Procese metabolice ale microorganismelor

Metabolismul microbian – funcţii de bază

Viaţa celulei microbiene în condiţii compatibile cu aceasta este determinată de caracterele genetice care îi imprimă un anumit metabolism, determinat de totalitatea reacţiilor biochimice catalizate secvenţial de enzimele celulei vii, prin care se asigură transferul de masă şi energie între celulă şi mediul ambiant.

Viaţa microorganismelor, continuitatea lor genetică este asigurată de desfăşurarea concomitentă a celor două laturi independente ale metabolismului şi anume catabolismul şi anabolismul.

Catabolismul

Denumit şi metabolism degradativ este rezultatul reacţiilor biochimice catalizate enzimatic prin care compuşii macromoleculari sunt transformaţi în produşi uşor asimilabili cu eliberarea concomitentă a energiei potenţiale a compuşilor cu rol de nutrient (reacţii exergonice).

Anabolismul

Denumit şi metabolism constructiv, de biosinteză, reprezintă totalitatea reacţiilor biochimice endergonice catalizate de enzime, prin care se realizează biosinteza compuşilor celulari, creşterea şi reproducerea microbiană.

Microorganismele au potenţialul genetic de a codifica şi de a sintetiza peste 1000 de tipuri de enzime care catalizează specific, căi metabolice proprii. Echipamentul enzimatic complex al celulei microbiene este alcătuit din enzime constitutive sintetizate în mod necondiţionat şi obligatoriu în toate celulele microbiene şi enzime adaptive (inductive) sintetizate în mod condiţionat, când mediul ambiant prin nutrienţii oferiţi impune adaptarea.

Fermentaţia alcoolică

Fermentaţia alcoolică este un proces anaerob prin care glucidele fermentescibile sunt metabolizate prin reacţii de oxidoreducere sub acţiunea echipamentului enzimatic al drojdiei în produşii principali (alcool etilic şi CO₂) iar ca produşi secundari: alcooli superiori, acizi, aldehide etc.

Agenţii tipici ai fermentaţiei alcoolice sunt drojdiile genului Saccharomyces care pot să producă prin fermentarea glucidelor mai mult de 8º alcool etilic.

Fermentaţia alcoolică este un proces întâlnit la numeroase microorganisme, dar care produc prin fermentare cantităţi mai reduse de alcool etilic comparativ cu drojdiile. Astfel mai pot produce alcool etilic bacteriile: Bacillus macerans, Zymomonas, dar ele nu sunt considerate agenţi tipici.

Proprietăţi biotehnologice ale drojdiilor fermentative . Pentru a putea fi folosite în practică drojdiile genului Saccharomyces sunt studiate şi selecţionate în funcţie de unele proprietăţi care le recomandă pentru utilizare industrială, cum ar fi:

Puterea alcooligenă care se referă la concentraţia maximă de alcool ce se poate acumula când în mediu există un exces de zahăr. Drojdiile sunt sensibile la creşterea concentraţiei în alcool şi în timp ce drojdiile cu putere alcooligenă slabă (Kloeckera, Torulopsis) sunt inhibate la o concentraţie în alcool de 4-6º drojdiile de vin şi alcool (Saccharomyces ellipsoideus, Saccharomyces cerevisiae) au o putere alcooligenă mare şi continuă fermentaţia alcoolică până se acumulează 16-18º alcool.

Alcoolorezistenţa se referă la capacitatea drojdiei de a continua fermentaţia la creşterea concentraţiei de alcool.

Sulfitorezistenţa este capacitatea drojdiilor de vin de a produce fermentaţia alcoolică în prezenţa unor concentraţii de 200-500 mg SO₂/dm³ care pot influenţa negativ activitatea altor drojdii din must neadaptate (peliculare sau oxidative) ca urmare a scăderii potenţialului de oxidoreducere.

Capacitatea de floculare şi pulverulenţa – proprietăţi datorate structurii peretelui celular şi a modificării de pH şi rH din timpul fermentaţiei. Drojdiile floculante pot forma asociaţii ce se depun mai uşor, în timp ce drojdiile pulverulente se menţin mai mult timp în suspensie şi produc o fermentaţie mai avansată.

