1 FERMANTASYON TEKNOLOJİSİ Fermantasyon: Yüksek

FERMANTASYON TEKNOLOJİSİ
Fermantasyon: Yüksek moleküllü organik bileşiklerin özellikle karbonhidratların
mikroorganizmalar tarafından daha küçük moleküllü organik bileşiklere parçalanmasıdır.
Fermantasyon yapan mikroorganizmalar şekerleri veya diğer organik molekülleri oksijen
talep etmeksizin, kreps döngüsünü ve elektron taşıma sistemini kullanmaksızın katabolize
ederler ve enerji kazanırlar.
Katabolik yolda substrat oksidasyonları sırasında, substrat hidrojenlerini üzerine alan piridinnükleotitlerin (NADH, NADPH) tekrar okside olmaları gerektiğinde hidrojenlerin taşındığı
moleküller organik moleküllerdir. Bu nedenle fermantasyon prosesi sonunda ortamda daima
bir veya birkaç organik asit, etanol, butanol ve aseton gibi moleküller birikir.
Mikroorganizmanın kullandığı enerji içeriği zengin substrat, oksidatif fosorilasyonda olduğu
gibi tamamen okside olup CO2 ve H2O ya kadar parçalanmaz, aksine organik bileşikler
halinde ortamda birikir. Enerjinin büyük kısmı bu organik moleküllerin kimyasal bağlarında
kalır. Sonuçta fermantasyon yapan mikroorganizmaların kazandıkları enerji, kullanılan mol
substrat başına bir veya birkaç ATP ile sınırlıdır ve enerji yalnız substrat fosforilasyonu ile
elde edilir.
Fransız kimyageri Louis Pasteur 1857'de fermantasyon etmeninin canlı maya hücreleri
olduğunu bulmuştur. 1907 Nobel Kimya Ödülünü kazanan Eduard Buchner, fermantasyonun
canlı hücrelere has bir olay olmadığını, maya hücrelerinin parçalanması sonucu elde edilen öz
suyun da fermantasyon gücüne sahip olduğunu göstermiştir. Buchner sıvıda fermantasyon
gücüne sahip etmene "zimaz" adını vermişti. Zimaz'ın aslında tek bir etmen olmadığı, izleyen
yıllarda keşfedilen alkol dehidrojenaz, pirüvat dekarboksilaz, heksokinaz, glikoz fosfat
izomeraz, pirüvat kinaz, enolaz, fosfofrüktokinaz ve aldolaz gibi enzimler olduğu ortaya çıktı.
Danimarka'daki Carlsberg araştırmacılarının bira mayalanması üzerindeki çalışmaları
sayesinde hem maya hem de fermantasyon hakkında pek çok bilgi edinildi.
Doğada, yaşayan hücreler tarafından meydana getirilen iki büyük olay daima bir dönüşüm
halindedir.
Assimilasyon↔Dissimilasyon
Assimilasyon=Sentez, birleştirme
Dissimilasyon=Parçalama, ayırma
Assimilasyona örnek
6CO2 + 12H2O + Işık enerjisi → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
+ 673 Kalori (Fotosentez)
Dissimilasyona örnek
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O +38ATP (Solunum)
C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2+2ATP (etil alkol fermantasyonu)(anoksidatif ferm.)
Fermantasyon teknolojisini diğer gıda teknolojilerinden ayıran fark ise:
Diğer gıda teknolojilerinde (yağ, şeker vb) hammaddede adı geçen unsurların mümkün
olduğunca saf elde edilmesine çalışılır. Saf olarak elde edilen maddenin fiziksel ve kimyasal
unsurlarında bir değişiklik olmaz. Fermantasyon. Teknolojisinde ise hammaddedeki
unsurların özellikleri tamamen değişir.
1
ETİL ALKOL (CH3CH2OH) FERMANTASYONU
Birçok fungus, bakteri, alg ve protozoan alkol fermantasyonu yapar. Mikroorganizmalar ile
şekerler fermente edildiğinde en yaygın oluşan ürün etanoldür. Bazen ana ürün bazen de yan
ürün olarak ortaya çıkar. Alkol fermantasyonu dendiğinde ilk akla gelen mikroorganizma
mayalar, özellikle de Saccharomycess cerevisiae’dir. Aerobik koşullarda aerop solunum
yaparken anaerobik koşullarda fermantasyon yaparak yaşamları için gerekli enerjiyi sağlarlar.
