Historique de la fermentation, processus, types, exemples

La fermentation Il s'agit d'un processus chimique à travers lequel un ou plusieurs composés organiques sont dégradés en composés plus simples en l'absence d'oxygène (en anaérobiose). Est réalisé par de nombreux types de cellules pour produire de l'énergie sous forme d'ATP.

Aujourd'hui, les organismes capables de «ferment» les molécules en l'absence d'oxygène sont très importants au niveau industriel, car ils sont exploités pour la production d'éthanol, d'acide lactique et d'autres produits commercialement pertinents qui servent à faire du vin, de la bière, du fromage et du yaourt , etc.

Pain et bière, deux produits de fermentation de levure alcoolisée.Pixabay.com)

Le mot fermentation dérive du mot latin Fervere, ce qui signifie "ébullition" et a été inventé en faisant allusion au bubb.

À l'heure actuelle, comme Gay-Lussac l'a suggéré en 1810, c'est le terme général utilisé pour se référer au glucose anaérobie ou à d'autres nutriments organiques afin de produire de l'énergie sous forme d'ATP.

Étant donné que les premiers êtres vivants qui ont émergé sur Terre vivaient probablement dans une atmosphère sans oxygène, la dégradation anaérobie du glucose est probablement la forme métabolique la plus ancienne parmi les êtres vivants pour obtenir l'énergie à partir de molécules organiques.

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Histoire de fermentation

La connaissance humaine du phénomène de fermentation est aussi ancienne, peut-être, comme l'agriculture, car pendant des milliers d'années, l'homme favorise la conversion du jus de raisins sucrés écrasés en vin effervescent ou la conversion de la masse de blé en pain dans du pain dans du pain dans le pain dans le pain.

Cependant, pour les premières sociétés, la transformation de ces éléments "de base" en aliments fermentés était considéré comme une sorte d'événement "mystère" ou "miraculeux", car on ne savait pas ce qui l'avait causé.

Les progrès de la pensée scientifique et l'invention des premiers microscopes, ont certainement mis un précédent important dans le domaine de la microbiologie et, avec elle, ont permis la solution du «mystère» fermentatif.

Expériences lavoisier et gay-lussac

Portrait graphique d'Antoine Lavoisier (Source: H. Rousseau (graphiste), E.Thomas (Fear) Augustin Challamel, Desire Lacroix [domaine public] via Wikimedia Commons)

Lavoisier, un scientifique français, à la fin de 1700, a montré que dans le processus de transformation des sucres en alcool et en dioxyde de carbone (comme ce qui se passe pendant la production de vin), le poids des substrats consommés était le même que celui des produits synthétisés.

Plus tard, en 1810, Gay-Lussac a résumé ces déclarations dans la réaction chimique suivante:

C6H12O6 (glucose) → 2CO2 (dioxyde de carbone) + 2C2H6O (éthanol)

Cependant, pendant de nombreuses années, il a été soutenu que ces changements chimiques observés pendant la fermentation étaient le produit de vibrations moléculaires émises par la matière de décomposition, c'est-à-dire par les cellules mortes.

En mots plus simples: tous les chercheurs étaient convaincus que la fermentation était un effet secondaire de la mort d'un organisme et non un processus nécessaire pour un être vivant.

Levure en action

Louis Pasteur dans votre laboratoire. Via Wikimedia Commons

Plus tard, Louis Pasteur, en 1857, a marqué la naissance de la chimie microbiologique lorsqu'il a associé la fermentation à des micro-organismes tels que les levures, dont le terme était lié à l'idée de l'existence de cellules vivantes, avec la production de gaz et de certains composés organiques.

Par la suite, en 1920, il a été découvert qu'en l'absence d'oxygène, certains extraits musculaires de mammifères catalysent la formation de lactate à partir du glucose, et que de nombreux composés produits pendant la fermentation des grains ont également été produits par les cellules musculaires.

Grâce à cette découverte, la fermentation a été généralisée comme une forme d'utilisation du glucose et non comme un processus exclusif de levure et de bactéries.

De nombreuses études ultérieures ont considérablement affiné les connaissances liées au phénomène de fermentation, car les routes métaboliques et les enzymes impliquées ont été élucidées, ce qui a permis son exploitation à différentes fins industrielles.

Processus de fermentation générale

Comme nous l'avons dit, la fermentation est un processus chimique qui implique une transformation anaérobie (sans oxygène) d'un substrat organique dans des composés organiques plus simples, qui ne peuvent pas être métabolisés "en aval" par des systèmes enzymatiques sans intervention en oxygène.

