Tema 6. Fermentació (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 3º curso
Asignatura Metabolisme de Microorganismes
Año del apunte 2013
Páginas 24
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 45
Subido por

Vista previa del texto

La fermentació estaria dintre de la mateixa categoria de la respiració aeròbica de Quimiorganoheterotrofs. Utilitza compostos orgànics com a donador i acceptor d’electrons, en aquest cas no hi ha oxigen, que és la gran diferencia entre respirar i fermentar. També s’utilitzarà un compost orgànic com a font de carboni. Un altre dels trets característics és que la obtenció d’energia principalment, excepte d’alguns casos concrets, es fa per fosforilació a nivell de substrat, per tant, no hi ha cadenes de transport electrònic.
Un compost orgànic, que sol ser sempre un sucre, és oxidat en una primera etapa més llarga en la fermentació.
D’aquesta oxidació, per la via de fosforilació a nivell de substrat la cèl·lula aconsegueix ATP. S’arriba a un intermediari, que pot ser el piruvat o un altre, aquests intermediaris, quan la cèl·lula els necessita també poden ser utilitzats com a font de carboni per créixer. El que és típic de la fermentació treien tot lo que hem vist fins ara és que hi ha una segona etapa en la que aquest intermediari oxidat pateix 3 reaccions de reducció. Aquest compost reduït és el que s’excreta i és al final el que dona interès a la fermentació o no.
A nivell cel·lular, d’aquestes etapes d’oxidació i de formació d’ATP es genera poder reductor, per tant, la cèl·lula guanya una capacitat de reducció. Part d’aquest poder reductor s’inverteix en aquesta darrera etapa de reducció.
Per què les cèl·lules fan aquest pas d’oxidat a reduït? En cas dels facultatius, si tenen oxigen, normalment faran respiració i mineralitzarà el compost orgànic (fins a CO2), però si no hi ha oxigen és una forma d’acabar la catabolització d’aquest substrat generant compostos una mica més reduïts com pot ser l’alcohol o l’àcid làctic que desprès l’excreten.
Hi ha dos conceptes de fermentació: - Fermentació, sentit bioquímic: Tipus de metabolisme  entenem per fermentació el metabolisme que té totes característiques que hem explicat ara mateix.
- Fermentació, sentit industrial: Creixemenet de microorganismes en bioreactors  La fermentació dels fongs (en realitat no estan fermentant), però veurem que s’utilitza aquest concepte de fermentació ja que des de molts anys enrere en tots els processos en que intervenia un microorganismes es parlava de que estava fermentant.
Podem pensar en els aliments quan pensem en productes fermentats. En les begudes alcohòliques també. Els responsables casi sempre seran els llevats. En el formatge són els bacteris làctics. Els microorganismes que fermenten la carn dels embotits són els bacteri làctics. Els que fermenten les olives són els bacteris làctics també. Els pepinillos estan fermentats per bacteris làctics també.
També hi ha les fermentacions d’altres bacteris, com poden ser els clostridis, alguns enterobacteris com E. Coli, que poden generar acetona i isopropanol, com la laca d’ungles.
Taula per tenir-la com a suport de la gran diversitat de fermentacions que tenim, les que més coneixem, la alcohòlica, la làctica, la dels bifidobacteris, la propiònica, l’acidomixta... que dona productes que tenen una aplicació.
En quan a organismes que fan aquesta fermentació hi ha dos grans grups que són els més rellevants, els bacteris làctics i els llevats, però hi ha d’altres, com l’E. Coli, els Clostridis...
Aquesta fermentació té una aplicació molt evident que és la producció de begudes alcohòliques, com ja sabeu, la fermentació alcohòlica habitualment s’associa en llevats Saccharomyces cerevisiae, però no és l’únic llevat que fa aquesta fermentació.
Saccharomyces cerevisiae és un llevat facultatiu, pot fer fermentació o respiració. També té un tipus de regulació d’aquest facultativisme complexa, que és el que ens explica que aquest llevat faci fermentació en presència d’oxigen.
El que fa es fermentar i passar aquest sucre en etanol, en el cas de les begudes alcohòliques. En un celler (producció de vi) si que estan tancats, però no hi ha una anaerobiosi estricta, és fa un procés d’oxigenació del vi, però el llevat continua fermentant, encara que té oxigen al medi per poder respirar, això és degut a un fenomen que es diu “Efecte Crabtree”.
El que sembla que té lloc és que quan hi ha una concentració de sucres elevada és quan es donaria aquest efecte Crabtree, que el podríem definir com una overflow (vessament, cosa que surt del cabal metabòlic). Quan el llevat té tant de sucre arriba un moment, que per la via de respiració aeròbica, està produint un excés d’ATP del que realment necessita, per tant, sembla ser (s’està estudiant) que en el moment que hi ha aquest desbordament metabòlic on hi ha una gran quantitat de substrat però ja no el necessita per produir ATP, llavors hi ha aquest canvi de respirar a fermentar. El que passa a nivell bioquímic és que l’acetil CoA sintetasa baixaria la seva activitat, no deixant entrar els substrats al cicle de krebs i llavors derivaria a l’oxidació dels sucres cap a la fermentació.
