fermentering

Ved fermentering indgår der ikke fri ilt eller en elektrontransportkæde i selve processerne, og et organisk molekyle fungerer som den endelige elektronacceptor.

I omtrent alle levende celler foregår den første del af omsætningen af forskellige sukkerarter via glykolysen, som også betegnes Embden-Meyerhof-nedbrydningen. Denne energigivende proces involverer en række fosforylerede sukkermolekyler, der gennem en række enzymatiske trin omdannes til pyruvat. Ved denne omsætning af glukose bliver slutresultatet: glukose + 2 ADP + 2 fosfat + 2 NAD⁺→ 2 pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ For hvert glukosemolekyle, der omsættes, dannes der således to molekyler pyruvat, to energirige ATP-molekyler og to reducerende NADH-molekyler.

Under de iltfri betingelser kan NADH ikke oxideres til NAD⁺ gennem en energigivende elektrontransportkæde, men der eksisterer en række andre enzymatiske mekanismer, der opretholder NAD⁺/NADH-cyklus. Med pyruvat som udgangspunkt danner forskellige mikroorganismer en række fermenteringsprodukter; samtidig oxideres NADH til NAD⁺.

Ved alkoholgæring omdannes pyruvat til CO₂ og acetaldehyd, som reduceres til ethanol ved en kobling til NADH (se også alkohol).

Ved mælkesyrefermentering bliver pyruvat direkte reduceret til mælkesyre ved en ettrins reaktion koblet til NADH. Mælkesyrefermentering indgår fx i syrning af mælk under osteproduktion og ved fremstilling af surkål. Også hos mennesket danner den samme proces mælkesyre i cellerne, når ilttrykket er lavt, som fx i muskelcellerne under kraftig og langvarig belastning.

Propionsyrefermentering indebærer flere enzymatiske trin, hvor pyruvat først kobles med CO₂ til oxaloacetat, som derefter i to NADH-afhængige trin reduceres over malonsyre til ravsyre. Som det sidste trin i processen dannes propionsyre ved fraspaltning af CO₂.

Blandet fermentering. De fleste bakterielle fermenteringsreaktioner resulterer i en blanding af slutprodukter.

Ved en enzymatisk reaktion, som involverer coenzym A (coA), kan pyruvat omdannes til myresyre og acetylcoA, som atter kan blive til eddikesyre ved fraspaltning af coenzym A. Tilsvarende kan pyruvat direkte omdannes til acetylcoA under frigørelse af CO₂ og hydrogen.

To molekyler acetylcoA kan kondensere til acetoacetylcoA, som ved fraspaltning af CO₂ danner acetone, der ved en NADH-koblet reduktion bliver til isopropanol.

Ligeledes kan acetoacetylcoA reduceres til butyrylcoA, som enten videreomdannes til smørsyre eller reduceres til butanol.

Ved andre enzymatiske reaktioner kan to molekyler pyruvat sammenkobles under CO₂-fraspaltning til acetolaktat, som ved endnu en CO₂-fraspaltning bliver til acetoin, der igen reduceres til butandiol.

En mikrobiel fermentering af aminosyrer finder ofte sted i omgivelser, hvor der sker en kraftig nedbrydning af proteiner (proteolyse) til frie aminosyrer, som det fx sker ved forrådnelse. I nogle tilfælde fører omsætningen af aminosyrer til dannelse af ildelugtende produkter (tryptofan til indol, cystein og methionin til svovlholdige forbindelser), mens der i andre tilfælde, fx ved oste- eller vinproduktion, dannes typiske smagsstoffer. Se også bioteknologi.

Den videnskabelige indsigt i fermenteringsprocesser er af ret ny dato, men fermentering har været udnyttet i levnedsmiddelsammenhæng i årtusinder. Mange allestedsnærværende mikroorganismer, fx gær, skimmelsvampe og mælkesyrebakterier, fremvokser spontant i forskellige levnedsmidler og giver anledning til ændringer i smag, konsistens og udseende og til dannelse af fx alkohol, mælkesyre eller andre stoffer med konserverende virkning. De traditionelle fermenteringsprocesser er sandsynligvis oprindelig blevet "opdaget" ved tilfældigheder. Typiske eksempler på produkter er syrnet mælk, gærbrød, fermenterede pølser, surkål og sojasauce. Sidstnævnte er et eksempel på den rige orientalske tradition for anvendelse af skimmelsvampe.