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Il est effectué par différentes enzymes et est normalement observé dans des micro-organismes tels que des moules, des levures ou des bactéries, qui produisent une série de produits secondaires dont l'homme a profité à des fins commerciales pendant de nombreux siècles.

Dans les réactions chimiques qui se produisent pendant la fermentation, les enzymes (protéines capables d'accélérer différentes réactions chimiques) hydrolysent leurs substrats et se décomposent ou «digie», payant des molécules plus simples et nutritives plus assimilables, métaboliquement parlant.

Il convient de mentionner que la fermentation n'est pas un processus exclusif de micro-organismes, car il peut se produire dans certaines cellules animales (comme le muscle, par exemple) et dans certaines cellules végétales dans certaines conditions.

Quels substrats sont fermentesables?

Au début de la recherche scientifique liée à la fermentation, on pensait que les molécules essentielles d'un tel processus étaient des glucides.

Cependant, peu de temps après, il a été entendu que de nombreux acides organiques (y compris les acides aminés), les protéines, les graisses et autres composés sont des substrats fermensibles pour différents types de micro-organismes, car ils peuvent fonctionner comme une source de nourriture et d'énergie pour ces.

Il est important de préciser que le métabolisme anaérobie ne donne pas la même quantité d'énergie que le métabolisme aérobie, car les substrats, en général, ne peuvent pas être complètement oxydés, il n'est donc pas extrait de ces énergies possibles.

Par conséquent, les micro-organismes anaérobies consomment généralement des quantités beaucoup plus importantes de substrats pour pouvoir extraire la même énergie qui extrait un micro-organisisme similaire dans des conditions aérobies (en présence d'oxygène).

De quoi parle la fermentation?

Lorsque la respiration ne peut pas être donnée, soit en raison de l'absence d'un accepteur d'électrons externes, soit pour un certain défaut dans la chaîne respiratoire cellulaire, la fermentation est la voie catabolique utilisée pour produire de l'énergie à partir de glucose ou d'autres sources de carbone.

Dans le cas du glucose, par exemple, son oxydation partielle est effectuée par la route glycolytique, à travers laquelle le pyruvate, l'ATP et le NADH se produisent (ces produits varient selon le substrat énergétique).

Dans des conditions d'aérobiose, le pyruvate est encore plus oxydé lorsqu'il entre dans le cycle de Krebs et les produits de ce cycle entrent dans la chaîne de convoyeur électronique. NAD + est également régénéré au cours de ces processus, ce qui permet de maintenir la continuité de la route glycolytique.

Lorsqu'il n'y a pas d'oxygène, c'est-à-dire dans l'anaérobiose, le pyruvate dérivé de réactions oxydatives (ou d'autres composés organiques résultants) subit une réduction. Cette réduction permet la régénération de NAD +, un événement fondamental pour le processus de fermentation.

La réduction du pyruvate (ou un autre produit oxydatif) marque le début de la synthèse des déchets, qui peuvent être des alcools, des gaz ou des acides biologiques, qui sont excrétés dans l'environnement extracellulaire.

Combien d'énergie est produite?

Alors que l'oxydation complète d'une mol de glucose jusqu'à dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau dans des conditions aérobies génère 38 moles d'ATP, la fermentation produit entre 1 et 3 moles d'ATP pour chaque mole de glucose consommée.

Types de fermentation

Il existe différents types de fermentation, souvent définis non seulement par les produits finaux du processus, mais aussi par des substrats énergétiques qui sont utilisés comme "carburant". Beaucoup d'entre eux seront particulièrement définis dans le contexte industriel.

À titre de note pour le lecteur, il est probablement pratique de revoir certains aspects du métabolisme énergétique auparavant, en particulier en ce qui concerne le catabolisme des glucides (glycolyse), le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons (respiration), afin de comprendre ce sujet avec plus profondeur.

5 types de fermentation peuvent être mentionnés:

- Fermentation alcoolique

- Fermentation lactique ou acide-lactique

- Fermentation propionique

- Fermentation butyrique

- Fermentation acide mixte

Fermentation alcoolique

Lorsque une référence est faite à ce type de fermentation, il est généralement entendu que cela a à voir avec la production de éthanol (CH3CH2OH ou C2H6O), qui est un type d'alcool (dont les boissons alcoolisées telles que le vin et la bière ont, par exemple).

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Industriellement, le principal micro-organisme exploité par l'homme pour obtenir des boissons alcoolisées est le champignon de type de levure appartenant à l'espèce Saccharomyces cerevisiae.

