Fermentacja octowa to enzymatyczny proces utleniania alkoholu etylowego do kwasu octowego, katalizowana przez enzymy wytwarzane głównie przez bakterie octowe. Zachodzi także jako proces uboczny podczas innych przemian fermentacyjnych. Fermentacja octowa stanowi fundamentalny proces w przemysłowym otrzymywaniu octu (roztworu kwasu octowego). Kwas octowy stosowany jest również przy produkcji barwników, różnorodnych tworzyw sztucznych w tym m.in. sztucznego jedwabiu, środków zapachowych, rozpuszczalników i leków w tym aspiryny.
Przebieg procesu fermentacji octowej
Fermentacja octowa jest procesem biochemicznym w wyniku którego powstaje kwas octowy. Zdolnością wytwarzania tego kwasu, w wyniku niecałkowitego spalania alkoholu i zdobywaniem w ten sposób energii, odznaczają się przede wszystkim bakterie octowe, należące do rodzaju Acetobacter.
Pod wpływem enzymów wytwarzanych przez bakterie octowe etanol utlenia się z wykorzystaniem tlenu z powietrza do kwasu octowego z wydzieleniem wody.
Fermentacja octowa przebiega w dwóch etapach:
1. CH3CH2OH + H2O → CH3COOH + 2H2 – 29,29 kJ
2. 2H2 + O2 → 2H2O +477,09Kj
Pierwsza reakcja jest endotermiczna i wymaga wydatkowania energii, wynoszącej 29,29 kJ/mol alkoholu. Druga zaś jest egzotermiczna i dostarcza 477,09 kJ/,mol. W sumie obie reakcje dostarczają 447,80kJ/mol:
CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O + 447,80kJ
U niektórych gatunków bakterii octowych występuje zjawisko nadmiernego utlenienia, czyli tzw. nadoksydacji. Mogą one np. dalej utleniać kwas octowy, zgodnie z zapisem reakcji:
CH3COOH +2 O2 → 2CO2 + 2H2O + 857,92kJ
Bakterie fermentacji octowej
Bakterie octowe należą do rodzaju Acetobacter. Są to pałeczki występujące pojedynczo, po dwie lub w łańcuszkach Mają skłonność do przechodzenia w postacie nieprawidłowe, czyli inwolucyjne, pod wpływem silnego zakwaszenia środowiska Wiele gatunków wytwarza otoczki śluzowe. Nie tworzą przetrwalników. Są Gram – ujemne. Są typowymi tlenowcami, mezofilami, najkorzystniejsze pH dla ich rozwoju wynosi od 4 do 6,5. Nie mają wysokich wymagań pokarmowych. Mogą utleniać alkohol etylowy do kwasu octowego.
Kwas octowy, oprócz bakterii octowych, produkowany jest przez inne drobnoustroje, np. przy fermentacji alkoholowej, mlekowej (przez bakterie heterofermentatywne) i masłowej, ale powstaje on wtedy w małych ilościach, jako produkt uboczny. Istnieją również niektóre bakterie z rodzaju Clostridium (np. C. aceticum), które przenoszą wodór, odczepiony w reakcjach oksydacyjnych na dwutlenek węgla i wytwarzają w ten sposób również kwas octowy:
8H+ + 2CO2 → CHCOOH + 2H2O
Ocet
We właściwej fermentacji octowej stosowanej w przemyśle w celu otrzymania metodą mikrobiologiczną octu, wykorzystywane są szybko i intensywnie kwaszące gatunki bakterii octowych, jak np. Acetobacter schutzenbachii, A. alei, A. orleanense i wiele innych. Bakterie te są Gram-dodatnie, występują w postaci krótkich, słabo ruchliwych pałeczek, skłonnych do tworzenia form „ stretto”.
Ocet jest to 3,5 -15,5 % roztwór kwasu octowego z towarzyszącymi mu pozostałościami składników pochodzących z zacieru octowniczego lub wina ( przy produkcji octu winnego). Zacier octowni czy jest wodnym roztworem etanolu ( 6-12% obj.) z dodatkiem pożywki mineralnej ( i ewentualnie organicznej).
Ocet posiada właściwości konserwujące żywność, działa bowiem bakteriostatycznie – hamuje rozwój drobnoustrojów niszczących żywność (drożdże, bakterie, pleśnie). Poza tym nadaje produktom spożywczym nowy bukiet smakowo-zapachowy. Jednak nadmiar octu w żywieniu jest szkodliwy.
Każdy ocet niezależnie od tego, z jakiego surowca został zrobiony, zawsze pozostaje kwasem organicznym, substancją kwaśną o bardzo niskim pH. Zbyt duża ilość octu w diecie jest szkodliwa. Może dojść do zachwiania równowagi kwasowo – zasadowej co w rezultacie prowadzi do zakwaszenia organizmu. Zmniejsza się wówczas wchłanianie witamin i związków mineralnych, zwiększa natomiast ryzyko kamicy nerkowej. Duże ilości pokarmów bardzo kwaśnych stanowią też obciążenie dla nerek i wątroby. Mocny ocet stosowany bez umiaru może uszkodzić ponadto śluzówkę jamy ustnej i żołądka. Marynat z octem bezwzględnie powinny unikać małe dzieci, kobiety w ciąży, matki karmiące, oraz osoby cierpiące na wrzody żołądka, kamicę nerkową lub też uskarżające się na bóle wątroby.
Głównym problemem w produkcji przemysłowej kwasu octowego jest stworzenie właściwych warunków tlenowych dla hodowli bakterii. Wyróżnia się trzy główne metody produkcyjne:
• Powierzchniową, w której bakterie (np. Acetobacter xylinum) rozwijają się w postaci kożuszka na powierzchni wina, rozlanego do płaskich naczyń lub kadzi fermentacyjnych.
• Wiązaną, w której bakterie są „ związane” z materiałem nośnym, np. rozwijają się na wiórkach z drewna bukowego, wypełniających wysokie kadzie octownicze i omywanych przez cyrkulujący zacier.
• Wgłębną, w której, dzięki wysoce wyspecjalizowanemu systemowi napowietrzania zacieru, rozmnażanie bakterii zachodzi nie tylko na powierzchni, ale i w całej masie zacieru, np. w specjalnym fermentatorze, tzw. Acetatorze Fringsa.
Szkodliwe działanie bakterii octowych
Bakterie octowe mogą powodować wiele wad w gotowym piwie lub winie, wywołując zmętnienie, kwaśnienie, zapach octu, kożuch na powierzchni. Mogą one także powodować psucie się marynat owocowych i warzywnych, tworząc kożuch na powierzchni i obniżając kwasowość środowiska. Bakterie octowe powodują również zakłócenia w produkcji drożdży piekarskich, ponieważ brzeczka melasowa jest dobrym środowiskiem do ich rozwoju.
Karolina Bombolewska
Literatura:
1. Silva F.L.H., Rodrigues M.I., Maugeri F., 1999.Dynamic Modelling, Simulation and Optimization of an Extractive Continuous Alcoholic Fermentation Process. J. Chem. Technol. Biotechnol., 74, 176-182.
2. Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L., 2008. Biochemia. Wyd. Nauk. PWN.
3. Van Loon G.W., Duffy S.J., 2007. Chemia środowiska. Wyd. Nauk. PWN.
4. Bednarskiego W., Repsa A., 2001. Biotechnologia żywności. WNT.
5. http://www.tempeh.info/fermentation/acetic-acid-fermentation
6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC202410/