Med erfaringen lærte man at pode det rå levnedsmiddel med de rette mikroorganismer, selvom man stadig intet vidste om mikrobiologien bag processerne. Man gemte fx en klump gærdej eller surdej til næste bagning eller en spand valle til næste ostning.

I vore dage er levnedsmiddelindustriens fermenteringsprocesser langt mere kontrollerede, ikke mindst i mejeribruget. Man pasteuriserer oftest råvaren og tilsætter rene kulturer af de ønskede mikroorganismer, såkaldte starterkulturer. Derved opnås et ensartet produkt og en høj grad af sikkerhed mod uønsket mikrobiel vækst, dog ikke uden komplikationer. Således kan starterkulturer bestående af få, veldefinerede stammer være særlig udsat for angreb af visse virus (bakteriofager). Processerne kræver altså mere omhu med styringen og strengere hygiejne end nogensinde.

Man må forvente, at genetisk modificerede mikroorganismer, fx gær, der kan udnytte stivelse, eller mælkesyrebakterier med særlig høj bakteriofagresistens, vil blive taget i anvendelse i levnedsmiddelindustrien.

I industrien betegner fermentering en proces, der i produktionsøjemed er baseret på anvendelsen af mikroorganismer eller andre levende celler. Produktet kan være cellemetabolitter, cellerne selv (massekulturer) eller produktmodifikationer. Fermentering og gæring er næsten synonyme betegnelser, idet gæring undertiden kun benyttes om sådanne fermenteringer, hvori der specielt benyttes gær, heraf fermenteringsindustrier eller gæringsindustrier.

Fermenteringer kan inddeles i: aerobe (iltkrævende) fermenteringer og anaerobe (ikke iltkrævende) fermenteringer; submerse (under vand) fermenteringer og overflade-fermenteringer; batch-fermenteringer og kontinuerlige fermenteringer.

Fermenteringer udføres i en beholder (bioreaktor, fermentor, gæringstank eller gæringskar). Fermenteringer anvendes i det bioteknologiske område, medicinalindustrien, levnedsmiddel- og nydelsesmiddelindustrien, inden for spildevands- og forureningsområdet og ved en række "modningsprocesser" til råvareforbedring. Ved industrielle fermenteringer benyttes gærsvampe, skimmelsvampe og bakterier og mere specielt virus, animalske celler og planteceller.

En almindelig type fermentor til en aerob batch-fermentering er en opretstående cylindrisk tank med et rumindhold på 50-400 m³ og et højde/diameterforhold på 2:1. Tanken er forsynet med en effektiv omrøring og med mulighed for indblæsning af steril luft (ca. 1 tankvolumen pr. min). Tanken er forsynet med varmeslanger og varmekappe (for damp) til sterilisation af tanken og dens indhold (næringsmediet) (121 °C ca. ¹/₂ time) og må kunne modstå et overtryk på ca. 1 atm. Varmeslangen og kappen kan også benyttes til at aflede varmen fra fermentoren (kølevand), idet der udvikles varme under fermenteringen. Tanken er desuden forsynet med diverse armaturer og reguleringsudstyr for temperatur, tryk, pH og andet. På grund af den intensive luftblæsning ved aerobe fermenteringer dannes store mængder skum, hvorfor der under fermenteringen må tilsættes skumdæmper.

Ved anaerobe fermenteringer kan i princippet benyttes samme udstyr som ved de aerobe, dog uden luftindblæsning. I øvrigt kan anvendes fermentorer af andre former, afhængigt af den pågældende fermentering, fx liggende tanke. Tankene kan være af aluminium, rustfrit stål, evt. plast, jern eller træ. Fermentorerne må udformes, så de er lette at rengøre og lette at holde aseptiske.

Ved fermenteringens start påfyldes fermentoren næringsmedium for den pågældende mikroorganisme bestående af en carbonkilde, nitrogenkilde, næringssalte og eventuelle hjælpestoffer (som vitaminer og aminosyrer). Vigtige komponenter i næringsmediet er blandt andet glukose, stivelse, korn, kartoffelmel, sojamel opslæmmet i vand.