Fermentation alcoolique (Source: l'auteur de la version originale est l'utilisateur: Norro. / Cc by-sa (https: // creveVecommons.Org / licences / by-sa / 4.0) via Wikimedia Commons)

Les levures sont, en fait, des organismes aérobies qui peuvent se développer en tant qu'anaérobies facultatifs, c'est-à-dire que si les conditions méritent, changent leur métabolisme et s'adaptent à l'absence d'oxygène pour vivre.

Comme nous l'avons discuté dans la section précédente, la performance énergétique dans des conditions anaérobies est beaucoup plus faible que dans les conditions aérobies, donc la croissance est plus lente.

La fermentation alcoolique implique la conversion du pyruvate en éthanol, qui se déroule dans un processus à deux étapes: d'abord la transformation du pyruvate en acétaldéhyde et après l'acétaldéhyde en éthanol.

La première réaction, la réaction de conversion du pyruvate dans l'acétaldéhyde, est une décarboxylation où une molécule de CO2 est libérée pour chaque molécule de pyruvate et est catalysée par l'enzyme discarboxylase pyruvate, qui a besoin d'un cofacteur connu sous le nom de thiamine pyrophosphate ou TPP.

L'acétaldéhyde ainsi produit est réduit à l'éthanol au moyen de l'alcool déshydrogénase enzymatique, qui utilise une molécule NADH2 comme cofacteur pour chaque molécule d'acétaldéhyde, libérant de l'éthanol et du NAD+.

NAD + peut être réutilisé pour le glycéraldéhyde 3-phosphate.

À un niveau industriel, différentes souches de S. cerevisiae Ils sont exploités à des fins différentes, car certains ont été "spécialisés" pour la production de vin, de bière, de pain, etc., Afin qu'ils puissent présenter des différences métaboliques distinctives.

Fermentation lactique ou acide-lactique

Ce type de fermentation peut être subdivisé en deux: homofermentatif et hétérofémentation. Le premier a à voir avec la production d'acide lactique comme le seul produit fermentatif du pyruvate glycolytique et le second implique la production d'acide lactique et d'éthanol.

- Fermentation homolactique

Le pyruvate produit par l'itinéraire glycolytique est directement converti en acide lactique grâce à l'action enzymatique d'un acide lactique déshydrogénase. Dans cette réaction, comme dans la deuxième réaction de la fermentation alcoolique, une molécule NAD + est régénérée pour oxyder la glycéraldéhyde 3-phosphate dans la glycolyse.

Pour chaque molécule de glucose qui est consommée, alors deux molécules de pyruvate sont produites, de sorte que le résultat de la fermentation lactique correspond à deux molécules d'acide lactique par molécule de glucose (et deux molécules NAD +).

Ce type de fermentation est très fréquent dans certains types de bactéries appelées bactéries acides et est le type de fermentation le plus simple qui existe.

L'acide lactique peut également être produit par certaines cellules musculaires, car le pyruvate, par l'action du lactate de déshydrogénase (utilisé par NADH2), est converti en acide lactique.

- Fermentation hétérolactique

Dans ce type de fermentation, les deux molécules de pyruvate dérivées de la glycolyse ne sont pas utilisées pour synthétiser l'acide lactique. Au lieu de cela, pour chaque molécule de glucose, un pyruvate devient de l'acide lactique et l'autre devient de l'éthanol ou de l'acide acétique et du CO2.

Les bactéries qui métabolisent le glucose de cette manière sont connues sous le nom de bactéries hétérofémentantes-acides-lactiques.

Ceux-ci ne produisent pas de pyruvate dans toute la voie glycolytique, mais utilisent une partie du chemin du pentose phosphate pour produire du glycéraldéhyde à 3-phosphate, qui est ensuite métabolisé en pyruvate par les enzymes glycolytiques.

En résumé, ces bactéries "coupent" le xylulose 5-phosphate (synthétisée à partir de glucose) dans le glycéraldéhyde 3-phosphate et l'acétyl phosphate en utilisant une enzyme cétolase pentose phosphate attachée au TPP, produisant du glycéralhyde 3-phosphate (GAP) et de l'acétyl phosphate.

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L'espace pénètre dans la route glycolytique et est converti en pyruvate, qui est ensuite transformé en acide lactique grâce à une enzyme lactate déshydrogénase, tandis que l'acétyl phosphate peut être réduit en acide acétique ou en éthanol.

