Kategorier
fermentering medicinhistoria mikrobiologi

Fermentering, hur går det till?

Fermentering

Varför fermentera?

Genom att fermentera eller jäsa en råvara som frukt eller grönsaker under kontrollerade former kan man undvika förruttnelse. Fermentering har väldigt länge använts som metod för att förlänga hållbarheten på råvaror. Metoden gör det möjligt att kunna spara mat och t ex klara en kall vinter utan att behöva svälta. Vid fermentering bevaras också många vitaminer som annars kan vara svåra att få i sig under vinterhalvåret utan tillgång till färsk frukt eller färska grönsaker.

När man fermenterar mat ser man till att det är de icke-skadliga mikroberna som tar överhanden. På det sättet undviker man att skadliga bakterier och svampar får fäste så att råvaran ruttnar och blir oätlig och/eller farlig.

Möjligheterna med vad man kan fermentera och på vilket sätt är många. På engelskspråkiga Wikipedia finns en mycket lång lista över fermenterade produkter från hela världen.

Vad är fermentering?

Fermentering (även kallat zymologi – jäsningslära) är det samma som jäsning och är en process där en organism bryter ner glukos utan hjälp av syre (= anaerobt). Ordet kommer från latinets fervere som betyder koka. Anledningen tros vara att det såg ut som om vindruvor kokte när de jäste och det bubblade upp ur behållaren.

Eduard Buchner 1860 – 1917. Källa: Wikipedia.

Det var Eduard Buchner som 1897 visade att fermentering är en reaktion beroende av enzymer producerade av mikrober. Buchner laborerade med jästsvampar och kunde åstadkomma jäsning även utan levande jästceller i en lösning. Han filtrerade ut enzymerna som var ansvariga för fermenteringen och tillsatte dem till en ny lösning utan levande jästceller och lyckades få även denna lösning att jäsa. Buchner fick för denna upptäckt nobelpriset i kemi 1907.

Buchners originalartikel om alkoholjäsning (källa).

Processens slutprodukt avgör vilken typ av fermentering som sker: laktofermentering när slutprodukten är laktat (en form av mjölksyra) och alkoholfermentering när slutprodukten är alkohol (etanol). Det är oftast bakterier som bildar laktat och svampar som bildar alkohol.

Organismen får ut mer energi av glukos i närvaro av syre, där syre fungerar som elektronacceptor (mottagare, hög redoxpotential). Vissa växter, djur, bakterier och svampar kan dock bryta ner glukos (använda socker som energikälla) även utan syre. Utbytet av energi blir mindre, men det öppnar upp för möjligheter som organismer som måste ha tillgång till syre (obligat aeroba) inte har tillgång till.

De som däremot är obligata anaerober kan inte använda syre som elektronacceptor (låg redoxpotential). För dem är syre giftigt så de har inget alternativ. Ännu vanligare är organismer som klarar båda delar, beroende på omständighet, så kallade fakultativa organismer. Vi, som människor, t ex är mestadels aeroba men om det kniper kan våra muskelceller leva på glukos via anaerob fermentering. Då bildas laktat och det kan svida i muskeln, ett exempel på laktofermentering. Vi brukar säga att vi ”får mjölksyra”.

Fermenteringens biokemi

Glykolys

Själva glykolysen är egentligen inte fermentering utan kan ske både aerobt och anaerobt. Processen skiljer sig först åt efter glykolysen beroende på syretillgång. Glykolysens mål är att få ut energi ur glukos. Glukos har 6 st kolatomer och molekylen delas i 2 st molekyler med 3 kol vardera. Glykolysen har 10 steg för att komma från glukos (6 st kol) till pyruvat (2 x 3 kol).

I glykolysen måste man först skjuta till 2 ATP, glukos delas i 2 delar, en oxidering sker som ger 2 NADH och 2 ATP-molekyler, och sist får man ut 2 pyruvat och 2 ATP. Summan är alltså – 2 ATP + 2 ATP + 2 ATP = + 2 ATP.

Såhär långt är det ingen skillnad på nedbrytning av glukos med eller utan syre. Här gör vi likadant, nästan allt levande. Finns det syre kommer glykolysen fortsätta med elektrontransportkedjan (aerob respiration) och man kan få ut hela 38 ATP. Finns ingen tillgång till syre måste fermentering av pyruvatet ske och då får vi inte ut mer ATP än vi redan fått från glukos till pyruvat, dvs 2 ATP per glukosmolekyl.

