Pengertian Fermentasi — proses, jenis, contoh

Fermentasi adalah jenis respirasi anaerob yaitu proses pelepasan energi yang terjadi dalam ketiadaan oksigen bebas. Ada berbagai jenis makanan fermentasi, tetapi mereka semua berbagi beberapa karakteristik yang sama. Fermentasi adalah proses yang mengacu pada mikroorganisme untuk memecah bahan organik untuk mendapatkan energi yang dibutuhkan untuk tetap hidup, dan membuat senyawa organik seperti alkohol dan asam organik, serta senyawa anorganik seperti karbon dioksida dan hidrogen.

Tergantung pada zat yang terbentuk, proses ini disebut fermentasi alkohol, fermentasi asam laktat, fermentasi asam amino, dll. Fermentasi adalah jenis respirasi anaerob yaitu proses pelepasan energi yang terjadi dalam ketiadaan oksigen bebas (tanpa gabungan secara kimiawi). Hasil fermentasi dalam pemecahan karbohidrat dan zat organik kompleks menjadi zat lain yang lebih sederhana.

Organisme tertentu melakukan fermentasi untuk mendapatkan energi yang mereka butuhkan untuk melakukan proses kehidupan mereka. (Sebagian besar organisme memperoleh energi untuk proses ini melalui respirasi aerobik, dengan adanya oksigen bebas.) Berbagai mikroorganisme, termasuk ragi dan jamur dan bakteri tertentu, memperoleh energi melalui fermentasi. Banyak proses fermentasi menghasilkan produk yang penting dalam kedokteran, persiapan makanan, dan bidang lainnya.

Fermentasi digunakan dalam berbagai cara dalam kehidupan kita sehari-hari kehidupan. Sebagai contoh, fermentasi telah digunakan sejak zaman kuno dalam produksi pewarna indigo, yang membuat warna biru yang indah, dan kalium nitrat, yang merupakan komponen utama dari mesiu hitam.

Pengetahuan tentang fermentasi telah diwariskan untuk industri fermentasi masa kini, di mana ia digunakan dalam proses seperti produksi produk farmasi dan pemurnian air limbah dan limbah material, dan penelitian sedang dilakukan pada aplikasi lebih lanjut. Namun, jenis fermentasi yang kita paling akrab adalah yang digunakan pada produksi makanan. Fermentasi alkohol digunakan untuk membuat minuman seperti sake dan anggur, dan fermentasi asam laktat digunakan untuk membuat yogurt dan keju. Ada berbagai macam makanan fermentasi di seluruh dunia.

Produk tertentu yang dihasilkan dari fermentasi ditentukan menurut jenis mikroorganisme yang menjalankan proses dan substansi di mana fermentasi terjadi.

Sebagai contoh, anggur adalah produk dari fermentasi ragi dalam jus buah, sementara bir merupakan produk fermentasi ragi dalam biji-bijian. Antibiotik (obat yang digunakan untuk melawan penyakit menular) yang diperoleh dari keduanya bakteri dan fermentasi jamur. Fermentasi oleh berbagai mikroorganisme digunakan untuk memproduksi zat yang disebut enzim, yang digunakan dalam berbagai proses medis dan industri untuk mempercepat reaksi kimia. Cuka dan keju adalah produk fermentasi bakteri. Fermentasi ragi digunakan untuk membuat roti beragi.

Sejarah fermentasi

Pengetahuan manusia tentang fenomena fermentasi sama tuanya, mungkin dengan pertanian, karena selama ribuan tahun manusia telah mempromosikan konversi jus anggur manis menjadi anggur efervesen atau konversi massa gandum menjadi roti .

Namun, untuk masyarakat pertama, transformasi unsur-unsur “dasar” ini menjadi makanan yang difermentasi dianggap sebagai semacam “misteri” atau peristiwa “ajaib”, karena tidak diketahui apa yang menyebabkannya.

Kemajuan pemikiran ilmiah dan penemuan mikroskop pertama tidak diragukan lagi menjadi preseden penting dalam bidang mikrobiologi dan, dengan itu, memungkinkan solusi dari “misteri” fermentasi.

Garis tipis antara fermentasi dan dekomposisi

Mikroorganisme memainkan peran utama pada pembusukan (penguraian) makanan. Faktanya adalah bahwa fermentasi dan dekomposisi melibatkan proses yang sama seperti mikroorganisme memecah bahan organik untuk membuat zat baru. Perbedaannya terletak pada sifat zat baru nya. Jika zat-zat yang berbahaya bagi manusia, seperti hidrogen sulfida atau amonia, diciptakan, proses ini disebut “dekomposisi”, dan jika zat-zat bermanfaat diciptakan, hal itu disebut “fermentasi”. Dengan demikian, perbedaan tersebut dibuat sesuai dengan perspektif yang diambil.

