Fermantasyon, bir organizmanın, nişasta veya şeker gibi bir karbonhidratı alkol veya aside dönüştürdüğü metabolik bir işlemdir. Örneğin maya, şekeri alkole dönüştürerek enerji elde etmek için bu işlemi gerçekleştirir.
Bakteriler, karbonhidratları laktik aside dönüştürerek Fermantasyon gerçekleştirir. Fermantasyon ile ilgili uygulamalı bilim dalına zimoloji denir. Fermantasyon, oksijen kullanmadan karbonhidratlardan enerji elde eden biyokimyasal bir reaksiyondur. Organizmalar yaşamak için bu süreci kullanır, ayrıca birçok ticari uygulaması vardır. Tarihi 14.yüzyıla kadar dayanan bu süreç, insanlar tarafından farkında olmadan, birçok gıda üretiminde kullanıldı. Sonraki süreçlerde bilimsel araştırma konusu haline gelen Fermantasyon, günümüzde birçok gıdanın yapımında, bilinçli olarak yapılan bir işlemdir.
Fermantasyon, maya hücrelerinde, bakterilerde ve ayrıca hayvanların kaslarında meydana gelir. Glikozun parçalandığı anaerobik bir yoldur. Vücudumuzda yani hücrede dakika düzeyinde gerçekleşen solunuma hücresel solunum denir. Oksijen varlığında veya yokluğunda oluşur. Herhangi bir hücresel solunum türü, son ürün olarak bir 3-C molekülü olan piruvik asidin oluştuğu glikoliz ile başlar.
Fermantasyon Tarihi
Fermantasyon ne demek? Olarak kelimenin kökenini incelediğimizde; “Ferment ” terimi, “kaynamak” anlamına gelen Latince fervere kelimesinden gelir. Günümüzdeki modern anlamıyla olmasa da, Fermantasyon kelimesi, 14.yüzyılın sonlarına doğru simyacılar tarafından tanımlandı. Fermantasyonun kimyasal süreci, 1600’lü yıllarda, bilimsel bir araştırma konusu haline geldi.
İnsanlar, bu işlemin, biyokimyasal süreci anlaşılmadan çok önce şarap, bal likörü, peynir ve bira gibi ürünler yapmak için uyguladılar. 1850’lerde ve 1860’larda Louis Pasteur, fermantasyonun canlı hücrelerden kaynaklandığını gösterdiğinde, süreci inceleyen ilk zimürjist (zimolog) veya bilim adamı oldu. Pasteur’un maya hücrelerindeki Fermantasyondan sorumlu enzimi çıkarma girişimleri başarısız oldu.
1897’de Alman kimyager Eduard Buchner öğütülmüş mayadan sıvı çıkardı ve sıvının bir şeker çözeltisini fermente edebileceğini buldu. Buchner’in deneyi, biyokimya biliminin başlangıcı olarak kabul edildi ve ona 1907 Nobel Kimya Ödülünü kazandırdı.
Fermantasyon Süreci
Fermantasyon anaerobik bir süreçtir ve oksijen kullanmaz. Fermantasyon süreci, iki ana adımı içerir; glikoliz ve NADH’den piruvat veya türevlerine elektron transferidir. İlk adım; glikoliz benzer şekilde hücresel solunumun ilk adımıdır. Glikoliz, şekerin parçalanması anlamına gelir. Bunun nedeni, 6 karbonlu bir şeker molekülü olan glikozun, glikolizden sonra iki pirüvata (3 karbonlu bir bileşik) bölünmesidir.
Glikolizde, glikoz, kimyasal enerjiyi toplamak için pirüvata oksitlenir. İlk aşamaya enerji yatırım aşaması denir çünkü süreç ATP moleküllerini kullanır. Bir sonraki aşama, bir enerji ödeme aşamasıdır. Bunun nedeni, ATP’nin artık substrat düzeyinde fosforilasyon yoluyla üretilmesidir.
ATP’nin yanı sıra, bir başka yüksek enerjili molekül olan NADH üretilir. NADH, gliseraldehit fosfat (enerji yatırım aşamasının ürünü) oksitlendiğinde üretilir ve ardından H+ ve elektronlar NAD+’ya aktarılır. Enerji ödeme aşamasının son ürünü piruvattır. Piruvat, daha sonra, NADH’den piruvat veya türevlerine elektron transferi olan fermantasyonun bir sonraki adımında kullanılır. Bu adım, yukarıda bahsedildiği gibi, enerji ödeme fazı sırasında glikolizde kullanıldığı için önemli olan NAD+’ı yeniden üretir.
Fermantasyonda ne kadar ATP üretir? Bu süreç ile ilgili merak edilen soruların başında gelir. Glikolizden sonra sitrik asit döngüsünü atladığından, enerji kazancı glikoz molekülü başına iki ATP molekülüdür.
Yukarıda açıklandığı gibi, NADH’den gelen elektron piruvat veya bunun türevlerine, örneğin asetaldehit’e aktarıldığında NADH ikinci aşamada tüketilir. Böylece fermantasyon sırasında net NADH üretimi olmaz. Bu aynı zamanda oksidatif fosforilasyon yoluyla ATP üretiminin olmamasının da sadece substrat düzeyinde olmasının nedenidir. Hücresel solunumda NADH, elektronu zincir boyunca aktarmak ve oksidatif fosforilasyon yoluyla ATP üretmek için elektron taşıma zincirine girer.