Fermentering

Vid fermentering reduceras pyruvat till laktat eller etanol och koldioxid. På det här sättet får vi tillbaka NAD+-molekylen som oxiderats till NADH under glykolysen. Ordningen är då återställd och man kan köra igen trots att det inte finns något syre som kan reducera NADH.

Det finns ont om NAD+ och det är viktigt att balansen hålls någorlunda konstant för att cellen inte ska hamna i oxidativ stress. Finns det syre närvarande kan syret ta hand om de här elektronerna. Finns det inget syre måste man lösa det på något annat sätt. T ex genom att pyruvat tar emot dem och bildar laktat eller alkohol och koldioxid.

Anaeroba organismer som lever på det här sättet, genom att bara få ut 2 ATP per glukosmolekyl måste omsätta betydligt mer socker.

Laktofermentering

I de fall där pyruvat blir laktat kallas det laktofermentering eller mjölksyrning. Summaformeln från glukos till laktat blir:

glukos + 2ADP + 2P_{i} \rightarrow 2 laktat + 2ATP

Detta händer som sagt även hos oss om man tränar riktigt hårt så att muskeln inte kan försörjas med syre lika snabbt som den gör av med det. Då slår cellerna om till anaerob metabolism. Slutprodukten laktat kommer att transporteras via blodet till levern för att där kunna genomgå glukoneogenes och bli glukos igen.

Burk med hemmagjord kimchi (Mikroblobben).

Via laktofermentering får vi t ex mjölkprodukter som ost och yoghurt. Här är det mjölksockret laktos som är ”sockerkällan”. Även surkål (sauerkraut) och kimchi är exempel på laktofermentering.

Alkoholfermentering

Vissa växter, jästsvampar och mikroorganismer har en annan lösning för att ta hand om pyruvatet som bildats via glykolysen. Här förlorar pyruvatet en kolatom så att etanol och koldioxid bildas:

2pyruvat + 2NADH + 4H^{+} \rightarrow 2 etanol + 2 CO_{2} + 2NAD^{+}

Från glukos blir summaformeln:

glukos + 2ADP + 2P_{i} + 2H^{+} \rightarrow 2 etanol + 2CO_{2} + 2ATP

Via alkoholfermentering med jästsvampar får vi t ex jäst bröd, öl och vin. När bröd jäser bryts glukos ner till både etanol och koldioxid. Koldioxiden blir instängd i degen så att den blir stor och luftig, dvs jäser. Etanolen försvinner under gräddningen. När det gäller öl så vill vi ha kvar både alkoholen och koldioxiden för det är koldioxiden som ger bubblorna och alkoholen som gör festen. 😉

Kombucha med SCOBY
Kombucha med SCOBY vid ytan (Mikroblobben).

Vid framställning av kombucha kombineras dessa processer genom närvaro av både bakterier och jästsvampar. Då sker alltså både lakto- och alkoholfermentering. Den största delen av alkoholen som jästsvamparna bildat bryts ner av bakterier för att bilda ättiksyra. Man får lite av allt: alkohol, bubblor (koldioxid) och syrlighet.

Fermenteringens förutsättningar

Att vildjäsa betyder att man inte tillsätter någon kultur med känd sammansättning av mikrober. Istället låter man det växa som redan finns på produkten man vill fermentera. Man kan även använda material (oftast vätskan) från en tidigare fermenteringsomgång för att komma igång med en ny. Detta kallas backslopping. Ibland är det mer eller mindre nödvändigt och ibland kan det vara ett sätt att snabbt få igång en ny fermenteringsomgång. Det kan t ex handla om att man vill vara säker på att det är de önskade bakterierna som tar överhanden direkt eller så har man lite extra bråttom. Man kan även tillsätta vätska från en tidigare fermentering för att sänka pH.

Ruttnande persika under 6 dagar. Källa: Wikipedia.

För att fermentering ska ske behövs särskilda förutsättningar. Vi vill att oskadliga bakterier och svampar ska trivas samtidigt som vi vill hålla förruttnelsen och tillväxten av skadliga mikrober stången.

Läs gärna Erik Johan Stagnelius dikt Till förruttnelsen.

