Teorie fermentace - Fermentation theory

Louis Pasteur, Archivní fotografie

V biochemii teorie fermentace odkazuje na historické studium modelů přirozených fermentačních procesů, zejména alkoholik a kyselina mléčná kvašení. Mezi významné přispěvatele do této teorie patří Justus Von Liebig a Louis Pasteur, jehož druhý vyvinul na základě svých experimentů čistě mikrobiální základ pro fermentační proces. Pasteurova práce na fermentaci později vedla k jeho vývoji teorie choroboplodných zárodků, který uklidnil koncept spontánní generace.[1] Ačkoli byl fermentační proces v průběhu historie značně využíván před vznikem Pasteurových převládajících teorií, základní biologické a chemické procesy nebyly plně pochopeny. V současné době se fermentace používá při výrobě různých alkoholických nápojů, potravin a léků.[2][3]

Přehled fermentace

Proces Kvašení

Kvašení je anaerobní metabolický proces, který přeměňuje cukr na kyseliny, plyny nebo alkoholy v prostředí s nedostatkem kyslíku. Kvasinky a mnoho dalších mikrobů k provádění fermentace běžně používá anaerobní dýchání nezbytné pro přežití. Dokonce i lidské tělo občas provádí fermentační procesy, například při běhu na dlouhé vzdálenosti; kyselina mléčná se hromadí ve svalech v průběhu dlouhodobé námahy. V lidském těle je kyselina mléčná vedlejším produktem ATP - produkující fermentaci, která produkuje energii, aby tělo mohlo pokračovat v cvičení v situacích, kdy příjem kyslíku nelze zpracovat dostatečně rychle. Ačkoli fermentace poskytuje méně ATP než aerobní dýchání, může nastat mnohem vyšší rychlostí. Kvašení používali lidé vědomě od doby kolem 5 000 př. N. L., O čemž svědčí nádoby získané v Íránu Pohoří Zagros oblast obsahující zbytky mikrobů podobných těm, které jsou přítomny ve vinařském procesu.

Dějiny

Před Pasteurovým výzkumem fermentace existovaly nějaké předběžné konkurenční pojmy. Jeden vědec, který měl podstatný stupeň vlivu na teorii fermentace, byl Justus von Liebig. Liebig věřil, že fermentace byla do značné míry procesem rozklad v důsledku vystavení kvasinek vzduchu a vodě.[4] Tuto teorii potvrdilo Liebigovo pozorování, že jiné rozkládající se látky, jako například shnilé části rostlin a zvířat, interagovaly s cukrem podobným způsobem jako kvasinky. To znamená, že rozklad bílkovinných látek (tj. Ve vodě rozpustných bílkovin) způsobil, že se cukr přeměnil na alkohol.[4][5] Liebig zastával tento názor až do své smrti v roce 1873.[4] Odlišnou teorii podpořil Charles Cagniard de la Tour a teoretik buněk Theodor Schwann, kteří tvrdili, že alkoholová fermentace závisela na biologických procesech prováděných pivovarskými kvasnicemi.[6][5]

Zájem Louise Pasteura o fermentaci začal, když si všiml některých pozoruhodných vlastností amylalkohol - vedlejší produkt fermentace kyseliny mléčné a alkoholu - během jeho biochemických studií. Pasteur si zejména všiml své schopnosti „otáčet rovina polarizovaného světla “A jeho„ nesymetrické uspořádání atomů “.[4] Toto chování bylo charakteristické pro organické sloučeniny, které Pasteur předtím zkoumal, ale také představovalo překážku pro jeho vlastní výzkum o „zákonu hemiedrické korelace“.[6][7] Pasteur se dříve pokoušel odvodit souvislosti mezi chemickými strukturami látek a vnějším tvarem a opticky aktivní amylalkohol podle navrhovaného „zákona“ nesplnil jeho očekávání.[6] Pasteur hledal důvod, proč se stalo, že došlo k této výjimce, a proč taková chemická sloučenina vůbec vznikla během fermentačního procesu.[6] V sérii přednášek později v roce 1860 se Pasteur pokusil spojit optickou aktivitu a molekulární asymetrii s organickým původem látek a tvrdil, že žádné chemické procesy nejsou schopné převádět symetrické látky (anorganické) na asymetrické (organické).[6] Pozorování amylalkoholu tedy poskytlo některé z prvních motivací pro biologické vysvětlení fermentace.