Ciri-ciri makanan fermentasi

Ada berbagai jenis makanan fermentasi, tetapi mereka semua berbagi beberapa karakteristik yang sama.

Mereka dapat disimpan untuk jangka waktu tertentu. Secara umum, makanan hasil fermentasi dapat disimpan lebih lama dari bahan yang digunakan untuk membuat fermentasi mereka. Sebagai contoh, susu segar dengan mudah memburuk, namun produk susu fermentasi seperti yoghurt dan keju dapat disimpan lebih lama. Diperkirakan bahwa karena bakteri asam laktat meningkat jumlahnya, mereka mencegah invasi bakteri lain yang menyebabkan dekomposisi.

Mereka memiliki rasa dan bau yang khas. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika mikroorganisme memecah bahan organik, mereka menciptakan asam amino yang merupakan dasar dari komponen penciuman dan rasa. Karena mikroorganisme menghasilkan zat yang berbeda, banyak makanan fermentasi memiliki rasa yang sangat khas dan bau.

Mereka meningkatkan kesehatan yang baik. Dekomposisi menyebabkan pembentukan zat dengan molekul yang lebih kecil. Hal ini meningkatkan pencernaan dan penyerapan nutrisi, dan memicu produksi menguntungkan asam amino esensial, vitamin dan enzim.

Percobaan Lavoisier dan Gay-Lussac

Lavoisier, seorang ilmuwan Prancis, pada akhir 1700-an menunjukkan bahwa dalam proses mengubah gula menjadi alkohol dan karbon dioksida (seperti apa yang terjadi selama produksi anggur), berat substrat yang dikonsumsi sama dengan berat produk. disintesis.

Kemudian, pada tahun 1810, Gay-Lussac merangkum klaim-klaim ini dalam reaksi kimia berikut:

C6H12O6 (glukosa) → 2CO2 (karbon dioksida) + 2C2H6O (etanol)

Namun, selama bertahun-tahun dikatakan bahwa perubahan kimia yang diamati selama fermentasi adalah produk dari getaran molekuler yang dipancarkan oleh penguraian materi, yaitu oleh sel-sel mati.

Dengan kata yang lebih sederhana: semua peneliti yakin bahwa fermentasi adalah efek samping dari kematian suatu organisme dan bukan proses yang diperlukan bagi makhluk hidup.

Ragi beraksi

Kemudian, Louis Pasteur, pada tahun 1857, menandai kelahiran kimia mikrobiologis ketika ia mengasosiasikan fermentasi dengan mikroorganisme seperti ragi, dari mana istilah itu terkait dengan gagasan keberadaan sel hidup, dengan produksi gas. dan beberapa senyawa organik.

Kemudian, pada tahun 1920, ditemukan bahwa tanpa adanya oksigen, beberapa ekstrak otot mamalia mengkatalisis pembentukan laktat dari glukosa, dan bahwa banyak senyawa yang dihasilkan selama fermentasi biji-bijian juga diproduksi oleh sel-sel otot.

Berkat penemuan ini, fermentasi digeneralisasikan sebagai cara menggunakan glukosa dan bukan sebagai proses eksklusif untuk ragi dan bakteri.

Banyak penelitian selanjutnya secara signifikan menyempurnakan pengetahuan yang terkait dengan fenomena fermentasi, karena jalur metabolisme dan enzim yang terlibat telah dijelaskan, yang memungkinkan eksploitasi mereka untuk keperluan industri yang berbeda.

Proses fermentasi umum

Seperti yang telah kami katakan, fermentasi adalah proses kimia yang melibatkan transformasi anaerob (bebas oksigen) dari substrat organik menjadi senyawa organik yang lebih sederhana, yang tidak dapat dimetabolisme “hilir” oleh sistem enzim tanpa campur tangan oksigen.

Fermentasi dilakukan oleh berbagai enzim dan biasanya diamati dalam mikroorganisme seperti jamur, ragi atau bakteri, yang menghasilkan serangkaian produk sekunder yang telah digunakan manusia untuk keperluan komersial selama berabad-abad.

Dalam reaksi kimia yang terjadi selama fermentasi, enzim (protein yang mampu mempercepat reaksi kimia yang berbeda) menghidrolisis substrat mereka dan memecahnya atau “mencernanya”, menghasilkan molekul yang lebih sederhana dan lebih banyak nutrisi yang dapat berasimilasi, secara metabolik.