Fermantasyon nerede gerçekleşir? Sorusu da bu sürecin en çok merak edilen sorulardan biridir. Glikoliz ve NADH’den piruvat veya türevlerine elektron transferi sitoplazmada (özellikle sitozolde) meydana gelir.
Fermantasyona ne sebep olur? Sorusu süreç ile ilgili merak edilen sorulardan bir diğeridir. Glikolizden gelen piruvatın varlığı fermantasyonu teşvik eder. Aerobik olarak solunum yapan bazı hücreler (örneğin kas hücreleri), oksijenin az olduğu ve buna rağmen yüksek enerji talebinin olduğu durumlarda fermantasyona başvurabilir. Kas hücreleri, oksijen kaynağı artık sınırlı olmadığında kas hücresinin tekrar soluyabileceği zamana kadar hızlı bir şekilde enerji üretmek için fermantasyonu kullanarak, zaman satın alıyor gibi görünüyor.
Fermantasyon Çeşitleri
- Etanol Fermantasyonu
Etanol fermantasyonu, son ürünün etanol (veya etil alkol) olduğu bir fermantasyon türüdür. Üç aşamalı bir süreçtir. İlk olarak, glikoz, glikoliz ile oksitlenir ve iki piruvat molekülü üretilir. İkincisi, her piruvat, asetaldehit üretmek için karbon dioksit salar. Üçüncüsü, asetaldehit, hidrojen iyonlarını NADH’den alır, sonuç olarak etanol üretir ve NADH’yi tekrar NAD+’a dönüştürür. İkinci ve üçüncü aşamaları katalize eden enzimler sırasıyla piruvat karboksilaz ve alkol dehidrojenazdır.
Mayalar ve belirli anaerobik bakteriler (örneğin Zymomonas mobilis ) etanol Fermantasyonu yapabilir. Bu mikroskobik organizmalar, gıda endüstrisi tarafından alkollü içecek yapımında ve ekmek hamurunun kabarmasına neden olarak kullanılmaktadır. Bazı balık grupları (örn. Japon balığı ve havuz balığı) özellikle çevreleri anoksik olduğunda (oksijen eksikliği) fermente olabilir ve etanol üretebilir. Cyprinid ailesinin bu balık türleri, myotomal kaslarında etanol oluşturur. Etanol fermantasyonu dışında, laktik asit fermantasyonu da yapabilirler.
- Laktik Asit Fermantasyonu
Laktik asit fermantasyonu, şekerlerin enerji vermek üzere laktata dönüştürüldüğü biyolojik bir süreçtir. Laktik asit fermantasyonu, etanol fermantasyonuna benzer şekilde, hücrenin sitozolünde laktik asit fermantasyonu meydana gelir.
İki tür laktik asit fermantasyonu vardır; homolaktik fermantasyon ve heterolaktik fermantasyon. Homolaktik fermantasyon, son ürünün sadece laktat olduğu zamandır. Laktat dışında örneğin etanol ve karbondioksit gibi başka son ürünler olduğunda heterolaktik bir tiptir. Bununla birlikte, her ikisi de glikolizde başlar ve nihayetinde her glikoz molekülü ile iki piruvat üretir.
Homolaktik fermantasyonda karbondioksit salınmaz. Ayrıca piruvat, doğrudan NADH tarafından indirgenir. Bu, laktat (iyonize bir laktik asit formu) oluşumu ve NAD+ rejenerasyonu ile sonuçlanır. Bu reaksiyondan sorumlu enzim laktat dehidrojenazdır.
Laktik asit fermantasyonu peynir, yoğurt, aseton ve metil alkol yapımında kullanılan fermantasyon türüdür.
Bu, şiddetli fiziksel aktivite sırasında kas hücrelerinde meydana gelen Fermantasyon türüdür. Laktat, kan tarafından karaciğere taşınmak üzere kas hücresi tarafından kan dolaşımına salınan bir atık üründür. Karaciğer hücresi, laktat dehidrojenaz enzimi aracılığıyla tekrar piruvata dönüştürmek için kandan laktatı alır. Cori döngüsü olarak adlandırılan bu süreç, reaksiyonun her iki yönde de ilerleyebileceği anlamına gelir.
Fermantasyonla Oluşan Ürün Örnekleri
Çoğu insan Fermantasyon ürünü olan yiyecek ve içeceklerin farkındadır, ancak birçok önemli endüstriyel ürünün bu süreç sonucunda ortaya çıktığını fark etmeyebilir. Fermantasyonla oluşan ürün örnekleri şunlardır:
- Bira
- Şarap
- Yoğurt
- Peynir
- Lahana turşusu, kimchi (kore turşusu) ve pepperoni gibi laktik asit içeren bazı ekşi yiyecekler
- Maya ile ekmek mayalanması
- Kanalizasyon arıtma
- Biyoyakıtlar gibi bazı endüstriyel alkol üretimi
- Hidrojen gazı