Till att börja med krävs en syrefattig miljö annars kommer nedbrytningen av glukos att ta en effektivare väg. Det krävs också lämplig temperatur. Detta är liksom luftens sammansättning något vi vid fermentering kan använda för att främja respektive hindra tillväxt av specifika mikrober. Generellt sett kan man säga att många svampar trivs i och klarar lägre temperaturer än de bakterier vi är intresserade utav. Även om det finns mikrober som både klarar och trivs i extrema temperaturer är spannet för de flesta bakterier och svampar vid den här typen av fermentering ändå ganska snävt, någonstans mellan 10 – 40 °C. De kallas mesofiler (grek. mesos: mellan) till skillnad från extremofiler.

En annan viktig faktor är syrligheten, pH:t. Genom att sänka pH och skapa en sur miljö är det många skadliga bakterier och svampar som inte trivs. Det var faktiskt den danske biokemisten Søren Sørensen som uppfann pH-skalan under sitt arbete med att optimera öltillverkningen på Carlsberg 1909. Du kan läsa hans originalartikel här (på tyska).

De flesta mikrober består av 70 – 80 % vatten och vatten-saltbalansen är viktig för att cellerna inte ska gå sönder av osmotiska krafter. Är utsidan för salt kommer vatten att strömma ut ur cellen och den dehydreras. Detta kan man utnyttja för att undvika bakterietillväxt i mat man vill ta vara på. Vissa svampar är dock relativt resistenta mot salt.

Om du vill läsa mer om mikrobiologisk medicinhistoria kan du läsa om gramfärgningens uppfinnare Hans Christian Gram här.

Mikroberna

Lactobacillaceae/mjölksyrabakterier

Lactobacillaceae eller mjölksyrabakterier är som namnen antyder viktiga vid laktofermentering. De är naturligt förekommande utanpå frukt och grönsaker men också på oss människor. Mjölksyrabakterier klarar och trivs i sur miljö, vilket är något vi utnyttjar vid fermentering. Till Lactobacillaceae hör släktena Lactobacillus (de mest kända av de tre – laktobacillerna), Pediococcus och Paralactobacillus. 

Ättiksyrabakterier

Det finns 10 olika släkten (genera) av bakterier bland de så kallade ättiksyrabakterierna. Även dessa hittar man på ytan av många ätliga råvaror. Ett vanligt släkte är Acetobacter. Ättiksyrebakterierna kännetecknas av att de kan omvandla alkohol till ättiksyra och används därför t ex vid tillverkning av vinäger. Först har jästsvampar hjälpt till i tillverkningen av vin varefter ättiksyrebakterierna omvandlar alkoholen till ättiksyra och vi har vinäger. Vid tillverkning av kombucha kombineras dessa processer i samma kultur, den så kallade SCOBY:n. Ättiksyrabakterier är till skillnad från både mjölksyrabakterier och jästsvampar utpräglat aeroba men klarar mycket sur miljö.

Jästsvampar

Här ingår t ex vår vanliga brödjästSaccaromyces cerevisiae. Med hjälp av S. cerevisiae kan vi även producera öl och vin. För att alkohol ska bildas behövs anaerob miljö men jästsvamparna klarar sig även bra aerobt, ett exempel på en fakultativ organism. Man tror att S. cerevisiae först isolerades från vindruvors skal.

Mögelsvampar

Ett exempel på mögelsvamp som används i mattillverkning är släktet Aspergillus. Möglet kallas även koji och används för att göra bland annat sake, sojasås och miso.

Mögelsvampen Aspergillus i mikroskop
Mikroskopibild av Aspergillus oryzae. Källa: Wikipedia.

Referenser

Bamforth CW, Cook DJ. Food, Fermentation, and Micro-Organisms. Somerset: John Wiley & Sons, Incorporated; 2019.

Buchner E. Alkoholische Gährung ohne Hefezellen. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1897;30(1):117–24.

Hardin J, Bertoni G. Becker’s world of the cell. Ninth edition, global edition. Harlow: Pearson; 2018.

Heckmann CM, Paradisi F. Looking Back: A Short History of the Discovery of Enzymes and How They Became Powerful Chemical Tools. ChemCatChem. 16 december 2020;12(24):6082–102.

Hutkins RW. Microbiology and Technology of Fermented Foods. Somerset: John Wiley & Sons, Incorporated; 2018.

Redzepi R. Noma Guide to Fermentation (Foundations of Flavor), The . 2018.

Identifiering av bakterier i rutindiagnostik: http://referensmetodik.folkhalsomyndigheten.se/w/Identifiering_av_bakterier_i_rutindiagnostik, [läst 2021-10-30].

1
2

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.