Les bactéries acides-lactiques sont très importantes pour l'homme, car elles sont utilisées pour produire différents dérivés de lait fermenté, parmi lesquels le yaourt se démarque.

Ils sont également responsables d'autres aliments fermentés tels que le chou fermenté ou la "choucroute", les épingles et les olives fermentées.

- Fermentation propionique

Ceci est réalisé par les propionibactéries, capable de produire de l'acide propionique (CH3-CH2-COOH) et qui habitent le rumen des animaux herbivore.

C'est un type de fermentation par lequel les bactéries utilisent du glucose glycolytique pour produire du pyruvate. Ce pyruvate est carboxylé en oxalacétate, qui est ensuite réduit en deux étapes pour succinver, en utilisant les réactions d'inversion du cycle de Krebs.

Le succinate est ensuite convertie en succinyl-CoA et ceci, à son tour, en melonil-coa méthyl par l'enzyme malonicale malonil mutase, qui catalyse une arrière intramoléculaire de succinyl-CoA. Le malonyl-coa méthyl s'assombrit ensuite pour effectuer des propionil-coa.

Ce propionic propionique. Les bactéries et les propionibactéries acides-lactiques sont utilisés pour produire du fromage suisse, car l'acide propionique lui donne une saveur particulière.

- Fermentation butyrique

Fermentation butyrique. Source: Bellwasthow / cc by-sa (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)

Il est réalisé par la mise en forme de bactéries de spores obligatoires et qui appartiennent généralement au genre Clostridium. Selon les espèces, ces bactéries peuvent également produire du butan, de l'acide acétique, de l'éthanol, de l'isopropanol et de l'acétone (le dioxyde de carbone est toujours un produit).

Ces bactéries se dégradent.

Dans certaines bactéries, deux molécules acétyl-CoA se condensent au moyen d'une enzyme Tisolasa, produisant de l'acétoacéthyl-CoA et libérant un COA. L'acétoacéthyl-CoA est déshydrogéné par l'enzyme β-hydroxybutiriril-CoA pour former la P-hydroxybutiriril-coa.

Ce dernier produit donne naissance à Crotonil-CoA par l'action de l'enzyme Crotonasa. Crotonil-CoA est à nouveau réduit par une butyril-coa déshydrogénase associée à FADH2, produisant du butiril-coa.

Enfin, Butiril-CoA est converti en acide butyrique par l'élimination de la partie COA et l'ajout d'une molécule d'eau. Dans des conditions alcalines (pH élevé), certaines bactéries peuvent convertir l'acide butyrique en n-butanol

- Fermentation acide mixte

Il est courant dans les bactéries appelées entérobactéries, qui peuvent se développer avec ou sans oxygène. Il est appelé "acides mixtes" car différents types d'acides organiques et de composés neutres sont produits à la suite de la fermentation.

Schéma de résumé de la fermentation de l'acide mixte (Source: Le téléchargeur d'origine était Nicolasgrandjean à French Wikipedia. / Cc by-sa (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /) via Wikimedia Commons)

Selon l'espèce, l'acide formique, l'acide acétique, l'acide succinique, l'acide lactique, l'éthanol, le CO2, le butanediol, etc.

Plusieurs fois, il est également connu sous le nom de fermentation de l'acide formique, car dans des conditions anaérobies, certaines bactéries peuvent former l'acide formique et acétyl-CoA du pyruvate par l'action de l'enzyme Formique Acid-pyruvate Liasa.

Exemples de processus dans lesquels il y a la fermentation

Il existe de nombreux exemples de processus fermentatifs et de leurs produits. Parmi certains de ces exemples, nous pourrions inclure:

Yogourt, un produit de fermentation (image de flux IMO sur www.Pixabay.com)

- Il salami (viande fermentée), produite par la fermentation lactique des bactéries de chauffage acide

- Il yaourt (Lait fermenté), également produit par les bactéries acides-lactiques

- Il fromage (Lait fermenté), produit par les bactéries acides-cares et les propionibactéries par fermentation lactique et propionique

Fromage, produit de la fermentation des bactéries acides-lactiques et des propionibactéries (image de lipifontes0 sur www.Pixabay.com)

- Il pain (Fermentation des masses de blé), produites par les levures par la fermentation alcoolique

- Il est venu et la bière (Fermentation des sucres dans les raisins et les sucres de grains), produit par les levures par fermentation alcoolique

- Il café et le cacao (Fermentation de sucres présents dans le mucilage du fruit), produit par des bactéries et des levures acides par une fermentation lactique et alcoolique.

Les références

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