No obstant, com vam dir, sempre s’ha d’oxigenar, ja que els llevats necessiten l’oxigen per la síntesi d’esterols de membrana.
Saccharomyces cerevisiae és el llevat que principalment duu a terme aquesta fermentació ne begudes derivades de suc de fruites, però que no necessàriament Saccharomyces cerevisiae, hi ha altres especies que de forma natural també es desenvolupen en l’aplicació industrial. S’intenta estudiar la utilització d’altres especies i no només la de Saccharomyces cerevisiae per tal de millorar les aplicacions que no pot fer aquest llevat i sí que podrien fer uns altres, com poder metabolitzar la fructosa. També s’ha pensat fer híbrids, en Estats Units, Australia o sud Àfrica si que es poden utilitzar, però aquí a Europa està totalment betat.
La fermentació alcohòlica bàsicament en les etapes inicials són iguals en quan a la respiració en la utilització dels sucres. En la imatge d’abans tenim a la dreta la glicòlisi, i el que passa és que quan arriben a nivell del piruvat, en lloc d’acabar sent oxidat fins a mineralitzar pels cicle de krebs, el que fan es transformant-lo en etanol. Per tant, és aquesta etapa final la que decideix si fa fermentació o respiració.
A partir de la glucosa o la fructosa, el que anomenem sucres fermentables, utilitzarà aquests sucres i en la imatge de dalt a l’esquerra si que es poden veure totes les etapes de fermentació on el piruvat passa després a acetaldehid i finalment en etanol. A partir d’un molt de glucosa, s’obtenen 2 de CO2 i 2 d’etanol.
Aquesta fermentació pot derivar també en alguns productes secundaris com pot ser el glicerol. I en un dels intermediaris fruit de l’oxidació dels sucres s’arriba per una banda a la formació de dihidroxiacetona fosfat i de gliceraldehid 3-fosfat. Amb aquest últim es transforma en piruvat, però la dihidroxiacetona fosfat normalment és convertida en gliceraldehid 3-fosfat i també acaba convertint-se en etanol. No obstant, una petita proporció d’aquest intermediari, acaba convertint-se mitjançant la conversió de dos enzims s’acaba oxidant a glicerol. És importat, ja que el glicerol té un impacte en el producte final. En el cas del glicerol, en els vins, el que passa és que quan baixa el líquid, a les parets queda el glicerol + etanol, un líquid espès més dens  (efecte llàgrima).
Abans parlàvem dels llevats del vi, que en aquest cas, S.
Cerevisiae és el llevat principal, encara que s’està treballant amb altres espècies, en dissenyar híbrids (soques millorades sense passar per la modificació genètica), però en altres begudes també es poden utilitzar altres llevats, com per exemple en el cas de les cerveses, segons la cervesa s’utilitza un llevat o un altre (per exemple, S. Pasturianus) i de fet, utilitzar una espècie o una altra, implica que les característiques finals també són molt diferents.
Probablement, la cervesa que prenem es la Lager, és la que és més popular als països del sud d’Europa, la Ale és més consumida als països del nord i països nòrdics.
La Lager és la típica cervesa més clareta, no tant consistent, la típica canya i les Ale tenen com una maduració, són una mica més fortes...
Una part molt important d’aquesta diferència és el llevat que s’utilitza.
Tant la Ale com la Weiss (no tan coneguda) són S. Cerevisiae, però la Lager, que és la més popular és S. Pastorianus.
Parlant de la Lager, que és la més popular aquí, S. Pastorianus, aquest tipus de llevat té les característiques de tenir una elevada capacitat de floculació. Una de les maneres d’eliminar residus és la floculació, doncs aquí, aquests llevats també tenen aquesta elevada capacitat de flocular, que vol dir que segregaran entre elles i acabaran sedimentats. Això implica que quedaran al fons del tanc de sedimentació (baixa fermentació). El fet de que quedin a baix fa que la fermentació sigui més lenta. Per les característiques de la espècie es fa a temperatures més baixes on s’allibera també CO2. S. Cerevisiae no flocula tant, la temperatura també és una miqueta més elevada, la fermentació és molt més rigorosa amb la producció de molt CO2 on, per tant, les cèl·lules queden en suspensió i no sedimenten tant.
Entre la Ale i el Lager, només per morfologia seria molt difícil distingir-los. La morfologia vista al microscopi és molt diferent si es tracta d’una soca cervesera quan és una soca de laboratori. Quan aquests llevat s’aïllen i es propaguen en el laboratori, de vegades perden propietats de les que tenien originalment.