Perlu disebutkan bahwa fermentasi bukanlah proses mikroorganisme eksklusif, karena dapat terjadi pada beberapa sel hewan (seperti sel otot, misalnya) dan dalam beberapa sel tumbuhan dalam kondisi tertentu.

Substrat apa yang dapat difermentasi?

Pada awal penelitian ilmiah terkait dengan fermentasi, diperkirakan bahwa molekul-molekul penting untuk proses ini adalah karbohidrat.

Namun, segera setelah disadari bahwa banyak asam organik (termasuk asam amino), protein, lemak, dan senyawa lain adalah substrat yang dapat difermentasi untuk berbagai jenis mikroorganisme, karena dapat berfungsi sebagai sumber makanan dan energi untuk ini.

Penting untuk menjelaskan bahwa metabolisme anaerob tidak menghasilkan jumlah energi yang sama dengan metabolisme aerob, karena substrat, secara umum, tidak dapat sepenuhnya teroksidasi, sehingga tidak semua energi yang mungkin diekstraksi darinya.

Akibatnya, mikroorganisme anaerob cenderung mengonsumsi substrat dalam jumlah yang jauh lebih besar untuk mengekstraksi energi yang sama dengan yang akan diekstraksi oleh mikroorganisme serupa dalam kondisi aerob (dengan adanya oksigen).

Ketika respirasi tidak dapat terjadi, baik karena tidak adanya akseptor elektron eksternal atau karena cacat dalam rantai pernapasan seluler, fermentasi adalah rute katabolik yang digunakan untuk menghasilkan energi dari glukosa atau sumber karbon lainnya.

Dalam kasus glukosa, misalnya, oksidasi parsialnya dilakukan melalui jalur glikolitik, di mana piruvat, ATP dan NADH diproduksi (produk-produk ini bervariasi sesuai dengan substrat energi).

Dalam kondisi aerobik, piruvat selanjutnya teroksidasi ketika memasuki siklus Krebs dan produk-produk dari siklus ini memasuki rantai transpor elektron. NAD + juga diregenerasi selama proses-proses ini, yang memungkinkan kelangsungan jalur glikolitik dipertahankan.

Ketika tidak ada oksigen, yaitu, dalam anaerobiosis, piruvat yang berasal dari reaksi oksidatif (atau senyawa organik yang dihasilkan lainnya) mengalami reduksi. Pengurangan ini memungkinkan regenerasi NAD +, peristiwa mendasar untuk proses fermentasi.

Pengurangan piruvat (atau produk oksidatif lainnya) menandai awal sintesis produk limbah, yang dapat berupa alkohol, gas atau asam organik, yang diekskresikan ke dalam media ekstraseluler.

Berapa banyak energi yang dihasilkan?

Sementara oksidasi lengkap satu mol glukosa menjadi karbon dioksida (CO2) dan air dalam kondisi aerobik menghasilkan 38 mol ATP, fermentasi menghasilkan antara 1 dan 3 mol ATP untuk setiap mol glukosa yang dikonsumsi.

Jenis fermentasi

Ada berbagai jenis fermentasi, sering didefinisikan tidak hanya oleh produk akhir dari proses, tetapi juga oleh substrat energi yang digunakan sebagai “bahan bakar”. Banyak dari ini akan didefinisikan terutama dalam konteks industri.

Sebagai catatan kepada pembaca, mungkin berguna untuk meninjau beberapa aspek metabolisme energi terlebih dahulu, terutama dalam kaitannya dengan katabolisme karbohidrat (glikolisis), siklus Krebs dan rantai transpor elektron (respirasi), untuk memahami topik ini dengan kedalaman yang lebih besar.

5 jenis fermentasi dapat disebutkan:

  • Fermentasi alkohol
  • Fermentasi asam laktat atau laktat
  • Fermentasi propionik
  • Fermentasi Asam butirat
  • Fermentasi asam campuran

Fermentasi alkohol

Ketika merujuk pada jenis fermentasi ini, biasanya dipahami bahwa itu berkaitan dengan produksi etanol (CH3CH2OH atau C2H6O), yang merupakan jenis alkohol (dari mana minuman beralkohol seperti anggur dan bir, misalnya) memiliki .

Secara industri, mikroorganisme utama yang dieksploitasi oleh manusia untuk mendapatkan minuman beralkohol adalah jamur mirip ragi yang termasuk dalam spesies Saccharomyces cerevisiae.