Mayaların ekmekçilikte, pastacılıkta, bira ve şarap sanayinde ve saf etanol üretiminde
izledikleri yol glukoliz (FBP) yoludur. Bakterilerde ise bu yol sadece Sarcina ventriculi de
gösterilmiştir. Alkol üreten bakterilerin bir kısmı ana ürün olarak alkol oluştururken bir çoğu
da yan ürün olarak alkol oluşturur.
Metabolizmada ATP nin hidrolizi ile enerji açığa çıktığında bundan yararlanacak olan
endorgonik reaksiyonun substratı üzerine bu enerjinin nasıl taşındığı önemlidir. ATP
molekülünün hidrolizi ile serbest kalan enerji ATP hidroliz ürünlerinden fosfat (Pi), Adenilat
(AMP) veya pirofosfat (PPi) molekülleri ile endorgonik reaksiyonun substratına iletilir.
Endorgonik reaksiyonun gereksindiği enerji miktarı ekzergonik reaksiyonla açığa çıkan
serbest enerji miktarından küçükse enerjinin bir kısmı ısı enerjisi olarak kaydedilir
Serbest Enerjinin Fosfat (Pi) Grubuyla Taşınması:
En fazla katabolizmada şekerlerin fosfatlanmasıyla görülen bu enerji nakli, şekerlerin
aktifleşmesini sağlar. Örneğin hücre içine alınan glukoz, katabolik yola dahil olmak için ATP
molekülünden kendi üzerine fosfat grubu ile ATP molekülünün serbest enerji içeriğinden bir
kısmını kazanır. Enzim katalizörlüğünde taşınan fosfat molekülü, glukozun 6. karbon
atomuna bağlanarak onu enerjice aktif konuma getirir. Toplam tepkime bir ekzergonik
reaksiyonla bir endergonik reaksiyonun birbirine bağlanarak sürmesiyle gerçekleşir.
Endergonik reaksiyonun gereksinim duyduğu enerji ekzergonik bir reaksiyon olan ATP nin
hidrolizi ile sağlanmış ve gerekli enerji fosfat grubuyla glukoza iletilmiştir. Glukolizde
ağırlıklı olarak FBP yolu kullanılır veya bilinen diğer katabolik yollarla pirüvat oluşur.
Buraya kadar aerobik olanlarla anaerobik olanların katabolizması aynıdır. Her iki grup da
glukolitik yolun kazanımı olan 2 ATP molekülünü substrat fosforilizasyonu ile kazanır ve
GAP (Gliseraldehit 3 fosfat) ın 1,3-PGA (1,3 fosfogliseraldehit) e oksidasyon basamağında
da 2NADH molekülü üretir.
2
GLİKOLİZİS
GAP
(Gliserinaldehit-3-fosfat)
DHAP
(Dihidroksi aseton fosfat)
1. Hegzokinaz
2. Fosfoglikoz izomeraz
3. Fosfofruktokinaz
4. Fruktozdifosfat aldolaz
5. Triyozfosfat izomeraz
3
1,3-PGA
3-PGA
2-PGA
PEP
(Fosfoenolprüva
t)
6. GAP-Dehidrogenaz
7. Fosfogliserat kinaz
8. Fosfoglisero mutaz
9. Enolaz
10. Prüvat kinaz
Mayaların alkol fermantasyonu en kısa metabolik yollardan biridir. Heksozların glukoliz yolu ile
pirüvata kadar parçalanmasından sonra iki reaksiyon basamağı ile CO2 ve etanol meydana gelir.
Önce pirüvat TPP koenzimi ile birlikte çalışan pirüvat dekarboksilaz enzimi aracılığı ile NAD+nin
rejenarasyonuna katılır. Yenilenen NAD+ tekrar glukoliz yolunda GAP ve 1,3 FGA çevriminde
görev yapar. Böylece 2 mol ATP oluşumunu olanaklı kılar. İndirgenen asetaldehit ise etanol olarak
ortamda birikir.