Quan es treballen en aquestes aplicacions, es té molt en compte que les soques que s’utilitzin generin uns productes secundaris que millorin i en cap cas empitjorin el producte final. Quan es treballen les seleccions de microorganismes per fer la fermentació alcohòlica de bacteris làctics per producció de derivats de la llet, per exemple, es tenen en compte, que siguin bons fermentadors (sucres en etanol), però també, que els productes secundaries que es deriven de la fermentació siguin desitjables i que no apareguin aromes que siguin desagradables.
Aquí tenim només com a manera de resum les etapes de fermentació primària, i després, a partir d’aquí, tindríem com evolucionaria aquests productes que tenim, al llarg de l’envelliment o maduració.
La línia puntejada són els llevats en suspensió en les etapes de fermentació. També tenim com evolucionen una sèrie de compostos que tenen un impacte immediat en el producte final, com són els alcohol superiors, es formen a la etapa de fermentació, de forma paral·lela a la fermentació alcohòlica. No solen ser perjudicials i en quant a l’aroma atribueixen al caràcter alcohòlic. Es diuen alcohol superior simplement perquè són molècules més grans que l’etanol. També generen durant la fermentació els esters, els esters també l’alliberen els llevat. Donen lloc a aromes més aviat fruitals (aroma a plàtan). També hi ha altres productes que es produeixen però que després es van perden amb el temps, que seria l’acetaldehid (poma verda). El VDK és el diacetil que dona aroma de mantega.
L’aplicació de fermentació alcohòlica en aliments és més coneguda però també s’està treballant molt en altres possibles aplicacions de llevats, en la producció d’etanol com a BIOFUEL. En aquest cas, els països que estan ara mateix invertint més diners en desenvolupar aquests processos són els que disposen de matèria prima en abundància (canya de sucre, molt altres).
Això és una gràfica que compara al 2005 diferents països en quant als milions de litres d’aquest tipus de fuel, comparant el bioetanol i el biodiesel. Països com EEUU i Brasil són els capdavanters perquè disposen de la matèria prima i de grans extensions de terra on poden cultivar gran extensions de blat de moro o de canya de sucre (matèria prima a un baix cost). En canvi, a Europa, que no tenim les mateixes característiques, doncs s’ha optat més per altres alternatives ecosostenibles com pot ser el boidiesel. No obstant EEUU i Brasil continuen sent capdavanters.
Una de les matèries primes que es pot utilitzar el requisit es que tinguin grans quantitats de sucres, en aquest cas el 15%, els processos que intervindran seran els llevats format l’etanol, també hi haurà tot un procés d’hidròlisis per alliberar els sucres fermentables, després hi ha un procés de destil·lació per concentrar l’etanol al biofuel. Finalment hi haurà una deshidratació per tal de purificar l’etanol.
Tot i que tenim més present la fermentació alcohòlica del llevat també existeix la fermentació alcohòlica bacteriana.
No només els llevat poden transformar els sucres en etanol, hi ha alguns bacteris, com Zymomonas mobilis, que s’utilitza en la producció de tequila.
El que es fermenta és el suc d’una planta que és l’Ágabe, (Atzavara).
Aquest suc es fermenta i el fermenta aquesta espècie de bacteri.
La fermentació des de el punt de vista bioquímic és una mica diferent de la del llevat, no són les mateixes reaccions bioquímiques. Aquest fermentat se li anomena el pulque que quan es destil·la dona lloc al tequila. Això no vol dir que en el procés natural de fermentació s’han aïllat llevat, ja que normalment, una cosa son els processos industrial, on està tot controlat, on s’utilitza un cultiu iniciador seleccionat i, per altra banda, la fermentació tradicional, on no hi ha una selecció estricta de soca, i per tant s’aïllen alhora tant bacteris làctics com llevats.
A partir de glucosa, per una via metabòlica, que no té res a veure amb la glicòlisi, apareixen tota una sèrie d’intermediaris que són diferents, com pot ser l’àcid fosfogluconic... que acaben convertint-se en piruvat i glicerol 3fosfat, aquest intermediaris donaran lloc a les etapes finals de fermentació alcohòlica que són igual a les de els llevats, on l’etanol és el producte final passant per acetaldehid gràcies al poder reductor, també es forma CO2.
Per cada molècula de glucosa obtenim 2 d’etanol. A nivell bacterià, el que canvia dels llevats, és la primera etapa de la via de fermentació, la metabolització del sucre fins arribar a piruvat, l’intermediari comú per formar etanol.
Dintre de la fermentació làctica és important que d’entrada distingim el que d’entrada s’anomena una fermentació homolàctica i la que és una heterolàctica.
Els dos tipus són fermentacions làctiques es coneixen com el procés de transformar sucres (glucosa..) en àcid làctic.
Els bacteris làctics que es troben en la fermentació homolàctica, tenen com a producte final l’àcid làctic i la heterolàctica, a banda de l’àcid làctic, també poden donar lloc (amb menor proporció) a CO2, etanol i acètic.