Osmotoleranţa se referă la capacitatea drojdiilor de a produce fermentaţia în mediu cu o concentraţie crescută de zahăr. Aceste proprietăţi sunt recomandate drojdiilor folosite la obţinerea alcoolului din melasă cu un randament superior în alcool etilic.

Caracterul killer este întâlnit la unele drojdii capabile de a sintetiza intracelular o toxină cu efect inhibitor asupra altor drojdii sensibile. În selecţionarea drojdiilor de vin culturile care au caracter killer dau randamente superioare, în cursul fermentaţiei are loc o autoselecţie naturală.

Factorii care influenţează dinamica fermentaţiei alcoolice

Fermentaţia alcoolică în condiţii industriale foloseşte substraturi naturale bogate în zahăr fermentescibil, iar viteza de fermentare şi transformare a glucidelor în produşi primari şi secundari este dependentă de numeroşi factori care pot fi împărţiţi în două mari categorii: factori biologici, dependenţi de microagenţii fermentării şi factori fizico-chimici, dependenţi de compoziţia mediului supus fermentării şi condiţiile mediului ambiant.

Factorii biologici

Încă din 1885-1887 a fost stabilit de către Ed. Büchner că fermentaţia alcoolică este cauzată de enzimele elaborate de celula de drojdie, stabilindu-se natura enzimatică a fermentaţiei.

Complexul zimazic acelular obţinut prin mojararea celulelor de drojdie este format din 15 enzime care catalizează în diferite etape procesele de oxidoreducere ale glucidelor fermentescibile şi în final formarea de alcool etilic. Fermentaţia decurge activ când celulele de drojdie sunt în faza exponenţială sau la începutul fazei staţionare de creştere, în timp ce drojdiile autolizate, ca rezultat al hidrolizei proteinelor intracelulare şi inactivarea enzimelor, îşi pierd proprietăţile fermentative.

Viteza de fermentare depinde şi de numărul de celule/cm³ mediu; viteza creşte cu numărul de celule, prin viteză înţelegând conţinutul de alcool format la 100 cm³ lichid în unitatea de timp. În practică, din raţiuni economice, prin folosirea culturilor starter în industriile fermentative, concentraţia de celule pentru declanşarea rapidă a fermentaţiei este 10⁶-10⁹/cm³.

Un alt factor îl constituie spectrul de fermentare al glucidelor. Din studiul caracterelor fiziologice se cunoaşte că drojdiile produc fermentarea unui număr limitat de glucide ce pot fi transformate în alcool etilic şi CO₂ în condiţii anaerobe, între specii existând diferenţe.

Datorită importanţei pe care o prezintă alcoolul etilic de fermentare în practica industrială, în afara glucidelor fermentescibile se pot folosi substraturi naturale ce conţin poliglucide (amidon, celuloză) care sunt hidrolizate în prealabil pe cale chimică sau enzimatică până la formarea de glucide fermentescibile. Această zaharificare este obligatorie deoarece drojdiile de fermentare nu produc amilaze/celulaze şi nu pot produce hidroliza enzimatică a poliglucidelor.

Dacă mediul de fermentare este puternic aerat, atunci are loc efectul Pasteur, prin care se observă conversia fermentaţiei în respiraţie deoarece în prezenţa oxigenului, oxidarea se face până la produşi finali (CO₂ şi H₂O), iar cantitatea de energie este mult mai mare, pentru acelaşi echivalent energetic consumându-se o cantitate mică de zahăr.

• 1 mol glucoză → 2 ATP (fermentaţie)
• 1 mol glucoză → 36 ATP (respiraţie)

Procesul de aerare este folosit la cultivare atunci când interesează obţinerea unei cantităţi mai mari de drojdie, de exemplu la obţinerea industrială a drojdiei comprimate sau a drojdiei furajere.

Influenţa factorilor fizico-chimici asupra fermentaţiei alcoolice

Compoziţia mediului de fermentare. Diferitele componente ale mediului pot fi metabolizate în mod diferit. De aceea, mai ales la vinuri, în funcţie de calitatea mustului, care este influenţată de soiul şi gradul de coacere a strugurilor, apar diferenţe de aromă.