Når fermentoren er påfyldt næringsmediet, steriliseres tank og medium, og efter afkøling podes fermentoren med en forkultur af den pågældende mikroorganisme. Forkulturen fremstilles fx i en lille fermentor på ca. ¹/₁₀ volumen af hovedtanken, dette kaldes propageringen. Efter ca. en uge er mikroorganismen udvokset, og hvis produktet er extracellulært, kan det isoleres fra mediet, efter at mikroorganismen er skilt fra ved filtrering eller centrifugering.

En anden vigtig fermenteringstype er overfladefermentering, hvor næringsmediet ofte består af fast dyrkningsmedium som sterilt, fugtigt hvedeklid, risklid, sojabønnemel e.l., der er lagt i bakker, der placeres i et sterilt skab eller rum med temperaturregulering. Beluftningen sker ved at blæse steril luft hen over bakkerne. Denne fremstillingsform anvendes især i Østen og kaldes kojimetoden. Metoden egner sig især til fermentering med skimmelsvampe, den er meget arbejdskrævende og spreder ofte mikroorganismer og sporer i lokalerne, hvilket er uhensigtsmæssigt, hvorfor den nødigt anvendes her i landet.

Ud over submers batch-fermentering kan fermenteringen udføres som en kontinuerlig fermentering ved løbende at tilpumpe frisk næringsmedium til fermentoren og samtidig ved et overløb fra tanken løbende at opsamle udgæret medium plus produkt. Sådanne systemer kan holdes produktive i praksis i ca. en måneds tid; man kan herved spare tid og bl.a. opnå varmebesparelser. Ved en anden metodik, fed batch-fermenteringen, "den danske metode" eller tilløbsmetoden, opfundet af danskeren Søren Sak i 1918, udføres fermenteringen i en tank, der podes, når den kun er delvis fyldt op med næringsmediet, hvorefter man starter en tilledning af koncentreret frisk substrat i takt med, at mikroorganismen omsætter næringsmediet. Herved opnår man, at mikroorganismen aldrig har overskud af næringsstoffer, og metabolitrepression og "glukoseeffekt" undgås. Tilløb benyttes også, såfremt visse mediekomponenter er toksiske.

Eksempler på fermenteringsprodukter, der fremstilles ved aerobe submerse fermenteringer, er antibiotika, enzymer, vitaminer, hormoner, polysaccharider, citronsyre, eddike, aminosyrer, bagegær, fodergær og insekticider. Eksempler på anaerobe fermenteringer er fremstilling af alkohol, acetone, butanol, mælkesyre og biogas (methan).

Den aerobe submerse fermentering illustrerer generelt den industrielle fremstilling af flere af de nævnte produkter, dog er de efterfølgende oprensningsprocedurer forskellige fra produkt til produkt og også afhængige af produktets anvendelse; se enzymer (industriel fremstilling). Ved flere produktioner anvender man i stigende grad gensplejsede mikroorganismer og højtydende stammer. Et eksempel er fremstilling af human insulin ved fermentering med en gensplejset gær. Andre eksempler er gensplejsede mikroorganismer ved enzymproduktion.

Fermentering anvendes også ved biologisk spildevandsrensning, idet sprinklere spreder spildevandet i specielle bioreaktorer, hvor mikroorganismen er hæftet til et koks- eller stenlag, hvorpå fermenteringen sker. Biogas (methan) fremstilles ved en anaerob fermenteringsproces af fx gylle eller andet affald.

Ved en række modningsprocesser spiller fermenteringsprocesser af forskellig art ind, fx ved modning af læder, tobak, te, kaffe, kød mv. Der er tale om blandinger af mikrobielle og enzymatiske processer.

Mindre udbredte fermenteringer er fremstillingen af champignon- og morkelmycelium, insektbekæmpelsesmidler og vaccinefremstilling (bakterier og virus). Ved industriel fermentering med mammale celler (cellekulturer) fremstilles væksthormon, interferon, forskellige blodfaktorer og monoklonale antistoffer. Disse fermenteringer kan efterhånden udføres i bioreaktorer, men cellerne kræver kostbare næringsmedier ofte tilsat serum. Fermenteringer med planteceller er på forsøgsstadiet (tobak, farvestoffer); de er interessante, da man kan regenerere hele planter fra cellekulturen, hvorfor de har stor betydning ved gensplejsning af planter (se bioteknologi).