En un iogurt estàndard, la fermentació seria homolàctica, on la llet (sucres de la llet com la maltosa) es transformarien en àcid làctic, quan la llet qualla es converteix en la textura que té el iogurt. En el cas del Quefir, és una mena de iogurt (llet fermentada) que habitualment es fa d’una forma més casolana i es fan servir bacteris heterolàctics i per tant, en aquest tipus de iogurt es nota el CO2, l’etanol (molt poc) i la sensació àcida del àcid acètic.
Especies que fan només fermentació homolàctica per exemple tindríem els Lactococcus o Streptococcus, no obstant, hi ha llevats, que depenent de l’espècie fan un tipus de fermentació o una altra. Llavors, altres que només fan heterolàctica serien el gènere Leuconostoc i Oenococcus.
A nivell de metabolisme, la homolàctica permet obtenir una miqueta més d’energia a la cèl·lula que la heterolàctica.
La homolàctica permet 2 ATPs per molt de glucosa i la heterolàctica oscil·la entre 1-1,5 ATPs ja que depèn més dels productes secundaris.
També tenim un apunt que diu que l’àcid làctic també és producte d’altres fermentacions, no només els bacteris làctics fan la fermentació per produir àcid làctic, els clostridis i els àcido-mixta també la poden fer.
Aquí tenim la filogènia i la classificació dels bacteris làctics. Els bacteris lactics estan dintre d’aquest grup, de baix contingut en G+C. Dintre dels bacteris làctics hi ha tres grups importants.
- Enterococcaceae - Lactobacillaceae (grup més important en quant a aplicacions) - Streptococcaceae De forma resumida tenim, en primer lloc, quin és el producte principal de la fermentació làctica, depenent de la espècie genera un isòmer de l’àcid làctic o un altre. En el cas dels lactobacillus poden generar una mescla del D/L, el D o el L només. En altres cassos, només generen un tipus o un altre. Aquests bacteris làctics de forma general els associem a aliments, de on s’aïllen aquests bacteris làctics? Es troben en molts aliments, com pot ser la carn, la llet, els vegetals, els vins... (es pot veure clarament tot això a la taula de dalt). Els Enterococcus es troba a la femta. En el cas dels Streptococcus també hi ha alguns que són patògens. S’utilitzen uns o altres depenent de l’aplicació que tenen.
Cal recordar que els bifidobacteris són un grup a banda, tot i que comparteixen algunes semblances en quant al metabolisme, també fan una fermentació que s’assembla molt a la làctica, però no és la mateixa. També, l’origen dels bifidobacteris són del a microbiota intestinal i no dels aliments com passa amb els altres. Després aquests bifidobacteris s’addicionen als iogurts perquè tenen propietats bones per la salut però no s’han de confondre.
En la següent pàgina tenim la comparació de lo que seria la fermentació homolàctica i la heterolàctica.
- - La homolàctica és força senzilla, bàsicament, el que té lloc és la metabolització de la glucosa per la via de la glicòlisi i després fins a piruvat i el piruvat és transformat al lactat. En principi, el guany net per una molècula de glucosa seria de 2 ATPs i no hi ha aparició de productes secundaris.
En el cas de la via heterolàctica només per veure la diferència principal, no hi ha la degradació de la glucosa per la via de la glicòlisi, intervenen uns altres enzims. És una via llarga però si que hem de saber que es tracta d’una via diferent amb uns altres intermediaris, per això porta a que es generin uns productes una mica diferents.
La via de degradació de la glucosa s’anomena la ruta de Warbug-Dickens i si que hi ha la etapa incial de la activació del a glucosa però després hi ha una sèrie d’intermediaris diferents. per una banda es genera gliceraldehid 3-fosfat i per altra banda, l’acetil fosfat, i per tant, això és el que pot derivar a la formació o bé a etanol o bé a àcid acètic.
En aquesta primera etapa d’oxidació de la glucosa, que són diferents, hi ha una pèrdua de carboni, això explica que es formi el CO2.
En principi la formació principal seria la transformació d’aquest gliceraldehid cap a lactat, i si ens fixem, aquesta part si que és comuna entre una via i l’altra. En aquest cas, el guany net d’ATP està entre 1-1,5, considerant que hi hagués una repartició equimolar entre la formació de lactat, etanol i CO2 (1:1:1).
Hi ha una altra fermentació que està associada als bacteris làctics, que és la fermentació acetoïna-diacetil. Insisteixo, macarrones, això vull que us quedi clar, sinó hem veniu a preguntar. Els bacteris làctics, depenent de si són homofermetnadors o heterofermentadors produiran àcid làctic o a més etanol, CO2 i acètic. No obstant, si al medi també tenen citrats (llet..), aquests bacteris podran fer un altre tipus de fermentació paral·lelament a la fermentació làctica. Els productes que es generen de la fermentació del citrat tenen un impacte en l’aroma molt important, per això és molt important alhora de produir els productes alimentaris.