4
Fermantasyon olayını aydınlatan Pasteur aynı miktar şekerin substrat olarak ortamda bulunması
halinde aerobik solunum yapan mayaların, fermantasyon yapanlardan 20 kat daha fazla hücre
materyali oluşturduğunu bulmuştur. Fermantasyon sırasında ortama aniden O2 verilmesiyle
fermantasyonun yavaşladığı, hatta durduğu tespit edilmiştir. Oksijenin bu etkisi Pasteur effect
olarak isimlendirilmiştir. Hücre aerobik solunumla ATP üretimine geçer ve hücrenin oksidatif
fosforilizasyonu için ADP ve anorganik P a olan ihtiyacı çok artar. Bu durum glikoliz yolunda
GAP, 3-PGA dönüşümü için gerekli olan ADP ve P ın kısıtlanmasına ve fermantasyonun
yavaşlamasına neden olur. NADH in ETS de okside olması yeni bir H+ akseptörü oluşturma
ihtiyacını da ortadan kaldırır. Aerobik solunumda bir mol hekzosdan 38 ATP kazanılmaktadır.
Oysa fermantasyon yapan mayalar 2 mol ATP ile yetinmek durumundadır. Yetersiz ATP üretimi
nedeniyle fermantasyon yapan mayalar aerobik gelişen mayaların enerji üretimine ulaşmak için
yaklaşık 20 kat fazla hekzos katabolize etmek zorunluluğundadır. Fermantasyonda ortama O2
verilmesi glukoz kullanımının, etanol ve CO2 üretiminin düşmesine neden olurken fermantasyonda
fazla gelişemeyen ve zayıf düşen maya hücrelerinin canlanmasını ve gelişmesini stimüle eder.
FERMANTASYON ANA ÜRÜNLERİ
Etil Alkol (Etanol)
C2H5OH bileşiminde, renksiz, akışkan, hoş kokulu ve yakıcı tatta bir sıvıdır. Su, eter ve çok sayıda
organik sıvıyla her oranda kolayca karışabilir. Doğada alkol fermantasyonuna uğramış her sıvıda ve
çok az olmakla birlikte bitkisel ve hayvansal dokularda bulunur. 1 kg saf alkol yanınca 7000 kcal
açığa çıkar. Saf alkolün tutuşma noktası 110C dir. Havada %3.1-12.45 hacim alkol buharı
bulunduğunda, ateş veya kıvılcımla temas ederse patlama ile tutuşur. Su ile karıştırıldığında
kontraksiyona uğrar. 53.919 hacim alkol ile 49.816 hacim su karıştırıldığında kontraksiyon
maksimum seviyeye ulaşır. Saf alkol 78.310C de kaynar. Su ile çeşitli oranlardaki karışımı 78.31100 0C ler arasında kaynar. %95.57g alkol %4.43 g su ile karıştığında 78.15 0C de tek bir sıvı imiş
gibi kaynar.
5
Kanda düzenli olarak 24-60mg/l alkol bulunur. Normal bir alkol alımında bu oran 1000-3000mg/l
ye çıkar. Kandaki alkol miktarı %0.35-0.4 e ulaşınca aşırı bitkinlik hissedilir. Bu miktar %7-8 e
ulaşınca alkol zehirlenmesi ortaya çıkar.
CO2
Her 100 g şekerden oluşan miktarı kuramsal olarak 48.84g dır. Renksiz, yanmayan, zayıf ekşi
kokuda, havadan 1,5 kat ağır bir gazdır. 5.1 atm basınçta donma sıcaklığı -57 0C dir. Kaynama
sıcaklığı ise -78.5 0C dir.
FERMANTASYONUN YAN ÜRÜNLERİ
Metil Alkol (CH3OH)
Renksiz, akışkan ve yanıcı bir sıvıdır. Hoş olmayan koku ve yakıcı bir tada sahiptir. -940C de
donar 64,70C de kaynar. Alkol fermantasyonu sırasında tamamıyla pektinden, pektinesteraz
enziminin katalizörlüğünde meydana gelir. Bu enzim için en uygun pH 5-6 dır. Ortamın
asidik olması ve meyve mayşesinin 85-900C de tutulması metanol oluşumunu azaltır.
Alkollü içkilerde metanol oluşumunu arttıran diğer etmenler.
-Şıranın yetersiz ısıtılması
-Hammaddenin sağlıklı olmaması
-Aşırı olgun meyvelerde pektin parçalanması meyveler daha asmada veya ağaçta --iken
başlayabilir. Bunlar daha işlenmeden metanol içerebilirler.
