare - Birra - whisky (scozzese) - whiskey (irlandese) - Lievito di birra - Birra Mosto di uva Saccharomices spp (l) Etanolo - Vino Mosto di mele Saccharomices spp (l) Etanolo - Sidro Melasso* Vinaccio di distilleria Saccharomices cerevisiae (l) Saccharomices cerevisiae (l) Etanolo Biomassa - Lievito di birra - Alcool agricolo - Lievito per panificazione - Lievito secco Candida spp (l) Biomassa - Lievito per foraggio *Sottoprodotto degli zuccherifici di barbabietola e di canna. Contiene saccarosio, raffinosio (galattosio-glucosio-fruttosio) o esosi (zucchero invertito).
Substrato nutritivo Ceppo Prodotto della fermentazione Prodotto agroalimentare Siero di latte Kluyveromyces lactis (l) Biomassa Lievito lattico Kluyveromyces fragilis (l) Biomassa Lievito lattico** Vino Acetobacter aceti Acido acetico Aceto Melasso Lactobacillus delbruckii Acido lattico Additivo alimentare (conservante) Corynebacterium glutamicum Corynebacterium mutante Brevibacterium flavum Acido glutammico Lisina Amminoacido- (sale sodicoesaltatore di sapore) Amminoacido (aggiunto negli impasti per la preparazione di prodotti derivati da cerealiche sono deficienti di Lys) Corynebacterium mutante 5 nucleotide Esaltatore di sapidità ** Il Kluyveromyces marxianus fragilis B03999 fermenta gli zuccheri con produzione di acido lattico. Esso ha elevata attività lattasica dovuta alla produzione di β-galattosidasi (per tale motivo viene chiamato anche lievito lattico). L attività enzimatica è di tipo omofermentante, vale a dire trasforma il glucosio solo in acido lattico.
Substrato nutritivo Ceppo Prodotto della fermentazione Prodotto agroalimentare Solubili di mais Aspergillus niger (muffa) Acido gluconico Additivo alimentare (regolatore di acidità) Solubili di mais Aspergillus spp (A. niger; A. wentii. ) muffe Acido citrico Additivo alimentare (conservante ad azione antiossidante) Solubili di mais Aspergillus spp Streptomyces spp Kluyveromyces fragilis Saccharomyces cerevisiae Bacillus spp (b) Enzimi vari Coadiuvanti tecnologici
Metabolismo dell alcol etilico (- etanolo, alcol, spirito) Glicerolo Trigliceridi
ADH= Alcoldeidrogenasi NAD + dipendente MEOS= sistema microsomiale di ossidazione dell'etanolo ALD= acetaldeide deidrogenasi Acil-CoA sintetasi Ciclo di Krebs ATP, CoA-SH AMP + PPi Acetil-CoA
Eterofermentanti Aldolasi, Pi
Microrganismo omofermentante (Lactobacillus acidophilus; L. casei; L. plantarum; L. delbruckii, ecc.) (Glucosio -> 2 Ac. Lattico) Microrganismo eterofermentante (L. brevis; L. fermentum, ecc.) (Glucosio -> Acido lattico + Etanolo/Acido acetico + CO 2) Glucosio + ATP Glucosio-6-fosfato + ADP Glucosio-6-fosfato + NADP 6-fosfogluconato + NADPH + H + 6-fosfogluconato + NADP pentoso-fosfato + NADPH + H + + CO 2 Pentoso-fosfato (Xilulosio-5-fosfato) fosfochetolasi, Pi Gliceraldeide-3-fosfato + Acetil-fosfato Gliceraldeide-3-fosfato (Glicolisi) Ac. piruvico (Ferm. lattica) Acido lattico Acetil-fosfato + NADH Acetaldeide + NAD + + P i Acetaldeide + NADH Etanolo + NAD + (anche acido acetico)
Metabolismo galattosio del Quando è trasportato all interno della cellula batterica per mezzo di una permeasi specifica come zucchero libero, è fermentato secondo la via di Leloir.