El citrat, quan és metabolitzar per aquesta via genera un acetat i un oxalacetat, a partir d’aquest últim es genera el piruvat, també pot ser a partir dels sucres i del piruvat es generen diferents intermediaris com són el diacetil, després la acetoïne i finalment el Butandiol.
- Sobretot el diacetil és un compost que dona típicament l’aroma de mantega. Aquest diacetil és molt volàtil, per tant, el fet que metabolitzin el citrat a aquests compostos vol dir que tindrà una implicació directa en el producte final, sobretot en els additius, derivats de la llet (llet amb aroma de mantega és positiu). Per contra, el que aparegui un aroma excessiu de mantega en el vi no es gaire positiu. Per tant, depenent del producte amb que estiguem treballant, es potenciaran soques que tinguin aquesta via molt activa o al contrari.
- Tant la acetoïne com el butandiol tenen també un aroma a mantega, com el diacetil, però tenen un llindar de percepció més alt i no són tan volàtils, per tant, el impacte no és tant.
Com es pot veure en la imatge, l’entramat metabòlic és complex i si ens fixem més podem veure com a partir del piruvat podria derivar a lactat, també acetil coA i etanol...
Hem parlat de lo que seria la fermentació principal que es fan amb els bacteris làctics, que és la fermentació làctica i també la secundària (més ven dit seria dir la via paral·lela) que la fan quan al medi hi ha citrat, però abans de continuar amb altres exemples que no estan lligats a aquesta fermentació, explicarem uns possibles problemes associats al desenvolupament de bacteris làctics, que és la formació d’amines biògenes.
La aparició d’aquests compostos s’associa als fermentats làctics.
Tot això té una repercussió després de salut.
Els bacteris làctics fan la fermentació de manera normal, però, també poden metabolitzar alguns aminoàcids, la metabolització d’aquests aminoàcids pot donar lloc a les amines biògenes, que són amines produïdes biològicament.
Quin problema poden generar? Les amines biògenes tenen funcions molt importants com la transmissions neuronals (catecolamina), la histamina també intervé, però en els aliments fermentats, on aquestes amines estan produïdes per microorganismes i concretament per bacteris làctics (els únics que les poden produir), fan la descarboxilació dels aminoàcids i el converteixen en una amina. S’associen a un problema de toxicitat, el grau del qual dependrà del tipus d’amina, de la concentració i de la sensibilitat de l’individu que la pren.
Lo més típic és tenir migranya, però també pot estar associat a problemes respiratoris, al·lèrgies, hipertensió...
Els enzims que tenim per destoxificar aquestes amines biògenes estan inhibits per l’alcohol, per tant, si combinem un aliment que pugui contenir elevats nivells d’amines biògenes (com pot ser el vi) i veus begudes alcohòliques, llavors estàs inhibint els enzims.
Aquí podem veure com la Ornitina dona lloc a la Putrescina, la Histidina a la Histamina, la lisina a la Jadaverina i la Tirosina a la Tiramina.
En el cas dels vins, és un problema real que s’ha de controlar i és fan molts controls per tal de saber el nivell d’amines biògenes.
Relacionats amb els bacteris làctics, tot i que ja vam parlar que no perteneixen al mateix grup, tenim els Bifidobacterium.
Aquests fan una fermentació que també es pot anomenar làctica ja que produeixen a partir de glucosa lactat, concretament l’isòmer L.
(no hi ha imatge de la fermentació d’aquests bacteris, no importa) És important saber però quin és el producte o el substrat que s’utilitza principalment en la fermentació, són igual que als làctics, els sucres fermentables, hem posat com a exemple la glucosa, però també poden utilitzar altres sucres. Generen el lactat, però també generen àcid acètic i en una proporció superior al lactat, això és una de les diferències respecte la fermentació làctica dels bacteris làctics. En aquest cas de dues molècules de glucosa es generen dos de lactat i 3 d’acetat.
A nivell energètic està pro bé, a partir de 2 glucoses s’obtenen 5 ATPs, en la fermentació làctica s’obtenien 2 ATPs, per tant, són microorganismes que es desenvolupen sense masses problemes en un entorn on tinguin sucres. Són un grup de grams positius, però el tipus de filogènia que presenten és molt diferenciada dels làctics. Són anaeròbics estrictes a diferència dels làctics, els làctics són aerotolerants, no l’utilitzen però es poden desenvolupar.
La microbiota intestinal és l’origen d’aquests bacteris i no la font alimentaria. Hi ha productes que són probiòtics ja que tenen un benefici en la salut dels humans, el bacillus és un d’ells, i s’afegeixen en iogurts i llets fermentades.
El metabolisme és diferent dels bacteris làctics, on no veiem la mateixa via de la glicòlisi, hi ha algunes etapes de a ruta de les pentoses fosfat, i com ja dèiem, per 2 glucoses són 5 ATPs.
Avantatges d’afegir aquests bacteris als aliments: Cada vegada veiem més productes alimenticis amb aquests bifidus afegits, i actualment, s’estan fent molts estudis per tal de poder afegir aquests bacteris a més aliments.
