Diapositiva 1 - Dipartimento di Scienze e Tecnologie Ambientali

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
Lezione 12bis
Prof. Augusto Parente
Aprile 20.04.2015
1
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 O2, 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
Ceppo
Prodotto della
fermentazione
Prodotto
agroalimentare
Mosto di cereali
Saccharomices
cerevisiae
(l)
Etanolo
- Birra
- whisky (scozzese)
- whiskey (irlandese)
- Lievito di birra
Mosto di cereali
Saccharomices
carlbegensis
(l)
Etanolo
- Birra
Mosto di uva
Saccharomices spp (l)
Etanolo
- Vino
Mosto di mele
Saccharomices spp (l)
Etanolo
- Sidro
Melasso*
Saccharomices
cerevisiae (l)
Etanolo
- Alcool agricolo
Saccharomices
cerevisiae (l)
Biomassa
- Lievito per panificazione
- Lievito secco
Candida spp (l)
Biomassa
- Lievito per foraggio
Vinaccio di
distilleria
- Lievito di birra
*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
Acido glutammico
Amminoacido- (sale sodicoesaltatore di sapore)
Corynebacterium mutante Lisina
Brevibacterium flavum
Amminoacido (aggiunto negli
Corynebacterium mutante 5’ nucleotide
Esaltatore di sapidità
impasti per la preparazione di
prodotti derivati da cerealiche sono deficienti di Lys)
** 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)
Enzimi vari
Coadiuvanti tecnologici
Aspergillus spp
Solubili di mais Streptomyces spp
Kluyveromyces fragilis
Saccharomyces cerevisiae
Bacillus spp (b)
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
ATP, CoA-SH
AMP + PPi
Ciclo di Krebs
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 + CO2)
Glucosio + ATP → Glucosio-6-fosfato + ADP
Glucosio-6-fosfato + NADP → 6-fosfogluconato + NADPH + H+
6-fosfogluconato + NADP → pentoso-fosfato + NADPH + H+ + CO2
Pentoso-fosfato
fosfochetolasi, Pi
Gliceraldeide-3-fosfato + Acetil-fosfato
(Xilulosio-5-fosfato)
Gliceraldeide-3-fosfato → (Glicolisi) → Ac. piruvico → (Ferm. lattica) → Acido lattico
Acetil-fosfato + NADH → Acetaldeide + NAD+ + Pi
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
CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O
Alcool deidrogenasi
CH3CH2OH + NAD+
CH3CHO + NADH+ H+
Gliceraldeide deidrogenasi
CH3CHO + NAD++ H2O
CH3COO- + 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, H2 (gas)
e CO2. In generale è un processo dannoso nella caseificazione in quanto
responsabile di un'alterazione, il gonfiore tardivo, a carico dei formaggi
stagionati (es. grana).
CH3-CH2-CH2-COOH
Presente nel burro
Fermentazione citrica
GLUCOSIO
PIRUVATO
Acetil-CoA
Ossalacetato
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
CH3-CH2-COOH
Metabolismo anaerobico che avviene in batteri del
Propionibacterium, dotati di particolari enzimi transcarbossilasi.
genere
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-CH2-COOH ⇒ COOH-CHOH-CH3 + CO2
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, CO2 e H2. 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.
H2COPO3-2
Glicerol-3P-deidrogenasi
HC-OH
H2COH
NADH+H+
NAD+
Glicerol-3P
Glicerolo