Fermentazioni microbiche

La fermentazione alcolica è quella in cui si conosce meglio il processo, è coinvolta in numerosi e

importanti trasformazioni, stabilizzazioni e processi di conservazione per i substrati ricchi di

zucchero come la frutta e succhi di frutta e vegetali. La fermentazione alcolica è eseguita da lieviti

e qualche fungo e batterio. Il primo step del pathway della fermentazione alcolica coinvolge il

piruvato, il quale è formato dai lieviti tramite la via metabolica EMP (glicolisi), mentre è ottenuto

attraverso la via metabolica ED nel caso dei batteri Zymomonas. Nello step successivo, il piruvato

piruvato

è decarbossilato ad acetaldeide in una reazione che è catalizzata dall’enzima

decarbossilasi. Il bilancio redox della fermentazione alcolica è ottenuto con la rigenerazione del

NAD+ durante la riduzione dell’acetaldeide ad etanolo, la quale è catalizzata dall’alcol

deidrogenasi. L’ATP prodotto dalla fermentazione alcolica è pari ad 1 o 2 moli di ATP per mole di

glucosio ossidata tramite la via ED e EMP. Lo Zymomonas mobilis è la specie batterica più

importante capace di eseguire la fermentazione alcolica. L’habitat di queste specie è la linfa degli

alberi tropicali, come l’albero della palma: l’albero in cui è stato isolato per la prima volta. Z.

Mobilis è stato proposto e usato come starter per la produzione di etanolo a livello industriale, al

presente la fermentazione alcolica è eseguita tramite lieviti, perché più studiata e meglio

conosciuta. La naturale fermentazione dei frutti (in natura?)(cacao) e dei succhi di frutta (mosto

d’uva e succo di mela) è attuata da diversi microrganismi che agiscono in modo complementare.

La fermentazione del substrato è ottenuta inizialmente dai lieviti apiculati (hanseniaspora),

successivamente è seguita dai lieviti ellittici (Saccharomyces). Altri lieviti fermentanti fanno parte

dei generi Candida, Kluyveromyces, Metschnikowia, Pichia, Saccharomycodes, Torulaspora, e

anche lieviti del genere Zygosaccharomyces sono stati trovati a volte durante la fermentazione

alcolica. E’ stato stabilito che l’agente più importante per la fermentazione alcolica è il S.

cerevisiae, come starter è il lievito usato maggiormente nelle industrie fermentative (vino, birra,

sidro e pane). Il S. Cerevisiae è diventato la specie predominante usata per la fermentazione

alcolica di frutta e succhi di frutta a causa della sua forte selettività ambientale in condizioni di

basso pH e concentrazioni alte di zucchero ed etanolo in condizioni anaerobiche. La distribuzione

ecologica di S. cerevisiae e il ruolo dei diversi habitat nella evoluzione di queste specie sono

controverse. Numerose investigazioni hanno rilevato una bassa diffusione di queste specie di

lieviti nell’ambiente naturale come il suolo, la superficie di frutta e negli essudati vegetali. Allo

stesso tempo, S. cerevisiae è stato trovato sparso in vitigni e in altre piante fermentative. Il S.

Cerevisiae ormai è considerata una specie domesticata.

Eseguita da: S.cerevisiae, Zymomonas ecc (principalmente lieviti ma anche da qualche fungo e

batterio)

ATP prodotto: 1-2 moli per ogni mole di glucosio

Pathway metabolici: ED ed EMP

Enzimi che intervengono:

1)Piruvato->Acetaldeide (si ha decarbossilazione, perdita molecola di CO2, interviene la piruvato

decarbossilasi)

2)Acetaldeide->Etanolo (si ha riduzione dell’acetaldeide con conseguente ossidazione del NADH

a NAD+, interviene alcol deidrogenasi)