Compara el que seria el tant % de imposició dels bifidobacteris en l’intestí dels nadons en cas d’estar un més alimentats amb aquesta llet (es mesura per la femta) i comparen amb lo que seria la llet materna que és l’estàndard. Comparen lo que seria l’alimentació amb llet materna enriquida amb bifidobacterium, que obtenen que en principi aquests nadons estan al mateix nivell, mentre que comparant-ho amb una llet estàndard, que no tingués aquesta addició de bifidobacteris, els nivells serien molts més baixos.
Si veiem l’evolució de la microbiota intestinal en tres individus de diferents edats tindríem un exemple d’un nadó de 50 dies, una dona de 33 anys (cas del mig) i d’un home de 63 anys. De les diferents barres, la primera indica la població de bifidobacteris per gram, després E. Coli està en verd, en blau tenim Lactobacillus acidòfillus, i després tenim en lila els bacteroides (negatius) i clostridium perfigens que sabem que és un patogen. Els bons són els bífidus i els lactobacils i tot lo altre en principi es dolent.
En general es pot veure com al cap dels anys els bifidus van baixant moltissim i els clostridis i els bacteroides patògens van incrementant. Com la presència d’aquests bifidobacteris tenen propietats bones per la salut, com que es dona aquest desequilibri en la població al passar el anys, es pot d’alguna manera contrarrestar amb la ingesta d’aliments que tenen probiòtics.
És una fermentació peculiar que té una aplicació molt avident en formatges d’un determinat tipus. La fermentació propiònica el principal bacteri que la fa és Propionibacterium, és un bacteri que té la capacitat de fermentar els sucres i transformar-los en àcid propiònic i acetat. En aquest cas si que metabolitza la glucosa per la via de la glucòlisi generant piruvat, aquest piruvat també pot venir d’altres fons com per exemple del lactat si aquest microorganisme es desenvolupa en medis on hi ha bacteris làctics, en la llet.
Per cada 3 molècules d’àcid làctic, s’obtenen 2 d’àcid propiònic, 1 d’acetat i també 1 de CO2. L’ATP és entre 3-5 degut que pot anar cap a la producció d’acetat o de propionat.
Aquests Propionibacteris, tot i que es desenvolupen en productes làctics, no són de la família dels bacteris làctics, també són gram positius, i són anaerobis aerotolerants, però fan un metabolisme diferent i no són de la mateixa família.
El típic formatge emmental (el dels forats) té aquests forats degut a aquesta fermentació, a la formació de l’àcid propiònic i a l’acetat. Els forats, però també és característic el sabor del formatge, tot degut a la fermentació. En aquests formatges es fan dues fermentacions, primer una normal, fermentació làctica, com es faria en qualsevol formatge degradant els sucres i formant el lactat i a partir dels sucres que quedin de la primera fermentació, és quan intervindran els Propionibacteris en una segona etapa de fermentació i formaran el propionat que dona aquestes característiques.
Aquests bacteris poden metabolitzar altres substrats com glicerol, aminoàcids... no obstant, no és rellevant. La via metabòlica seria com una mena de cicle de krebs invers on intervenen enzims dels cicle de krebs però de manera inversa transformant aquests sucres en propionat i acetat.
De fermentacions associades a productes làctics podríem continuar, però aquestes són les més rellevants, hi ha processos on actuen fongs en la producció de formatges, però això no són fermentacions.
Explicarem uns quants exemples en quant a la rellevància que tenen segons els microorganismes, que poden ser patògens o d’us comú. Alguns tipus de fermentacions que poden fer alguns tipus d’Enterobacteris ( a part de la importància que tenen ja que formen part de la microbiota, és també el fet de que són contaminants en aliments) aquests enterobacteris poden fer dos tipus de fermentació, depenent de la espècie o del gènere, una que es coneix com a fermentació àcido-mixta (producció d’una barreja de diferents àcids orgànics com lactat, acetat, succinat...) i l’altre és la del butanodiol (un dels productes principals d’aquesta fermentació a partir dels substrats com són els sucres és el butanodiol).
Escherichia coli fa la fermentació àcido-mixta , igual que la Salmonella (patogen). De la fermentació del butanodiol ens trobem amb gèneres que són tan freqüents com els Bacillus (estan en molts medis), els Enterobacters... la fermentació àcido-mixta destaca pel predomini de la formació d’àcid i la del butanodiol perquè no es formaria tanta quantitat d’àcid.
Per la identificació d’aquests dos grups és important conèixer que en el cas del metabolisme a partir de la glucosa per la fermentació àcido-mixta genera piruvat mitjançant la glicòlisi i a partir del piruvat es genera per una banda lactat, depenent de la espècie es pot generar succinat o etanol, acetat, CO2 i hidrogen. És una barreja de productes, alguns d’ells àcids, concretament, en el cas d’E. Coli, com que conté l’enzim formiat liasa, que és el que permet el formiat a CO2 i H2, per tant, tindríem tots aquests productes també.