-Botrytis cinerae küf mantarlarının zarar verdiği üzümlerde çok erken bir pektin
parçalanması olabilir
-Bazı meyvelerde ısıya dayanıklı pektinesterazlar bulunabilir.
-Kabuk, sap ve çöplerle uzun süre temasta kalmış şıradan elde edilen içkilerde miktarı
yüksek olabilir
6
Asetaldehit
Yapışkan yanıcı ve renksiz bir sıvıdır. Donma sıcaklığı -120 kaynama sıcaklığı ise 20.2 0C
dir. Alkol ferm sırasında oluşan miktarı kullanılan maya suşuna, maya oranına ve oksijen
miktarına bağlıdır.
Fuzel yağı (yüksek alkoller)
Yüksek alkoller denilen çok sayıda alkolün karışımıdır. Kaynama sıcaklığı yapısına giren
yüksek alkollerin özelliğine göre değişmektedir (80-160 0C). En önemli ögeleri amilalkol, izoamilalkol ve n-propilalkoldür. Fuzel yağının bileşimi en başta hammaddeye bağlıdır. Maya
suşu, ferm sıcaklığı ve aşılama miktarı oluşumunu etkileyen diğer faktörlerdir. Ayrıca
mayanın olumsuz yaşam koşulları oluşumunu arttırır. Yapılan çalışmalar fuzel yağlarının
başta aminoasitlerden bir miktar da glukozdan oluştuğunu ortaya koymuştur. Fermantasyon
sırasında fuzel yağının oluşma zamanı mayanın hızlı çoğalma safhası olarak tespit edilmiştir.
Gliserin [C3H5(OH)3]
Nötr veya ispirtoculukta olduğu gibi zayıf asit özelliği gösteren ortamlarda fermente olan her
100g sakkarozdan 2.5-3.6g gliserin oluşur. Alkali ortamda bu oluşum 10-12 katına çıkabilir
Ortama şeker üzerinden NaHSO3 verildiğinde gliserin üretimi artar . Glikoliz sırasında,
ortamda sülfit yokluğunda easetaldehit etilalkole indirgenmektedir. Bir elektron alıcısı olan
asetaldehit sülfite bağlandığı zaman EMP yolunda oluşan diğer trioz olan DHAP temel
elektron alıcısı olarak görev yapmakta ve gliserine indirgenmektedir. Savaş yıllarında
Almanlar trinitrogliserin yapımında gerekli olduğu için gliserini ithal ediyorlardı.Bu ithalin
İngiliz deniz kuvvetleri tarafından engellenmesi üzerine Neuberg gliserin üretimi üzerinde
çalışmaya başladı.
7
Neuberg alkol ferm nu modifiye ederek gliserin üretmeyi başarmıştır. Savaş yıllarında Alman bira
işletmelerinde 1000 t gliserol üretilmiş ancak ekonomik olmadığı için devam ttirilmemiştir.
Gliserin renksiz, tatlı, su çekici ve koyu kıvamlı bir sıvıdır. Normal hava basıncında 2900C de
parçalanma olmaksızın buharlaşır. Gliserinin kaynama noktası çok yüksek olduğundan damıtma
sırasında şilempede kalır. Günümüzde mikrobiyel yolla gliserol üretiminde halofilik bir alg den
yararlanılmaktadır.(Dunaliella salina)
Asit ve esterler
Saf bir alkol ferm da bile mayalar az miktarlarda organik asitler oluşturabilirler. Suksinik asit
glutamik asitten oluşmaktadır. Diğer organik asitler şekerlerden oluşmaktadır. Bu asitlerin oluşumu
ferm başlangıcında pH nın düşmesiyle kendini belli eder. Ancak aşırı bir pH düşüşü bir
kontaminasyonu düşündürmelidir. Ferm sırasında oluşan asitler ve alkoller ferm anında veya daha
sonra tepkimeye girerek kendilerine özgü kokudaki esterleri oluştururlar. Örneğin asetik asit ve etil
alkol esterleşerek etilasetatı oluşturur.
ALKOL FERMANTASYONUNDA ÖNEMLİ ETMENLER
Havanın etkisi
Maya çoğalma aşamasında havaya gereksinim duyduğu için ferm başlangıç safhasında ortama hava
verilmeli, daha sonra mayanın hava ile teması önlenmelidir. Aksi taktirde hem alkol verimi düşer
hem de ferm yan ürünlerinin konsantrasyonlarında artış olur.