Fermentazione Glicero-Piruvica

La fermentazione glicero-piruvica è sempre concomitante alla fermentazione alcolica, sebbene sia

coinvolta in una concentrazione molto bassa di zucchero (5-8%). Comunque, sotto particolari

condizioni di fermentazione, qualche specie di lievito osmotollerante (Torulopsis magnoliae,

Torulopsis bombicola, and Candida stellata) e altri lieviti fermentanti (S.cerevisiae) possono

fermentare lo zucchero per produrre glicerolo e, per esempio, acetaldeide, acido acetico, acetoina

, 2,3-butandiolo e acido succinico, tutti composti che possono derivare dal piruvato. Il cambio

fermentativo dalla fermentazione alcolica alla glicero-piruvica avviene principalmente a causa

della necessità di rigenerare il NAD+ quando la riduzione dell’acetaldeide all’etanolo non è

possibile. Questo può essere causato da:

1)La non disponibilità dell’acetaldeide se è legata a solfiti

2)L’assenza o la bassa attività della piruvato decarbossilasi

3)L’alta attività della piruvato deidrogenasi (ph alcalino) che catalizza la reazione dall’acetaldeide

all’acetato

Nel passato, tra le due guerre mondiali, la fermentazione glicero-piruvica era utilizzata per la

produzione del glicerolo.

Eseguita da: S.cerevisiae, Candida stellata ecc

ATP prodotto: Come fermentazione alcolica(?)

Prodotti: Dal Diidrossiacetone (forma isomerica del gliceraldeide 3 fosfato, da cui poi

nella glicolisi dal g3p si ottiene piruvato dopo qualche step) si ha riduzione con

produzione di glicerolo 3 fosfato da cui si possono produrre glicerolo, acetaldeide, acido

acetico, acetoina, 2,3-butandiolo, acido succinico

Fermentazione Acida Propionica

La fermentazione acida proprionica è eseguita da diversi batteri del genere

Propionibacterium e dalle specie dei Clostridium propionicum. Durante la fermentazione

acida proprionica, sia lo zucchero che il lattato possono essere usati come substrato

iniziale. Quando lo zucchero è disponibile, questi batteri usano il pathway EMP (glicolisi)

methyl propionica

per produrre piruvato; il piruvato è carbossilato a ossalacetato dalla

coenzima-a (CoA) e successivamente è ridotto a propionato passando per i composti, in

ordine, malato, fumarato e succinato. Gli altri prodotti formati da questa fermentazione,

oltre al propionato, sono l’acido acetico e CO2. In particolare, la fermentazione acida

propionica di 3 moli di glucosio produce 4 moli di acido propionico, 2 moli di acido

acetico, 2 moli di CO2 e 12 moli di ATP. Quando il lattato è il substrato iniziale, la

fermentazione propionica ha come prodotti, partendo da 2 lattati, 2 moli di acido

propionico, 1 mole di acido acetico e 1 mole di CO2 e dai 3 ai 5 ATP lo. In questo

processo, 1 mole di ATP è generata con l’utilizzo di 9 molecole di carbonio (?)e, proprio

per questo, i batteri protonici crescono molto lentamente. Gli habitat naturali tipici del

Propionibacterium sono il rumine, il tratto intestinale degli animali e la pelle dei

mammiferi. I Propionibacterium inoltre colonizzano il formaggio durante la maturazione.

Mentre l’attività dei Propionibacterium dovrebbe esse evitata durante la maturazione della

maggior parte dei formaggi, è fondamentale per la produzione di certi formaggi, come

l’Emmental. In questo tipico formaggio svizzero avvengono due fermentazioni successive.

Nel processo, i batteri acidi-lattici convertono il lattosio in lattato, e successivamente i

batteri propionici convertono il lattato in acido propionico, acido acetico e CO2. La CO2 è

responsabile della formazione delle bolle nel formaggio e l’acido propionico promuove lo

sviluppo del tipico sapore dell’emmental. L’abilità di usare il lattato è particolarmente

importante per la distribuzione ecologica dei batteri che eseguono la fermentazione acido

propionica, i quali possono usare il prodotto finale della fermentazione acido-lattica.