Concentraţia în zahăr influenţează direct proporţional viteza de fermentare atunci când se situează în limitele 5-12% (50-120 g zahăr/dm³). Cu creşterea concentraţiei de zahăr anumite drojdii mai sensibile suferă o inhibare în activitate prin procese de represie catabolică sau prin modificări la nivel de membrană datorate plasmolizei. Drojdiile de fermentare au în general osmotoleranţă şi de aceea produc fermentarea în bune condiţii a mustului de struguri cu o concentraţie de 170-250 g zahăr/dm³.

Concentraţia în alcool. În mediile fermentative cu microbiotă naturală, dacă se ajunge la o concentraţie alcoolică de 4-6º, se produce o încetinire a fermentaţiei la drojdii care nu au rezistenţă la alcool (Kloeckera, Torulopsis, Hansenula), iar fermentarea este continuată de drojdii alcoolorezistente, acumulându-se 18-20º alcool (1 grad alcoolic = 1 ml alcool absolut/100 ml mediu fermentat).

PH-ul are un rol important în formarea compuşilor de fermentare, în funcţie de pH cunoscându-se două forme ale fermentării: fermentarea alcoolică propriu-zisă, ce se desfăşoară la pH 3,5-5 când produsul principal este alcoolul etilic şi dioxidul de carbon, cu produşi secundari în cantităţi mici, echilibrate şi fermentarea la pH alcalin, când în afară de alcool etilic şi dioxid de carbon se formează în cantitate mai mare glicerol (până la 30% din zahărul fermentat).

Temperatura. Enzimele componente ale sistemului zimazic prezintă fiecare un optim de activitate, iar proprietăţile sunt determinate genetic de caracterele de specie. Fermentarea alcoolică poate avea loc între 0-35ºC. În funcţie de specia de drojdie predominantă sau folosită în cultură pură temperaturile optime sunt la:

• 28-30ºC, pentru drojdia de alcool şi de panificaţie (Saccharomyces cerevisiae);
• 6-12ºC, pentru drojdia de bere (Saccharomyces carlsbergensis);
• 15-20ºC, pentru drojdiile de vin (Saccharomyces ellipsoideus şi Saccharomyces oviformis), care produc o fermentare mai lentă la aceste temperaturi, dar conduc la obţinerea unui vin de calitate deoarece la temperaturi mai scăzute se evită pierderile de substanţe volatile.

Biochimismul formării produşilor principali şi secundari în fermentaţia alcoolică propriu-zisă

Conversia prin fermentare în mediu acid a glucidelor, catalizată de enzime din drojdii se desfăşoară în cinci etape principale:

• transformarea diferitelor tipuri de glucide în esteri ai glucozei şi formarea esterului fructo-furanozo-1,6-difosfat. Este etapa în care se consumă energie prin transformarea ATP-ului în ADP;
• formarea triozelor-aldehidă fosfoglicerică şi fosfodioxiacetonă;
• transformarea triozelor până la formarea de acid piruvic. Energia eliberată prin procesul de oxidoreducere este înmagazinată prin fosforilare de substrat;
• decarboxilarea acidului piruvic şi formarea de aldehidă acetică;
• aldehida acetică se reduce devenind acceptor de hidrogen şi se formează alcoolul etilic.

Reacţia globală a fermentaţiei alcoolice în mediu acid:

C₆H₁₂O₆ 2 C₂H₅OH + 2CO₂ + 2 ATP (117kJ/mol)

Formarea produşilor secundari

În fermentaţia alcoolică rezultă o diversitate de produse secundare. În vinuri au fost identificate prin cromatografie 300-500 de substanţe diferite. Majoritatea lor rezultă prin fermentare, iar celelalte sunt dependente de compoziţia mediului. Glicerolul se acumulează în mod normal în cantităţi de 3,3 g/100 g glucoză fermentată şi are un rol benefic asupra calităţii vinului, conferindu-i „catifelaj”-ul. Aldehidele se acumulează în mediul de fermentare. Cea mai importantă, aldehida acetică, la concentraţii ce depăşesc 2,5 mg/dm³ influenţează indirect gustul, deoarece prin oxidări duce la formarea de acid acetic.

Acizii provin atât din must cât şi din procesul fermentativ. Ei dau aciditate volatilă vinului (acid acetic, formic, propionic, butiric) precum şi o aciditate fixă (acid lactic, succinic) care se regăseşte în aciditatea totală a vinului. Dintre alcoolii superiori, care se acumulează mai ales la fabricarea alcoolului, fac parte alcoolii amilic, izoamilic, propanol, butanol, care pot să contribuie la formarea unor substanţe de aromă.