Ved fermenteringer inden for levneds- og nydelsesmiddelindustrien spiller biproduktdannelsen ved fermenteringer ofte en stor rolle, idet der dannes aroma og smag, der er karakteristiske for det pågældende produkt.

Fremstilling af øl og vin er typiske fermenterings- eller gæringsprocesser baseret på anaerobe fermenteringer med forskellige gærtyper. Ved disse produkter er biproduktdannelsen ved fermenteringen af stor betydning for produkternes smag og aroma. Fermenteringen kan deles op i forskellige faser med en hovedgæring, en eftergæring og en længere lagringsperiode. Gæringsalkohol fremstilles også ved en anaerob gæring med gær. Efter udgæringen ved ca. 10 % alkohol koncentreres produktet ved destillation (brændevin, vodka, whisky, rom etc.). Tilsvarende ved destillation af vin mv. fås cognac og lignende produkter. Der sker også en industriel produktion af vingærtyper til podebrug ved vinfremstilling.

Eddike (4 % eddikesyre) fremstilles ved en aerob fermentering med eddikesyrebakterier. Næringsmediet er 10% alkohol, ofte vin, cider eller tilsvarende alkoholholdige produkter, hvilket giver vineddike, æbleeddike osv. Eddike kan fremstilles ved en aerob submers fermentering, i specielle fermentorer (eddikestandere), hvor bakterierne er hæftet til bøgespåner, eller i træfade (Orléans-metoden).

Inden for mejeriindustrien anvendes flere fermenteringer. Ved fremstilling af en række surmælksprodukter (fx yoghurt, smør) podes mælken med forskellige typer mælkesyrebakterier, der producerer mælkesyre og medvirker til aromadannelse ved biproduktdannelse. Ved ostefremstillingen indgår forskellige typer mælkesyrebakterier, ved specialoste (schweizeroste) også propionsyrebakterier eller skimmelsvampe (roquefort, camembert og brie). Disse fermenteringer er delvis anaerobe fermenteringer og ved osteproduktion også enzymatiske processer. Der foregår en kommerciel produktion af de forskellige typer mikroorganismer, der anvendes i mejeriindustrien (starterkulturer).

Fremstilling af bagegær er en vigtig fermenteringsproces. Bagegær fremstilles som en submers aerob fermentering efter tilløbsmetoden. Næringsmediet består af en sukkeropløsning (melasse) og næringssalte, der podes med gær. Dette er et eksempel på fremstilling af en massekultur (biomasse). Et tilsvarende princip benyttes ved fremstillingen af fodergær. Hvedebrødsfremstillingen (gærbrød) er også en fermenteringsproces, hvori gæren i dejen udvikler kuldioxid, der får brødet til at hæve og bidrager med aroma (se bagning). Ved bagningen af rugbrød anvendes surdej ved fermenteringen, idet der ønskes en lavere pH-værdi. Surdejen er en blandet kultur af bagegær og mælkesyrebakterier. Bagegær forhandles ofte som et tørret produkt, tørgær.

Inden for produktion af vegetabilske produkter anvendes fermentering af agurker, kål (sauerkraut), oliven, pickles mfl. Det er komplicerede delvis anaerobe fermenteringer med forskellige mælkesyrebakterier, der bidrager med den konserverende mælkesyre. Derefter begynder en fermentering med forskellige gærtyper, til restkulhydratet er opbrugt.

Fra Østen kendes en række fermenterede planteprodukter, der giver indtryk af kødaroma, samt ostelignende produkter. Disse produkter fremstilles ofte ved overfladefermenteringer (kojifermenteringer). Fermenteringsmediet er dampede ris, hvede eller sojabønner eller blandinger heraf. Der podes med skimmelsvampe, mælkesyrebakterier, gær eller blandede kulturer heraf. Produkter er fx miso, tempeh, japansk og kinesisk soja. Fermenteringerne er langvarige, ofte op til et år. Ved fremstilling af risvin anvendes normalt en indledende skimmelfermentering.

Også kød og fiskeprodukter fermenteres. Pølsevarer gennemgår undertiden en fermentering med mælkesyrebakterier; ungarske pølser fermenteres dog med en skimmelsvamp. De sidstnævnte fermenteringer nærmer sig dog begrebet modningsprocesser.