fermentazione

L’insieme dei processi mediante i quali molti microrganismi per la produzione dell’energia necessaria alle loro attività metaboliche utilizzano l’energia chimica prodotta dalla demolizione del glucosio o di altri substrati fermentescibili.

Generalità

Ogni f. è caratterizzata dal substrato fermentescibile, dal microrganismo (o dai microrganismi) che la compie e specialmente dai prodotti terminali.

Substrati. - I substrati più comunemente usati per le f. anaerobiche sono gli zuccheri a sei atomi di carbonio, in particolare D-glucosio, ma alcuni batteri possono ottenere energia metabolica mediante la f. di pentosi, acidi grassi e amminoacidi. Mediante la trasformazione delle sostanze che essi fermentano, i microrganismi della f. traggono l’energia necessaria per l’accrescimento e la moltiplicazione.

Esigenze colturali. - I terreni sui quali vengono seminate le colture dei microrganismi per assicurarne lo sviluppo o per sopperire ai loro fabbisogni energetici debbono contenere, oltre a composti del carbonio, anche azoto, fosforo e componenti secondari. Come fonti di azoto si usano di solito: ammoniaca, sali di ammonio, urea e in qualche caso composti azotati organici (idrolizzati proteici, amminoacidi ecc.). Il fosforo necessario alle funzioni vitali che si esplicano nei microrganismi viene fornito da fosfati (di calcio, di ammonio). Fra le altre sostanze dette secondarie, ma necessarie, sono da ricordare: sali inorganici, tracce di metalli (potassio, magnesio, ferro, rame, cobalto ecc.) e anche piccole quantità di fattori di crescita (vitamine). Queste varie sostanze vengono sciolte in acqua e la soluzione prima dell’uso è sterilizzata.

Prodotti terminali. - La quantità di energia che si libera nelle trasformazioni chimiche fermentative è relativamente piccola e pertanto i microrganismi delle f. devono trasformare molto materiale fermentescibile per soddisfare le loro esigenze; in conseguenza vi è un forte accumulo di prodotti terminali. Questo fatto costituisce il principio dell’utilizzazione di numerosi processi fermentativi nelle tecnologie alimentari (produzione di bevande alcoliche, maturazione naturale o artificiale di alcuni formaggi). I microrganismi compiono le f. mediante enzimi in essi contenuti; pertanto è possibile ottenerle usando semplicemente gli enzimi estratti dai microrganismi stessi. Tuttavia per scopi pratici è in genere più conveniente usare microrganismi vivi.

Classificazione

Una classificazione razionale delle numerose f. note è certamente difficile; tradizionalmente le f. si dividono in aerobiche, che si svolgono con l’intervento obbligato dell’ossigeno, e anaerobiche, che si svolgono senza l’intervento dell’ossigeno. Una classificazione più moderna individua tre differenti gruppi di f. a seconda della specifica destinazione: sintesi di quantità insolitamente elevate di un metabolita generale, produzione di composti particolarmente complessi, trasformazione selettiva di substrati.

F. aerobiche od ossidative. -  Nelle f. aerobiche il substrato fermentescibile spesso non è un carboidrato e le trasformazioni chimiche che esso subisce possono non essere di tipo demolitivo, ma consistere in semplici ossidazioni; particolare interesse è stato rivolto all’utilizzazione di idrocarburi (per la produzione, per es., di acido citrico, di acido glutammico, di proteine ecc.).

F. anaerobiche o anossidative. - Una rassegna panoramica delle più note f. anaerobiche può compendiarsi sinteticamente se fra parentesi si indicano i principali prodotti ottenuti: f. acetonbutilica (acetone, alcol butilico, H₂ e CO₂); f. alcolica (alcol etilico e CO₂); f. butirrica (acido butirrico, acido acetico, H₂ e CO₂); f. eterolattica (acido lattico, acido acetico, alcol etilico, mannite e CO₂); f. etilacetonica (acetone, alcol etilico, H₂ e CO₂); f. etilbutilenglicolica (alcol etilico, butilenglicole, H₂ e CO₂); f. etilbutilica (alcol etilico, alcol butilico, H₂ e CO₂); f. glicerica (glicerina, aldeide acetica, alcol etilico e CO₂); f. isopropilbutilica (alcol isopropilico, alcol butilico, H₂ e CO₂); f. omolattica (acido lattico); f. propionica (acido propionico, acido acetico e CO₂).

Dal punto di vista dei meccanismi biochimici attraverso i quali decorrono i processi fermentativi, un cenno particolare merita la f. alcolica, per l’importanza delle applicazioni e per l’interesse intrinseco dello studio. Con la f. alcolica si ha la trasformazione di glucosio in alcol e anidride carbonica attraverso la reazione globale C₆H₁₂O₆→2CO₂+2 C₂H₅OH. La f. alcolica è costituita da una sequenza di reazioni che, fino alla reazione che porta alla formazione di acido piruvico, sono identiche alle reazioni della glicolisi (➔). Successivamente l’acido piruvico viene decarbossilato ad acetaldeide e, per azione dell’enzima alcoldeidrogenasi, si ha riduzione dell’acetaldeide ad alcol etilico, che è il prodotto ultimo del processo fermentativo.

Impiego

Con processi di f. si ottengono su scala industriale (oltre ai prodotti da tempo preparati quali le bevande alcoliche) molti amminoacidi (acido glutammico, lisina ecc.), la gran parte degli antibiotici, nucleotidi, prodotti di trasformazione degli steroidi, polisaccaridi, molte vitamine, acidi e alcol (acido citrico, gluconico, lattico, piruvico, etanolo, glicerina ecc.); in taluni casi (per es., produzione di proteine da idrocarburi) i microrganismi stessi, e non i prodotti terminali del loro catabolismo, costituiscono l’effettivo prodotto del processo fermentativo.