La fabricarea vinului alcoolii superiori sunt precursori de aromă deoarece se pot combina cu diferiţi acizi rezultând esteri cu aromă caracteristică. De exemplu, în vinuri, din fenilalanină se formează alcoolul feniletilic care dă aromă de trandafir.

În afară de aspectele pozitive ale fermentaţiei alcoolice la fabricarea alcoolului, vinului, distilatelor, berii, pâinii, poate prezenta şi aspecte negative atunci când se produce fermentarea spontană a unor produse bogate în zahăr (siropuri, dulceţuri, compot, miere). În acest caz fermentarea este dată de drojdii osmotolerante care produc prin fermentare alcool etilic, CO₂ şi o cantitate apreciabilă de acid acetic, ceea ce duce la deprecierea lor.

Fermentaţii alcoolice neconvenţionale, produse de bacterii

Există bacterii care pot produce cantităţi apreciabile de alcool: Bacillus macerans, Leuconostoc, Clostridium acetono-etillicus, iar Zymomonas mobilis şi Zymomonas anaerobica, produc prin fermentare 10º-16º alcool. Cu aceste bacterii pot fi fermentate derivatele celulozice, pentru obţinerea de alcool carburant.

Cu ajutorul bacteriilor se obţine alcool cu întrebuinţări industriale, care nu este folosit în alimentaţie deoarece bacteriile nu produc şi substanţe secundare de aromă, iar randamentul de conversie este mai mic decât al drojdiilor.

Fermentaţia lactică

Fermentaţia lactică este un proces anaerob prin care glucidele fermentescibile sunt metabolizate sub acţiunea echipamentului enzimatic al microorganismelor în acid lactic ca produs principal şi ca produse secundare: diacetil, acetoină, acid acetic, alcool etilic şi CO₂.

Calea metabolică de producere a acidului lactic este frecvent întâlnită în lumea microbiană, în schimb randamente superioare de conversie a glucidelor în acid lactic sunt întâlnite la bacterii şi mucegaiuri. Dintre acestea, bacteriile lactice, considerate agenţi tipici ai fermentaţiei sunt folosite industrial în biotehnologii alimentare, la industrializarea laptelui şi a cărnii, în panificaţie, la conservarea produselor vegetale şi la obţinerea acidului lactic.

Mucegaiuri selecţionate ale genurilor: Aspergillus, Penicilium şi Mucor pot fi cultivate submers cu aerare dirijată, pentru obţinerea industrială a acidului lactic.

Caractere morfo-fiziologice generale ale bacteriilor lactice

Bacteriile lactice sunt foarte răspândite în natură în diferite biotopuri: aparatul foliar al plantelor, în microbiota intestinală, în cavitatea bucală, în microbiota pielii.

Caractere morfologice

Bacteriile lactice prezintă eterogenitate morfologică: principalele forme sunt derivate de la coccus, şi se pot prezenta sub formă de streptococi (g. Lactococcus şi g. Streptococcus), de diplococi (g. Leuconostoc), de tetrade (g. Pediococcus); numeroase alte bacterii lactice se prezintă sub formă cilindrică, de bastonaşe cu dimensiuni variabile, izolate sau în lanţuri lungi, incluse în genul Lactobacillus.

Caractere fiziologice

Bacteriile lactice sunt pretenţioase din punct de vedere nutritiv şi înmulţirea lor are loc în medii cu compoziţie chimică complexă.

Fermentaţia propionică

Fermentaţia propionică este un proces anaerob prin care substratul fermentescibil, acidul lactic, sub acţiunea complexului de enzime ale bacteriilor propionice – agenţii tipici – este transformat în acid propionic, acid acetic, CO₂ şi energie.

În afara bacteriilor propionice (g. Propionibacterium), formarea prin catabolism a acidului propionic este întâlnit la bacterii anaerobe ale g. Clostridium (Clostridium propionicum) şi g. Veillonella.

Bacteriile propionice sunt răspândite în natură în tractul digestiv al animalelor, în lapte şi brânzeturi din care pot fi izolate.