V roce 1856 byl Pasteur schopen sledovat mikroorganismy odpovědné za alkoholové kvašení pod mikroskopem, jako profesor vědy v University of Lille.[4][6] Podle legendy pocházející z biografie Pasteura z roku 1900, jeden z jeho studentů chemie - majitel továrny na alkohol z červené řepy v Lille - hledal u něj pomoc po neúspěšném roce vaření piva.[6] Pasteur provedl v továrně experimenty s pozorováním fermentačního procesu, přičemž si všiml, že se kvasinkové globule po vytvoření kyseliny mléčné prodloužily, ale při správném kvašení alkoholu byly kulaté a plné.[6]

Při jiném pozorování Pasteur pod mikroskopem zkontroloval částice pocházející z vinné révy a odhalil přítomnost živých buněk. Ponechání těchto buněk ponořených do hroznové šťávy vedlo k aktivní alkoholové fermentaci. Toto pozorování poskytlo důkazy pro ukončení rozlišení mezi „umělou“ fermentací ve víně a „pravou“ fermentací v kvasnicových produktech.[4] Předchozí nesprávné rozlišení vycházelo zčásti ze skutečnosti, že do pivní mladiny musely být přidávány kvasinky, aby se vyvolalo požadované alkoholové kvašení, zatímco fermentační katalyzátory pro víno se přirozeně vyskytovaly na vinných révách; fermentace vína byla považována za „umělou“, protože nevyžadovala další katalyzátor, ale přírodní katalyzátor byl přítomen na vinné révě samotné.[8] Tato pozorování poskytla Pasteurovi pracovní hypotézu pro budoucí experimenty.[6][7]

Jedním z chemických procesů, které Pasteur studoval, byla fermentace cukru na kyselinu mléčnou, ke které dochází při zakysání mléka. V experimentu z roku 1857 byl Pasteur schopen izolovat mikroorganismy přítomné ve fermentaci kyselinou mléčnou poté, co proběhl chemický proces.[9] Pasteur poté kultivoval mikroorganismy v a kultura s jeho laboratoří. Poté byl schopen urychlit proces fermentace kyseliny mléčné v čerstvém mléce podáním kultivovaného vzorku.[7] To byl důležitý krok k prokázání jeho hypotézy, že fermentace kyseliny mléčné byla katalyzována mikroorganismy.[7][9]

Pasteur také experimentoval s mechanismy pivovarských kvasnic v nepřítomnosti organického dusíku.[6] Přidáním čistých pivovarských kvasnic do roztoku třtinového cukru, amonné soli a kvasnicového popela mohl Pasteur pozorovat proces alkoholového kvašení se všemi obvyklými vedlejšími produkty: glycerol, kyselina jantarová a malé množství celulóza a mastné záležitosti.[6] Pokud by však byla z roztoku odstraněna některá ze složek, nedojde k žádné fermentaci. Pro Pasteura to byl důkaz, že kvasinky potřebovaly pro své metabolické procesy dusík, minerály a uhlík z média a uvolňovaly jako vedlejší produkty kyselinu uhličitou a ethylalkohol.[5][6] To také vyvrátilo Liebigovu teorii, protože v médiu nebyla přítomna žádná albuminová hmota; rozklad kvasinek nebyl hnací silou pozorované fermentace.[5][6]

Fermentační zámek, příklad zařízení se zakřiveným hrdlem, které se dnes používá při vaření

Pasteur na spontánní generaci

Před 60. a 70. lety 18. století - kdy Pasteur publikoval svou práci o této teorii - se věřilo, že mikroorganismy a dokonce i některá malá zvířata, jako jsou žáby, spontánně generovat. Spontánní generace byla historicky vysvětlena různými způsoby. Aristoteles, starogrécký filozof, se domníval, že tvorové se objevili z určitých výmyslů pozemských prvků, jako je hlína nebo bahno smíchané s vodou a slunečním světlem.[10] Později Felix Pouchet argumentoval za existenci „plastických sil“ v ​​rostlinných a zvířecích zbytcích schopných spontánně vytvářet vajíčka a z těchto vajec se rodily nové organismy.[5][6] Běžným důkazem, který teorii potvrzoval, byl navíc výskyt červů na syrovém mase poté, co bylo ponecháno vystaveno na čerstvém vzduchu.