Metabolismo del galattosio Quando è trasportato come galattosio 6P mediante PTS (fosfotrasferasi), è fermentato secondo la via del D-tagatosio-6P. Epimero in C4 del fruttosio
- Fermentazione lattica- acido lattico (yogurt,. ); - Fermentazione alcolica- alcol etilico (vino, birra, whisky,.. ); - Fermentazione acetica- acido acetico (aceto da liquidi debolmente alcolici (10-12 gradi); - Fermentazione butirrica (acido butirrico-fattore benefico per la prevenzione dei tumori del colon e del retto); - Fermentazione citrica- acido citrico (Aspergillus niger o lieviti); - Fermentazione propionica- acido propionico (tratto digerente dei ruminanti; formaggi a pasta cotta, con occhiature: es. gruviera); - Fermentazione malolattica- acido lattico (da acido malico); - Fermentazione acido-mista - Fermentazione glicerica
Fermentazione lattica Fermentazione alcolica Vedi lezioni precedenti Fermentazione acetica CH 3 CH 2 OH + O 2 CH 3 COOH + H 2 O Alcool deidrogenasi CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO + NADH+ H + Gliceraldeide deidrogenasi CH 3 CHO + NAD + + H 2 O CH 3 COO - + NADH + 2H +
Fermentazione butirrica La fermentazione butirrica è attuata da batteri, prevalentemente del genere Clostridium. A partire dall'acido lattico viene formato acido butirrico, acido acetico, H 2 (gas) e CO 2. In generale è un processo dannoso nella caseificazione in quanto responsabile di un'alterazione, il gonfiore tardivo, a carico dei formaggi stagionati (es. grana). CH 3 -CH 2 -CH 2 -COOH Presente nel burro
Fermentazione citrica GLUCOSIO PIRUVATO Ossalacetato Acetil-CoA Acido Citrico L acido citrico viene prodotto attraverso fermentazioni in condizione di aerobiosi su scala industriale utilizzando funghi (muffe; es. Aspergillus niger o Aspergillus wentii) o lieviti in bioreattori, in condizione di basso ph (acidulato). Dopo la formazione di citrato, il ciclo di Krebs continua ad opera della ACONITASI per produrre cis-aconitatto e così via. SE SI BLOCCA L AZIONE DELLA ACONITASI, IL CICLO PRODUCE SOLO ACIDO CITRICO. L azione della aconitasi viene bloccata dalla mancanza di Ferro, che è coinvolto nel meccanismo della aconitasi. Occorre anche controllare l azione di altri metalli bivalenti, come Mg, Zn, Cu. Per mantenere basso il ferro si utilizzano sostanze chelanti degli ioni ferro come l'edta (etilendiamminatetracetato). L acido citrico può essere estratto e purificato.
Fermentazione propionica CH 3 -CH 2 -COOH Metabolismo anaerobico che avviene in batteri del genere Propionibacterium, dotati di particolari enzimi transcarbossilasi. Consiste nella produzione di acido propionico, anidride carbonica, acido acetico e piccole quantità di acido succinico, a partire da acido lattico o esosi quali il glucosio. Acido lattico Acido propionico
Fermentazione malolattica COOH-CHOH-CH 2 -COOH COOH-CHOH-CH 3 + CO 2 Nella fermentazione malolattica, l'acido malico, presente nell'uva, viene decarbossilato e trasformato in acido lattico e anidride carbonica. Le condizioni perché avvenga: - ph del vino non eccessivamente basso, quindi vini non eccessivamente acidi; - limitata concentrazione di anidride solforosa; - alcol etilico inferiore a 15%. - temperatura superiore a 20 Durante la malolattica, nel vino l'acido malico, il più aspro, si trasforma in acido lattico, acido più debole del malico, che è percepito come più delicato e meno acre. La fermentazione malolattica permette generalmente di ottenere un vino più morbido ed equilibrato, maggiormente persistente, più ricco di corpo (per via della concentrazione dei polisaccaridi) e con profumi più fini (Wk).
Fermentazione acido-mista. Tipo di fermentazione nella quale il microrganismo, da una molecola di glucosio, porta alla formazione di una serie di prodotti, tra i quali: acidi organici (acido lattico, acetico, succinico e formico), etanolo, CO 2 e H 2. Questa è una fermentazione tipica degli enterobatteri.
Fermentazione glicerica Attuata da alcune categorie di lieviti, si tratta di una deviazione della glicolisi che, a partire da un suo prodotto intermedio, il diidrossiacetone fosfato, porta alla formazione del glicerolo. La fermentazione glicerica è un processo collaterale alla fermentazione alcolica e contribuisce alla formazione del gusto, in quanto la glicerina, per il suo sapore dolciastro, conferisce morbidezza al vino. Se supera una certa soglia, è un processo dannoso, in quanto altera le proprietà organolettiche tipiche del vino. H 2 COPO 3-2 Glicerol-3P-deidrogenasi HC-OH H 2 COH NADH+H + NAD + Glicerol-3P Glicerolo