Biochimismul fermentaţiei propionice

În fermentaţia propionică, substratul fermentescibil (acidul lactic) este metabolizat anaerob, conform reacţiei generale:

3CH₃-CHOH-COOH → 2CH₃-CH₂-COOH + CH₃-COOH + CO₂ + H₂O (+ 3 ATP)

Aspecte practice ale fermentaţiei propionice

Fermentaţia propionică dirijată este folosită la fabricarea brânzeturilor (Schweitzer, Ementhal), cu rol pozitiv în formarea ochiurilor (alveole rezultate prin difuzia lentă a CO₂, rezultat din fermentaţie sau prin decarboxilarea aminoacizilor), în formarea gustului specific şi creşterea valorii alimentare, ca urmare a formării de către bacteriile propionice a vitaminei B₁₂.

În industria panificaţiei, fermentaţia propionică produsă de bacterii propionice adaptate la mediul aluat, conduce la formarea suplimentară a CO₂ cu rol în creşterea volumului şi a acidului propionic cu efect fungistatic ce previne mucegăirea pâinii la păstrare.

Fermentaţia butirică

Fermentaţia butirică reprezintă un proces anaerob prin care diversele surse de carbon sunt metabolizate sub acţiunea bacteriilor butirice în produşi principali ai fermentaţiei: acid butiric şi gaze: CO₂; H₂. În funcţie de specie şi condiţii de fermentare se mai pot forma pe căi deviate de la fermentaţia butirică propriu-zisă solvenţii: butanol, propanol, etanol, acetonă.

Biochimismul fermentaţiei butirice

Are loc după ecuaţia generală:

C₆H₁₂O₆ → CH₃-CH₂-CH₂-COOH + 2CO₂ + 2H₂

Fermentaţia butirică se poate folosi industrial la fabricarea acidului butiric. În acest scop se folosesc plămezi amidonoase zaharificate cu enzime din malţ, se face inocularea cu Clostridium butyricum şi fermentarea are loc anaerob, la 35-40ºC timp de 8-10 zile, în prezenţă de carbonat de calciu. Pentru obţinerea acidului butiric, în plămada fermentată se adaugă sulfat de sodiu. Butiratul de sodiu se separă de sulfatul de calciu prin filtrare şi după concentrare, în prezenţă de acid sulfuric se eliberează acidul butiric.

Acidul butiric sub formă esterificată este folosit la fabricarea unor esenţe, deoarece butiratul de metil are aromă de măr, iar butiratul de etil, aromă de pară sau ananas, esenţe folosite la obţinerea produselor zaharoase.

Fermentaţia butirică , atunci când are loc la fabricarea sau conservarea produselor alimentare, influenţează negativ calitatea acestora.

Fermentaţia butirică poate fi ocazional detectată la fabricarea alcoolului din materii amidonoase, când acidul butiric rezultat are un efect inhibitor asupra drojdiilor, agenţi ai fermentaţiei alcoolice.

Dacă fermentaţia butirică spontană are loc în spaţii închise, gazele generate prin fermentaţie pot deveni explozive.

Bacterii ale genului Clostridium pot fi agenţi de alterare a conservelor, alterare caracterizată prin bombaj şi pierderea valorii alimentare.

Procese metabolice aerobe (fermentaţii oxidative)

Spre deosebire de fermentaţiile propriu-zise anaerobe, fermentaţiile acetică, gluconică, citrică etc. sunt procese oxidative simple, care se desfăşoară în condiţii aerobe şi se diferenţiază de metabolismul oxidativ (respiraţie), prin aceea că oxidarea este limitată, rezultând în condiţii industriale acizi organici cu mare valoare economică.

Fermentaţia acetică

Fermentaţia acetică este un proces metabolic aerob prin care substratul (alcoolul etilic) este oxidat în prezenţa oxigenului din aer, sub acţiunea echipamentului enzimatic al bacteriilor acetice, în acid acetic ca produs principal al fermentaţiei.

Biochimismul fermentaţiei acetice

Fermentaţia acetică se desfăşoară după reacţia globală:

CH₃-CH₂-OH + O₂ → CH₃ – COOH + H₂O

Alcoolul etilic este oxidat în aldehidă acetică în prezenţa alcool-dehidrogenazei. Are loc legarea chimică a unui mol de apă şi se formează acetaldehida-hidratată care în prezenţa aldehid dehidrogenazei cedează 2H⁺ care este transferat de către enzime ale catenei respiratorii celulare pe oxigenul molecular şi se acumulează acid acetic – produs principal al fermentaţiei.