Karbondioksit basıncının etkisi
Araştırmalar 1 atü lük basınçta maya çoğalmasının belirgin olarak önlendiğini, artan basınçla
gelişmenin yavaşladığını ve 20 atü üzerinde tümüyle durduğunu göstermiştir. Artan CO2 basıncıyla
mayanın ferm gücü önce artar, 10 atü de en yüksek güce ulaşır ve daha sonra hızla düşer. Yapılan
araştırmalar bu azalmanın CO2 basıncıyla değil artan CO2 konsantrasyonu ile ilgili olduğunu
göstermiştir. 60 atü de ve 30 0C de bile az da olsa ferm nun devam ettiği gözlenmiştir. Kapalı ferm
sistemlerinde ve CO2 yıkayıcı sistemler kullanılarak yapılan fermantasyonlarda oluşacak CO2
basıncının ferm ve alkol verimine olumsuz etkisi olmadığı gibi az da olsa verim arttırıcı etkisi
vardır.
Şeker konsantrasyonunun etkisi
200g/L seviyelerindeki şeker oranı fermantasyonda hiçbir sorun yaratmaz. 250g/L de güçlü maya
ve özenli ferm ile gene bir sorunla karşılaşılmaz. Bunun üzerindeki konsantrasyonlarda ozmotik
basınçtan dolayı ferm geriler haftalar aylar sürebilir. Alkol konsantrasyonu Fermantasyon sırasında
oluşan alkolün maya hücresi üzerine yaptığı ozmotik basınç alkol kons da sınırlamaktadır. %20
hacim alkol 0 0C de 84.4 atm lik bir basınca sahiptir. %20 lik sakkaroz eriğiğinin ozmotik
basıncının bunun 1/5 i oranında olduğu göz önüne alındığında etkisi daha iyi anlaşılacaktır. Alkole
karşı dayanıklığı ve enzim gücü çok yüksek olan mayalar bile %17.5-18 hacim alkol üretebilirler.
Çoğunlukla mayalar alkol konsantrasyonu %11 in üzerine çıkınca ferm nu yavaşlatmaya başlarlar.
Fermantasyon sıcaklığının etkisi
Alkol ferm yapan mayalar 25 0C civarında en iyi faaliyet gösterirler. Ancak 7-8 0C de bile faaliyet
gösterirler. Mayaların bu özelliğinden biracılıkta yararlanılır. Kimi mayalarda sıcaklık 30 0C nin
üzerine çıkınca ferm hızlanır fakat çoğalma durur. 40 0C de ise ferm yeteneklerini kaybederler.
Yapılan çalışmalar 25-30 0C leri mayanın çoğalması bakımında 30-37 0C lerin ise ferm bakımında
uygun sıcaklıklar olduğunu göstermiştir. Her mol glukozdan ferm sırasında 24 kkal açığa çıkar.
Kabın büyüklüğüne göre sıcaklık 10-20 0C artar. Ferm sırasında sıcaklı 28 0C ye geldiğinde
fermentörler hemen soğutulmalıdır. Akdeniz ve Güney Afrika kuşağında fermentörler soğutma
8
düzenli olmalıdır. Orta Avrupa da buna gerek yoktur. Örneğin şarap üretimi için kullanılan üzümler
işletmeye 15 0C civarında gelir. Yüksek sıcaklık aroma maddelerinin kaybına ve kontaminasyonlara
sebep olur. Son yıllarda şarap üretiminde kullanılan mayalar da düşük sıcaklıkta ferm yapabilen
suşlardan seçilmektedir. Ancak cibre ferm nun kısa sürede tamamlanması istendiği için kırmızı
şarap üretiminde pek tercih edilmemektedir.
Fermantasyon sıvısının pH sının etkisi
Mayalar çoğunlukla zayıf asit ortamlarda gelişir ve faaliyet gösterir. Genellikle be değer 3.58-4.2
arasındadır ancak bu hammaddeye göre değişir.
Aşılama oranının etkisi
En yüksek alkol verimine %1.2 (MKM) oranıyla ulaşıldığı tespit edilmiştir.
Besin maddelerinin etkisi
Maya besini olarak en fazla azotlu ve fosforlu maddeler kullanılmaktadır (özellikle ispirtoculukta).
Örneğin diamonyumfosfat (NH4)HPO4 her hl mayalık mayşe için 20 g
9