Fermentatie
Fermentatie (Latijn: fermentum, zuurdeeg) is, in de biochemie, het omzetten van biologische materialen (substraat) in afwezigheid van zuurstof (anaeroob). Bacteriën, schimmels (inclusief gisten) staan bekend om hun fermentatie, al vindt het ook in sommige dierlijke cellen plaats (zoals skeletspieren). Bij fermentatie vindt er – in tegenstelling tot aerobe respiratie – geen doorlopen van elektronen in een elektronentransportketen plaats. Tegenwoordig wordt fermentatie echter ook in ruimere zin gebruikt, inclusief aerobe processen. Fermentatie met behulp van bacteriën wordt in de voedingsindustrie veel toegepast.
Geschiedenis
In de 19e eeuw werden grote ontdekkingen gedaan door Theodor Schwann, Justus von Liebig en Louis Pasteur op het gebied van fermentatie. Pasteur verschilde van mening met Von Liebig over de aard van het fermentatieproces. Liebig was van mening dat fermentatie het gevolg was van een chemisch proces, en dat de aanwezigheid van gist niet per se nodig is. Pasteur daarentegen ging ervan uit dat de aanwezigheid van micro-organismen essentieel is voor het fermentatieproces.
In 1891 kreeg de Japanse chemicus Jokichi Takamine het octrooi op een fermentatiemethode, waarbij uit Aspergillus oryzae amylase werd geïsoleerd. Deze fermentatiemethode wordt tot op de dag van vandaag toegepast bij de bereiding van bepaalde enzymen.
Processen
Het toevoegen van enzymen zonder het enzymproducerende micro-organisme wordt gezien als een hydrolyse, niet als fermentatie. Beide processen worden tegenwoordig veel gebruikt in de biochemie waarbij een substraat zeer selectief kan worden omgezet tot eindproduct. Deze biologische methode is energetisch veel interessanter dan chemische synthese en heeft de mogelijkheid om veel complexere biologische moleculen te maken, bijvoorbeeld menselijke insuline.
Tijdens aerobe fermentatie is het van belang een goede verdeling van de zuurstofconcentratie in het kweekmedium te handhaven voor de groei van aerobe micro-organismen. Dit wordt verkregen door (steriele) beluchting (aëratie) en roeren (agitatie) van het kweekmedium. Een teveel aan zuurstof leidt tot oxidatieve processen die meestal ook het substraat omzetten naar een ander eindproduct en dus negatieve concurrentie opleveren voor de fermentatie.
Er bestaan drie verschillende manieren waarop een fermentatie(cel)cultuur gevoed wordt. Dit zijn de batch-, fedbatch- en continucultuur.
Broei
Broei is het verschijnsel waarbij koolhydraten worden verbrand tot koolzuurgas en water onder afgifte van warmte. Dit kan worden veroorzaakt door de activiteit van micro-organismen zoals bacteriën. Broei komt voornamelijk voor in vochtige hopen organisch materiaal, zoals hooi.
Sommige dieren zoeken hopen plantaardig materiaal op die broei vertonen om de eieren in af te zetten, om zo te profiteren van de warmte in de broedhoop. Een voorbeeld hiervan is de ringslang. Andere dieren maken zelf een nest waarin broei plaatsvindt, zoals veel krokodilachtigen en de koningscobra.
Voeding
Fermentatieprocessen met behulp van bacteriën en schimmels (inclusief gisten) worden in de voedingsindustrie veel toegepast bij de productie en de conservering van voedingsmiddelen.
Brood
Bij het bakken van gistbrood wordt het deeg tot rijzen gebracht door middel van het koolzuurgas dat door gist wordt geproduceerd. Daarbij worden de aanwezige suikers in het deeg vergist tot CO2 en alcohol.
Bij zuurdesembrood daarentegen wordt de voor het rijzen noodzakelijke CO2 niet door gist geproduceerd, maar door heterofermentatieve melkzuurbacteriën, die uit de aanwezige suikers naast melkzuur ook alcohol (ethanol) en koolzuurgas maken. Homofermentatieve melkzuurbacteriën produceren bij de fermentatie van suikers alleen melkzuur, geen CO2 en ethanol. Zuurdesembrood kan worden gemaakt met een mengsel van homofermentatieve melkzuurbacteriën en gist, maar ook met enkel heterofermentatieve melkzuurbacteriën. Omdat in het laatste geval geen omzetting door gist plaatsvindt, is deze fermentatie geen vorm van vergisting.
Alcoholische dranken
Een andere toepassing van fermentatie vinden we bij de productie van alcoholische dranken. Het proces vindt daarbij plaats in twee stappen. Eerst is er in een aerobe (zuurstofhoudende) atmosfeer een vermeerdering van de aanwezige gistcellen. Vervolgens wordt in een anaerobe atmosfeer de ethanol geproduceerd.
Herkauwers
Herkauwers maken gebruik van micro-organismen (een symbiose) bij fermentatieprocessen in de pens. De producten van een fermentatieproces zijn een aantal (vluchtige) vetzuren. Onder andere onderstaande zuren (hier weergegeven als de onder biologische omstandigheden optredende anionen) worden gevormd:
| Structuurformule | Naam van de zuurrest | Triviale naam van het zuur |
|---|---|---|
 | lactaat | melkzuur |
 | acetaat | azijnzuur |
 | butyraat | boterzuur |
 | propionaat | propionzuur |