V 60. a 70. letech 19. století ho Pasteurův zájem o spontánní generaci vedl ke kritice Pouchetových teorií a provádění vlastních experimentů.[6] Ve svém prvním experimentu vzal vařenou sladkou kvasnicovou vodu a utěsnil ji vzduchotěsně. Přívod horkého, sterilního vzduchu do směsi jej nezměnil, zatímco zavádění atmosférického prachu vedlo k tomu, že se ve směsi objevily mikroby a plísně.[5][6] Tento výsledek byl také posílen skutečností, že Pasteur používal azbest, formu zcela anorganické hmoty, k přenášení atmosférického prachu. Ve druhém experimentu použil Pasteur stejné baňky a směs cukru a droždí, ale ponechal je nečinné v baňkách s „labutí krkem“, místo aby do nich přidával cizí látky. Některé baňky byly ponechány otevřené pro běžný vzduch jako kontrolní skupina a tyto vykazovaly plísně a mikrobiální růst během jednoho nebo dvou dnů. Když baňky s labutí krkem nevykazovaly stejné mikrobiální výrůstky, Pasteur dospěl k závěru, že struktura hrdel blokovala průchod atmosférického prachu do roztoku.[5][6] Ze dvou experimentů dospěl Pasteur k závěru, že atmosférický prach ve svých vývarech nesl zárodky odpovědné za „spontánní generaci“.[6] Pasteurova práce tedy poskytla důkaz, že vznikající růst bakterií v živných bujónech je způsoben biogeneze spíše než nějaká forma spontánního generování.

Aplikace

V současné době se proces fermentace používá pro řadu každodenních aplikací, včetně léků, nápojů a potravin. V současné době se společnostem líbí Genencor Společnost International využívá produkci enzymů podílejících se na fermentaci k vytvoření tržeb přes 400 milionů USD ročně.[3] Mnoho léků, jako jsou antibiotika, se vyrábí fermentačním procesem. Příkladem je důležitá droga kortizon, které lze připravit fermentací rostlinného steroidu známého jako diosgenin.

Burton Union fermentační systém, návštěvnické centrum Coors

Enzymy použité při reakci jsou poskytovány formou Rhizopus nigricans.[11] Jak je všeobecně známo, alkohol všech druhů a značek se vyrábí také fermentací a destilace. Nesmysly je klasickým příkladem toho, jak se to provádí. Nakonec se potraviny, jako je jogurt, vyrábějí také fermentačními procesy. Jogurt je fermentovaný mléčný výrobek, který obsahuje charakteristické bakteriální kultury Lactobacillus bulgaricus a Streptococcus thermopiles.[12]

Viz také

Reference

  1. ^ Pasteur, Louis. "Fyziologická teorie fermentace". Fordham University. Citováno 13. března 2014.
  2. ^ Fiachson, refr. „Fermentace v teorii a praxi“. Viking Food Guy. Citováno 13. března 2014.
  3. ^ A b Slonczewski, Joan (2009). Microbiology: An Evolving Science 2. vydání. New York: W.W. Norton.
  4. ^ A b C d E F Conant, James Bryant; Nash, Leonard K.; Roller, Duane; Roller, Duane H.D .: Harvardské kazuistiky v experimentální vědě. Svazek II. Cambridge, Massachusetts. ISBN  978-0-674-59871-3. OCLC  979880864.
  5. ^ A b C d E F G Ben-Menahem, Ari. (2009). Historická encyklopedie přírodních a matematických věd. Berlín: Springer. ISBN  978-3-540-68832-7. OCLC  318545341.
  6. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó str q r Geison, Gerald L., 1943- (14. července 2014). Soukromá věda Louise Pasteura. Princeton, New Jersey. ISBN  978-1-4008-6408-9. OCLC  889252696.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  7. ^ A b C d Dubos, René J. (René Jules), 1901-1982. (1998). Pasteur a moderní věda. Brock, Thomas D. Washington, DC: ASM Press. ISBN  1-55581-144-2. OCLC  39538952.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  8. ^ Tyndall, John (1892). Eseje o plovoucí látce ve vzduchu ve vztahu k hnilobě a infekci. New York: D. Appleton.
  9. ^ A b „Louis Pasteur | Lemelson-MIT Program“. lemelson.mit.edu. Citováno 2020-02-16.
  10. ^ Lehoux, Daryn, 1968- (19. listopadu 2017). Tvorové zrozeni z bláta a slizu: zázrak a složitost spontánního generování. Baltimore. ISBN  978-1-4214-2382-1. OCLC  1011094577.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  11. ^ „Použití kvašení“.
  12. ^ „Mléčná fakta“. Výroba jogurtu. Citováno 30. března 2014.