Importanţa practică a fermentaţiei acetice

Deoarece obţinerea vinului se cunoaşte de peste 10000 de ani, se presupune că şi obţinerea oţetului are aceeaşi vechime. Obţinerea industrială este descrisă din 1670 şi în prezent producţia anuală depăşeşte 106 t acid acetic pur, obţinut prin fermentarea diferitelor materii prime: soluţii alcoolice, vin, cidru, malţ, bere, orez. În cazul materiilor amidonoase, se face în prima etapă zaharificarea, apoi fermentaţia alcoolică cu drojdii şi în final are loc acidificarea cu bacterii acetice selecţionate. Consumul pe cap de locuitor şi an poate varia între 0,2-38 l.

Fermentaţia acetică spontană, întâlnită la fermentarea boabelor de cacao are un rol pozitiv în formarea compuşilor de aromă şi obţinerea unor boabe de calitate superioară.

Bacteriile acetice Acetobacter xylinum pot fi folosite pentru obţinerea de β glucani folosiţi la fabricarea de membrane filtrante pe bază de acetat de celuloză.

Gluconobacter suboxidans poate fi folosit pentru oxidarea manitolului în fructoză şi a glicerolului în dehidroxi-acetonă folosită în cosmetică.

Importanţa practică o are şi oxidarea sorbitolului şi formarea de L-sorboză, materia primă în sinteza acidului L-ascorbic (Vitamina C).

Fermentaţia acetică nedorită a vinului, berii, păstrate cu „gol de aer” conduce la deprecierea calităţii lor. În cazul vinurilor, procesul este considerat o boală, deoarece acrirea are loc în întregul volum, deşi bacteriile acetice aerobe se dezvoltă la suprafaţă. Acidul acetic format sub voal are o densitate mai mare decât a alcoolului încât se produce o circulaţie a compuşilor reactanţi care conduce la acrirea totală a produsului.

Fermentaţia gluconică

Fermentaţia gluconică este un proces oxidativ simplu prin care glucoza, în prezenţa oxigenului din aer şi a sistemului enzimatic al microorganismelor selecţionate este transformată în acid gluconic ca produs principal.

Agenţii tipici ai fermentaţiei gluconice sunt bacteriile din genul Gluconobacter (Acetomonas), genul Moraxella şi mucegaiuri din genul Aspergillus: A.niger, A. phoenicis, A.wenti şi ale genului Penicillium: P.chrysogenum, P.luteum.

Importanţa practică a fermentaţiei gluconice

Acidul gluconic se obţine pe cale fermentativă cu culturi fungice folosind ca substrat melasă diluată (10-20 % zaharoză), repartizată în tăvi cu suprafaţă mare. După inoculare cu spori ai mucegaiului selecţionat acesta se dezvoltă la suprafaţă formând o dermă groasă se produce lent oxidarea glucozei rezultată prin inversia zaharozei. Procedeul este lent şi în ultimii ani a fost înlocuit cu metode submerse de aerare, în bioreactoare în care procesul este accelerat şi randamentul de conversie al glucozei în acid gluconic este de 80-90% în timp de 18 ore la 25-30ºC şi pH=3. Prin adăugare de carbonat de calciu se formează gluconatul de calciu, din care prin procedee chimice se purifică acidul gluconic.

Biomasa rezultată în perioada fermentării poate fi valorificată pentru recuperarea glucoxidazei intracelulare. Dintre multiplele aplicaţii ale acidului gluconic, mai importante sunt următoarele:

• folosirea gluconaţilor de Ca, Fe, în terapeutică;
• la obţinerea prafului de copt;
• gluconolactona, produs intermediar al fermentaţiei este folosit în industria preparatelor de carne, deoarece le conferă un gust acrişor, împiedică activitatea bacteriilor de putrefacţie şi menţine culoarea roşie naturală a compoziţiei salamurilor;
• acidul gluconic în amestec cu soda caustică este folosit pentru îndepărtarea rapidă a sărurilor insolubile de magneziu;
• acidul 2 ceto-gluconic este folosit la obţinerea acidului D-araboascorbic – substanţă cu efect antioxidant folosit la prevenirea râncezirii alimentelor cu conţinut ridicat în lipide.