Aquí tenim un balanç de compostos àcids sobre neutre (4:1), és a dir, hi ha un canvi de pH on a partir de sucres s’obté una major proporció de compostos àcids; a banda, aproximadament, es manté aquesta proporció de CO2 i H2 1:1.
En canvi, comparant amb l’altre fermentació on trobem com a representant l’Enterobacter, en aquest cas, a partir de la glucosa, i es fa la via de la glicòlisi, s’obté el piruvat i d’aquest s’obté el butanodiol (nom a la fermentació), etanol, lactat, succinat, acetat (succinat i acetat en petites quantitats), CO2 i H2 (en parts desiguals), de fet la proporció entre CO2 e H2 seria de 5:1. I la proporció d’àcid respecte neutre és de 1:6, per tant, els canvis en el pH i les diferents concentracions de gasos i compostos orgànics ens permeten distingir un grup o un altre.
En aquesta taula podem veure les quantitats de producte que produeixen cada espècie predominant de la fermentació àcido-mixta. Mireu-vos-ho vosaltres atentament els números com varien entre ells i la relació.
De Clostr idium hi ha molts que són patògens, que estan a la microbiota intestinal. I els clostridis al tractar-se de microorganismes que són anaeròbis estrictes i que només fan fermentació també tenen el risc de que ens apareguin en processos de fermentació i per tant, en alguns processos de fermentacions d’aliments.
Per exemple en el cas de la fermentació d’olives, al inici de la seva fermentació es poden trobar alguns clostridis i són microorganismes que es miren de controlar molt en aquestes primeres etapes on el pH inicial no baixa molt, ja que els clostridis quan baixa molt el pH no resisteixen, sobretot els més patògens. I si no es mira el pH les olives podrien contaminar-se per aquest patogen, en les olives lo que es dona és la fermentació conjunta entre llevats i bacteris làctics que de vegades no es controla i no arriba a baixar el pH prou i podria contaminar-se d’algun Clostridi.
Aquests bacteris fermenten sucres o proteïnes, per tant es trobaran en medis amb aquests substrats, el fet que fermentin sucres o proteïnes va lligat a la espècie de clostridi. Algunes espècies es diuen Sacariolítiques i altres Proteolítiques, segons si aprofiten més les proteïnes o els sucres.
- Proteolítics. Sobretot utilitzen proteïnes. Entre els clostridis representants estan el Cl. Sporogenes o el Cl. Perfigens que és un patogen important que pot produir fins i tot gangrena.
Els bacteris proteolítics fan el metabolisme bàsic. Fermenten aminoàcids, però com en tota fermentació hi ha una branca oxidativa i una altra branca que redueix, en aquest cas són dos aminoàcids que són metabolitzats simultàniament, un s’oxida i l’altre es redueix. Parlem de fermentació, primer per que és anaeròbia i després per això, per la fermentació parcial d’un compostos orgànic (aminoàcid) i una reducció parcial d’un altra aminoàcid. Com podem veure en la diapositiva, no és un metabolisme exclusiu de clostridis. La via oxidativa de la fermentació també, com és normal en les vies oxidatives es produeix la formació d’ATP, també es produeix la pèrdua d’un carboni (en forma de CO2). En l’altre via, la reductora, no es produeix la pèrdua del carboni, però lo que si que es perd és l’amoni i de la via oxidativa es cedeixen dos hidrògens cap a la via reductora. Els aminoàcids no són aleatoris, van en tàndem, com per exemple Alanina-Glicina, Histidina-Arginina i Valina-Triptòfan.
Organismes com Pseudomonas també poden fer aquest tipus de metabolisme com fan els Clostridis. Que quan no disposen de sucres, poden fer aquesta via d’utilització dels aminoàcids.
- Sacarolítics: No tenim patògens tant importants com en l’altre cas, i sobretot metabolitzen sucres.
En alguns casos poden tenir una aplicació com la producció d’alguns dissolvents orgànics. En aquest cas podrien fer dos tipus de metabolisme (fermentació): o Fermentació butírica: Seria el pas dels sucres a l’àcid butíric. Hi ha una baixada de pH com en el cas de la làctica. Com a producte de fermentació també produeixen H2 i CO2. El representant més important és el Clostridium butyricum i en aquesta fermentació intervé un element típic de les cadenes respiratòries com és la Ferredoxina.
o Fermentació acetona-butanol: es diu així pel producte principal que s’obté, en una proporció 1:1. L’acetona i el butanol són dissolvent orgànics que s’utilitzen molt. En aquest cas, l’espècie principal és el Clostridium acetobutylicum i també es pot produir per aquesta mateixa fermentació, com a producte secundari el isopropanol, que seria altre dissolvent d’alcohol en processos industrials. Aquestes reaccions s’activen a pHs una mica inferiors a 5, aquests bacteris no poden viure a pHs molt àcids.