Eseguita da:

Propionibacterium e specie dei Clostridium propionicum

Genere

ATP prodotto:

1) 12 ATP se substrato iniziale è il glucosio

2) 1 ATP se substrato iniziale è il lattato

Prodotti della fermentazione:

1) 3 moli di glucosio come substrato iniziale: 4 moli di acido propionico, 2 moli di acido

acetico, 2 moli di CO2 e 12 moli di ATP

2) 1 mole di lattato come substrato iniziale: 2 moli di acido propionico, 1 mole di acido

acetico, 1 mole di CO2 e 1 mole di ATP

Pathway metabolici: EMP (per ottenere piruvato)

Enzimi specifici di questa fermentazione: Piruvato->Ossalacetato (methyl propionica

coenzima-a (CoA), carbossilazione)

Fermentazione Amino-acida

In assenza di accettori di elettroni come l’ossigeno, il nitrato e il solfato, i Clostridium, i

Fusobacterium e pochi altri microrganismi anaerobi possono fermentare gli amminoacidi.

Questa fermentazione avviene durante i processi anaerobici e di putrefazione. Il

meccanismo più importante per la degradazione degli amminoacidi è la fermentazione di

Stickland; durante la fermentazione di Stickland di due amminoacidi, uno funge da

donatore di elettroni, mentre l’altro da accettore. Tutti gli amminoacidi sono classificati o

come accettori di elettroni o come donatori di elettroni sulla base della fermentazione di

Stickland, solo il triptofano e la tirosina possono far parte di entrambi i gruppi. Oltre al

meccanismo di decarbossilazione di diversi amminoacidi, la conseguente reazione

produce una varietà di prodotti che possono avere un odore non piacevole. In assenza di

carboidrati fermentabili e di substrati ricchi in proteine, un largo numero di Clostridium,

come il C. Botulinum, il C. tetani e il C. perfringens, possono generare ATP dalla

fermentazione degli amminoacidi. L’ATP prodotto equivale ad 1 mole ogni 3 moli di

amminoacidi usati, questa reazione è molto vantaggiosa per gli organismi che possono

crescere in ambienti anaerobi ricchi di proteine. I prodotti principiali della reazione di

Stickland sono l’NH3, la CO2, acidi grassi a catena corta e H2, e prodotti minori come

solfito di idrogeno, methyl mercaptene, fenoli e alcoli, i quali insieme con gli acidi grassi

causano il tipico odore di putrefazione. L’habitat favorito dei Clostridium è il suolo, in

materiale precedentemente colonizzato da batteri aerobi, inoltre le specie dei Clostridium

possono colonizzare l’intestino mammifero. Inoltre queste specie possono causare

malattie infettive, come il botulino causato dal C. Botulinum, il tetano causato dal C.

Tetani, cancrena causata da C. Perfringens. Il Clostridium sporogenes, un tipico batterio

del suolo, può partecipare a infezioni del peritoneo causate dalla proliferazione di

patogeni nel cibo, ostruzioni intestinali e trombosi mesenteriche.

Eseguito da: Clostridium, Fusobacterium e altri pochi M.O. anaerobi

Pathway metabolici: Stickland

Prodotti della fermentazione: Fermentati amminoacidi (se in assenza di carboidrati e

proteine) con produzione di 1 mole di ATP, NH3, CO2, acidi grassi a catena corta, H2,

solfito di idrogeno, methyl mercaptene, fenoli e alcoli ogni 3 moli di amminoacidi

Fermentazione Acido Lattica

A seconda del pathway usato per l’ossidazione del glucosio, la fermentazione acido

lattica può risultare nella produzione di lattato (fermentazione omolattica), lattato+etanolo/

acetato+CO2 (fermentazione ete