Faktanya, ragi adalah organisme aerob yang dapat tumbuh sebagai anaerob fakultatif, yaitu, jika kondisinya memungkinkan, mereka mengubah metabolisme mereka dan beradaptasi dengan ketiadaan oksigen untuk hidup.

Seperti yang kita bahas pada bagian sebelumnya, kinerja energi dalam kondisi anaerob jauh lebih rendah daripada dalam kondisi aerob, sehingga pertumbuhan lebih lambat.

Fermentasi alkoholik melibatkan konversi piruvat menjadi etanol, yang terjadi dalam proses dua langkah: pertama transformasi piruvat menjadi asetaldehida dan kemudian dari asetaldehida menjadi etanol.

Reaksi pertama, reaksi konversi piruvat menjadi asetaldehida, adalah dekarboksilasi di mana satu molekul CO2 dilepaskan untuk setiap molekul piruvat dan dikatalisis oleh enzim piruvat dekarboksilase, yang membutuhkan kofaktor yang dikenal sebagai tiamin pirofosfat atau TPP.

Asetaldehida yang dihasilkan direduksi menjadi etanol melalui enzim alkohol dehidrogenase, yang digunakan sebagai kofaktor satu molekul NADH2 untuk setiap molekul asetaldehida, melepaskan etanol dan NAD +.

NAD + dapat digunakan kembali untuk reduksi gliseraldehida 3-fosfat di salah satu langkah jalur glikolitik, yang memungkinkan sintesis ATP berlanjut.

Pada tingkat industri, strain S. cerevisiae yang berbeda dieksploitasi untuk tujuan yang berbeda, karena beberapa telah “dikhususkan” untuk produksi anggur, bir, roti, dll., Sehingga mereka dapat menghadirkan beberapa perbedaan metabolisme yang berbeda.

Fermentasi asam laktat atau laktat

Jenis fermentasi dapat dibagi menjadi dua: homofermentatif dan heterofermentatif. Yang pertama berkaitan dengan produksi asam laktat sebagai satu-satunya produk fermentasi dari pengurangan piruvat glikolitik dan yang kedua melibatkan produksi asam laktat dan etanol.

Fermentasi homolaktat

Piruvat yang dihasilkan oleh rute glikolitik dikonversi langsung menjadi asam laktat berkat kerja enzimatik dari dehidrogenase asam laktat. Dalam reaksi ini, seperti pada reaksi kedua fermentasi alkohol, molekul NAD + diregenerasi untuk mengoksidasi gliseraldehida 3-fosfat dalam glikolisis.

Untuk setiap molekul glukosa yang dikonsumsi, maka, dua molekul piruvat diproduksi, sehingga hasil fermentasi laktat sesuai dengan dua molekul asam laktat per molekul glukosa (dan dua molekul NAD +).

Jenis fermentasi ini sangat umum pada beberapa jenis bakteri yang disebut bakteri asam laktat dan merupakan jenis fermentasi paling sederhana yang ada.

Asam laktat juga dapat diproduksi oleh beberapa sel otot, karena piruvat, oleh aksi laktat dehidrogenase (yang menggunakan NADH2), diubah menjadi asam laktat.

Fermentasi heterolaktat

Dalam jenis fermentasi ini, dua molekul piruvat yang berasal dari glikolisis tidak digunakan untuk mensintesis asam laktat. Sebaliknya, untuk setiap molekul glukosa, satu piruvat dikonversi menjadi asam laktat dan lainnya diubah menjadi etanol atau asam asetat dan CO2.

Bakteri yang memetabolisme glukosa dengan cara ini dikenal sebagai bakteri asam laktat heterofermentatif.

Mereka tidak menghasilkan piruvat di seluruh jalur glikolitik, tetapi sebaliknya menggunakan bagian dari jalur pentosa fosfat untuk menghasilkan gliseraldehida 3-fosfat, yang kemudian dimetabolisme menjadi piruvat oleh enzim glikolitik.

Secara singkat, bakteri ini “memotong” xilulosa 5-fosfat (disintesis dari glukosa) menjadi gliseraldehida 3-fosfat dan asetil fosfat menggunakan enzim yang terikat TPP, ketolase pentosa fosfat (GAP) dan asetil fosfat.

GAP memasuki jalur glikolitik dan diubah menjadi piruvat, yang kemudian diubah menjadi asam laktat berkat enzim dehidrogenase laktat, sedangkan asetil fosfat dapat direduksi menjadi asam asetat atau etanol.