Hi ha altres tipus de fermentacions que són una mica peculiars on només es produeix una sola reacció a diferencia de les vies metabòliques que hem vist amb anterioritat (vies molt complexes amb formació de productes secundaris també).
El metabolisme que treballa en condicions d’anaerobiosis on no intervenen cadenes electròniques per l’obtenció d’energia i es passa d’un compostos orgànic una mica més reduït a un altre més oxidat, entren en la classificació de fermentacions.
Tenim 4 exemple concrets on els substrats són en tots els cassos un àcid orgànic. Són metabolisme en les que intervé una única reacció, per tant, energèticament no són res extraordinari per la cèl·lula, però són microorganismes que disposen d’aquestes possibilitats metabòliques i poden subsistir a partir d’aquestes fermentacions; la majoria de cassos tenen altres tipus de vies per créixer, i només són fermentacions que poden fer a banda d’un altra.
Tenim el cas del succinat que es transforma a propionat i CO2, que si ens fixem en tres dels quatre cassos es tracten de descarboxilacions dels compostos. En cada cas tenim el gènere que fa aquest tipus de fermentació, en el primer cas és el Propionigenium, en el cas dels Oxalobacter tenim l’oxalat que el transforma en formiat i CO2...
Les formes d’obtenció d’energia: Com es tracta d’una única reacció, aquí l’obtenció d’energia no és fosforilació a nivell de substrat sinó que va lligat a l’activitat ATPasa. en el primer cas, per exemple, intervindria una ATPasa lligada a una bomba de Na+-K+.
Fermentació del succinat: Propionigenium En aquest cas, Propionigenium incorpora el Succinat, un complex descarboxilasa anclat a membrana és el que permet descarboxilar el succinat a propionat i en aquest cas, aquesta reacció és exotèrmica fa que pugui activar la funció bomba de sodi que exportarà sodi a fora de la membrana i que després seran utilitzats per la bomba de sodi per produir ATP.
Fermentació del oxalat: Oxalobacter En aquest cas, Oxalobacter incorpora l’oxalat que mitjançant una descarboxilació produeix el formiat. Tenim un sistema d’antiport. En aquest cas aconsegueix energia mitjançant una ATPasa de membrana que s’activa mitjançant l’activació del gradient de protons de la membrana i aquest gradient s’aconsegueix gràcies a aquesta descarboxilació de l’oxalat.
La cèl·lula afavoreix l’entrada de protons de l’exterior a l’interior per crear un gradient.
Des de un punt de vista metabòlic és lo mateix que hem explicat abans de l’Oxalobacter, és una descarboxilació que en aquest cas és de l’àcid màlic al lactat. Va lligat a l’obtenció d’energia mitjançant una ATPasa de protons. El que la fa interessant és el fet que te aplicació en la elaboració de vins com de sidra.
En el cas dels vins es tractaria d’una segona fermentació, la primera és la fermentació alcohòlica que fan els llevats, però en els vins negres es promou que es realitzi aquesta segona fermentació que es diu Malolàctica. Per què? Tenim una transformació d’un diàcid màlic que es descarboxila i queda como un monoàcid, un àcid monocarboxilic, hi ha alliberació de CO2. Això provoca una lleugera disminució de l’acidesa, l’àcid màlic és un àcid natural del most del raïm, és un àcid orgànic que es troba a la fruita de forma general i els llevats no el metabolitzen, per tant, quan intervenen els bacteris làctics (responsables d’aquesta fermentació malolàctica) en aquestes condicions que ja no queden sucres perquè se’ls ha menjat el llevat, el substrat que poden utilitzar és el malat i per tant fan aquesta segona fermentació. El pH puja una miqueta.
A banda, generen aromes característics fruit de la fermentació làctica, quan vam parlar de la fermentació làctica també vam parlar que podien metabolitzar el citrat i generar diacetil i altres compostos, doncs aquí també es pot generar. Una altra cosa molt important, segons la fermentació que es dona proporciona una estabilitat microbiològica. Que vol dir que si els pocs substrats que queden en aquell producte son esgotats, en principi, el que evitem és que puguin haver contaminacions posteriors, si esgotem els substrats dels làctics evitem que quan aquest producte estigui envasat i embotellat, pugui haver-hi un desenvolupament dels microorganismes d’aquests bacteris.
El metabolisme que es dona en aquest cas és molt semblant al que vam veure en el cas de l’Oxalobacter.
L’espècie principal que fa aquesta fermentació en el vi i la sidra és Oenococcus oeni. L’àcid màlic entra per un transportador a dins de la cèl·lula i l’enzim malolàctic (EML) és el responsable de la transformació de malat a lactat i H2CO3 que després sortirà i es convertirà en CO2. En L-lactat que es forma no es pot acumular intercel·lularment i per tant es transportat cap a fora de la cèl·lula amb un transportador que alhora fa sortir protons, per cada lactat que surt també surt un protó i això fa que la ATPasa de membrana pugui funcionar i es produirà l’energia.
...