Fermentaţia citrică

Fermentaţia citrică este un proces oxidativ complex prin care substratul glucidic (zaharoza) este metabolizat la compuşi intermediari de oxidare cu acumulare în mediu a acidului citric ca produs principal.

Agenţii tipici ai fermentaţiei citrice sunt tulpini selecţionate ale speciei Aspergillus niger care produc activ citrat sintetază. Acidul citric se poate obţine cu un bun randament (52 g/dm³) şi prin cultivarea drojdiilor cu specia Candida oleophilla, pe medii cu parafine.

Pentru creşterea randamentului în acid citric, când pentru fermentaţie se foloseşte ca materie primă melasa, aceasta se tratează cu ferocianură de potasiu pentru îndepărtarea prin precipitare a Mg, Fe, Mn, Zn, CU, metale care influenţează acumularea de acid. Ca rezultat al eliminării acestora, creşte activitatea enzimei de condensare, în schimb enzime ale ciclului Krebs: aconitat – hidrataza care necesită fier şi izocitrat dehidrogenaza care necesită mangan, în absenţa cofactorilor trec în stare inactivă şi deci este oprită secvenţa biochimică de transformare a acidului citric prin ciclul Krebs şi astfel acesta se acumulează în mediul de cultură.

Producerea industrială a acidului citric

Prin culturi de suprafaţă pe medii cu melasă diluată tratată cu ferocianură de potasiu, după sterilizare şi răcire în tavă, se inoculează cu spori de A.niger (3-4 g spori/100 m² suprafaţă mediu) şi fermentarea are loc la 30-35^ºC. La suprafaţă se dezvoltă o dermă cu suprafaţă cutată prin creşterea aerobă a miceliului vegetativ şi reproducător. Fermentaţia durează 6-8 zile cu un randament de conversie a zaharozei în acid citric de 70-72% (1 m² suprafaţă miceliu poate să producă 500-800 g acid citric în 24 ore). După separarea biomasei, aceasta poate fi valorificată ca sursă de enzime/proteine, iar din mediul fermentat prin metode fizico-chimice se separă acidul citric cristalizat.

Acidul citric se poate obţine şi prin metode submerse în bioreactoare cu aerare dirijată, prin procedee discontinue sau continue, cu reducerea duratei de fermentaţie şi creşterea randamentului la valori de 80-85% în acid citric.

Importanţa fermentaţiei citrice

Acidul citric este principalul acid folosit în industria alimentară, pentru fabricarea băuturilor răcoritoare, a produselor zaharoase.

Este folosit în calitate de conservant al culorii produselor păstrate în stare congelată, are proprietăţi antioxidante şi rol de anticoagulant al sângelui.

În industria farmaceutică intră în componenţa pulberilor efervescente.

Citratul de sodiu este recomandat în compoziţia detergenţilor, înlocuind fosfaţii, care prin deversare în ape favorizează proliferarea excesivă a algelor.

Acidul citric sub formă cristalizată prin încălzire la 170ºC se transformă în acid itaconic utilizat la fabricarea răşinilor schimbătoare de ioni.

Fermentaţii oxidative diverse

Prin fermentaţii oxidative (aerobe) se mai pot obţine şi alţi acizi, de exemplu: acidul fumaric cu culturi din g. Aspergillus, Penicillium, important pentru obţinerea aldehidei maleice, materie primă pentru obţinerea răşinilor sintetice.

Acidul kojic obţinut prin cultivarea lui Aspergillus oryzae este folosit ca reactiv în chimia analitică şi intră în compoziţia unor insecticide.

Acidul ustilagic obţinut cu culturi de micromicete ale genului Ustilago este folosit în industria parfumurilor.

Este important de subliniat că fermentaţiile pot avea loc în mod spontan în condiţii naturale, favorizând transformarea compuşilor organici din materia nevie în compuşi mai simpli, accesibili pentru alte grupe de microorganisme , transformări ce permit un circuit natural al carbonului.

Majoritatea fermentaţiilor descrise stau la baza biotehnologiilor alimentare când prin utilizarea culturilor starter se obţin produse cu mare valoare economică.