Bakteri asam laktat sangat penting bagi manusia, karena mereka digunakan untuk menghasilkan turunan susu fermentasi yang berbeda, di antaranya yoghurt menonjol.

Mereka juga bertanggung jawab atas makanan fermentasi lainnya seperti kol yang difermentasi atau “asinan kubis”, acar dan zaitun yang difermentasi.

Fermentasi propionat

Ini dilakukan oleh propionibacteria, yang mampu menghasilkan asam propionat (CH3-CH2-COOH) dan yang mendiami rumen hewan herbivora.

Ini adalah jenis fermentasi dimana bakteri menggunakan glukosa melalui glikolitik untuk menghasilkan piruvat. Piruvat ini dikarboksilasi menjadi oksalat, yang kemudian direduksi menjadi dua tahap menjadi suksinat, menggunakan reaksi kebalikan dari siklus Krebs.

Suksinat kemudian dikonversi menjadi suksinil-KoA dan ini, pada gilirannya, menjadi metil malonil-KoA melalui enzim metil malonil mutase, yang mengkatalisis pengaturan ulang intramolekul dari suksinil-KoA. Metil malonil-KoA kemudian didekarboksilasi untuk menghasilkan propionil-KoA.

Propionil-CoA ini menghasilkan asam propionat melalui reaksi transfer dari CoA menjadi suksinat, dikatalisis oleh CoA-transferase. Bakteri asam laktat dan propionibakteri digunakan untuk menghasilkan keju Swiss, karena asam propionat memberikan rasa khusus.

Fermentasi butirat

Ini dilakukan oleh bakteri pembentuk spora yang merupakan anaerob obligat dan yang umumnya milik genus Clostridium. Tergantung pada spesiesnya, bakteri ini juga dapat menghasilkan butanol, asam asetat, etanol, isopropanol, dan aseton (karbon dioksida selalu merupakan produk).

Bakteri ini menurunkan glukosa melalui jalur glikolitik dan menghasilkan piruvat, yang didekarboksilasi untuk membentuk asetil-KoA.

Pada beberapa bakteri, dua molekul asetil-KoA terkondensasi oleh enzim tiolase, menghasilkan asetoasetil-KoA dan melepaskan CoA. Acetoacetyl-CoA didehidrogenasi oleh enzim β-hydroxybutyryl-CoA dehydrogenase untuk membentuk P-hydroxybutyryl-CoA.

Produk terakhir ini memunculkan Crotonil-CoA melalui aksi enzim crotonasa. Crotonyl-CoA direduksi lagi oleh dehidrogenase butyryl-CoA yang terkait dengan FADH2, yang memproduksi butyryl-CoA.

Akhirnya, butyryl-CoA diubah menjadi asam butirat dengan menghilangkan bagian CoA dan penambahan satu molekul air. Dalam kondisi alkali (pH tinggi), beberapa bakteri dapat mengubah asam butirat menjadi n-butanol

Fermentasi asam campuran

Ini umum pada bakteri yang dikenal sebagai Enterobacteriaceae, yang dapat tumbuh dengan atau tanpa oksigen. Ini disebut “asam campuran” karena berbagai jenis asam organik dan senyawa netral diproduksi sebagai hasil fermentasi.

Tergantung pada spesies, asam format, asam asetat, asam suksinat, asam laktat, etanol, CO2, butanadiol, dll dapat diproduksi.

Ini juga sering disebut sebagai fermentasi asam format, karena dalam kondisi anaerob, beberapa bakteri dapat membentuk asam format dan asetil-KoA dari piruvat oleh aksi enzim asam format-piruvat lyase.

Contoh fermentasi

Ada banyak contoh proses fermentasi dan produknya. Beberapa contoh ini dapat meliputi:

  • Salami (daging fermentasi), diproduksi oleh fermentasi asam laktat dari bakteri asam laktat
  • Yogurt (susu fermentasi), juga diproduksi oleh bakteri asam laktat
  • Keju (susu fermentasi), diproduksi oleh bakteri asam laktat dan propionibakteri melalui fermentasi laktat dan propionik
  • Roti (fermentasi gluten dari adonan gandum), diproduksi oleh ragi melalui fermentasi alkohol
  • Anggur dan bir (fermentasi gula dalam jus anggur dan gula biji-bijian), diproduksi oleh ragi melalui fermentasi alkohol
  • Kopi dan coklat (fermentasi gula hadir dalam lendir buah), diproduksi oleh bakteri asam laktat dan ragi oleh fermentasi laktat dan alkohol.

Leave a Comment