Qual è lo scopo dell'esperimento?

Osservazione del processo di respirazione di fermentazione alcolica, mediante l'utilizzo del lievito di birra che agisce sul glucosio.

Sono stati utilizzati i seguenti materiali:

STRUMENTI:

palloncino gonfiabile

VETRERIA:

sei provette

becker

Tubicino di a U con tappo di gomma

COMPOSTI:

• acqua tiepida(H₂O)a circa 30°C
• glucosio C₆H₁₂O₆)
• idrossido di bario(Ba(OH)₂)

ALIMENTI:

• lievito di birra

Si è proceduto nel modo seguente:

INTRODUZIONE

1. IL LIEVITO

Il lievito è una sostanza composta da microrganismi (funghi microscopici unicellulari) in grado di provocare, con gli enzimi da essi prodotti, una fermentazione.

Il lievito può essere:

lievito naturale
se è composto da microrganismi sviluppatisi naturalmente. Questo tipo di lievito, detto anche crescente, lievito di pane o lievito madre, si ottiene con diversi passaggi da un pezzo di pasta fresca di farina, lasciato riposare per circa due settimane alla temperatura di circa 25 °C e nel quale si sviluppano i fermenti dell'aria e della farina stessa che fanno gonfiare l'impasto.

lievito artificiale
se è composto da microrganismi coltivati. Questo tipo di lievito, detto anche lievito di birra a causa del materiale di partenza usato una volta (residui della fabbricazione della birra), viene utilizzato per la panificazione industriale e si ottiene da colture selezionate di Saccaromices cerevisiae coltivate industrialmente.
Il processo di produzione, partendo da melasso unito a sali nutritivi e a lievito madre, porta ad ottenere, attraverso successive fasi di fermentazione e di centrifugazione, il lievito pressato, chiamato così perchè posto in commercio in masse compresse.
Per rendere attivo il lievito occorre la presenza dell'acqua, alla temperatura ideale di 37°C, in quanto superando questa temperatura il lievito muore, mentre se è più fredda non sviluppa.

lievito minerale
se è costituito invece da sostanze chimiche. Questo tipo di lievito si utilizza in pasticceria e viene ottenuto da svariate specie chimiche: durante la cottura esse liberano anidride carbonica che rigonfia la pasta. Molto usati il carbonato di sodio e di ammonio, ed il cremortartaro.

I lieviti naturali e artificiali sono costituiti da funghi appartenenti a diverse classi; i più diffusi sono i saccaromiceti che operano la fermentazione del mosto d'uva (vino) dell'orzo (birra),e la lievitazione del pane. Il lievito di birra è considerato come la più ricca fonte per le vitamine del gruppo B, oltre che di acido folico e di minerali come cromo e zinco, enzimi e aminoacidi. Somministrato per uso dietetico e terapeutico non provoca fermentazione, resiste all'azione degli antibiotici, aiuta il fegato a svolgere la sua funzione, accresce la capacità di assorbimento dei carboidrati e stimola la produzione di anticorpi. E' un buon integratore di: vitamina B1 (tiamina), vitamina B2 (riboflavina), B12, B5, vitamina H, colina, acido folico, niacina, inositolo, zinco e cromo. Coadiuvante tradizionale per: coliti, stipsi, prolungata assunzione di antibiotici, deficienze immunitarie, seborrea, acne, diabete.

2. L'INVERTASI

Il saccarosio è lo zucchero più comune esistente, ha delle caratteristiche particolari: non è un riducente, non forma osazone, non esiste in forme anomere e in soluzione non mostra il fenomeno della mutarotazione; in quanto in (+)-saccarosio non contiene né gruppo aldeidico né gruppo chetonico libero. In idrolisi con acidi diluiti o per azione dell'enzima dell'invertasi forma uguali quantità di D(+)- glucosio e di D(-)-fruttosio; inoltre l'idrolisi comporta una variazione del senso di rotazione dello zucchero, da positivo a negativo (da qui il nome di inversione dello zucchero). La miscela di zuccheri ottenuta prende il nome di zucchero invertito L'invertasi è un enzima che catalizza l'idrolisi di determinati legami glicosidici, si trova nel lievito, nei germogli e nelle foglie di parecchie piante e le api forniscono invertasi infatti lo zucchero invertito è contenuto nel miele.

3. IL GLUCOSIO

zucchero monosaccaride, di formula C₆H₁₂O₆, che si trova, in forma libera o combinata, in tutti gli organismi animali e vegetali. Fondamentale nel metabolismo animale, è presente nel sangue, attraverso il quale viene trasportato al fegato dove è trasformato in glicogeno. Si ottiene principalmente per idrolisi di glucosidi naturali. E' un solido bianco cristallino, meno dolce dello zucchero da tavola. In soluzione, ruota a destra il piano della luce polarizzata: di qui il nome di 'destrosio' (dal latino dexter, 'destra'), spesso utilizzato come sinonimo di glucosio. Può cristallizzare in tre forme diverse, ciascuna con potere rotatorio differente. Il glucosio si ottiene per idrolisi di molti carboidrati, fra cui il saccarosio, il maltosio, la cellulosa, l'amido e il glicogeno. Per fermentazione di tipo alcolico, produce alcol etilico e diossido di carbonio. Industrialmente, viene prodotto dall'amido, per idrolisi debolmente acida o, più comunemente, enzimatica. Viene utilizzato prevalentemente come dolcificante nell'industria alimentare, ma si usa anche nella concia delle pelli, nei bagni di tintura e in medicina, per trattare la disidratazione e, quando necessario, per assicurare un corretto apporto energetico all'organismo.

4. L'OSSIDAZIONE DEL GLUCOSIO

• Una visione d'insieme

L'ossidazione del glucosio si compie in due tappe fondamentali: la prima è la glicolisi (scissione del glucosio), che avviene nel citosol, la seconda è la respirazione, nei mitocondri, che a sua volta è suddivisa nel ciclo di Krebs e nel trasporto finale di elettroni. Va ricordato che, in ambienti anaerobi, al posto della respirazione si svolge la fermentazione.

LA GLICOLISI.

La molecola di glucosio a sei atomi di carbonio viene scissa in due molecole di acido piruvico a tre atomi di carbonio. Guadagno netto: 2 molecole di ATP e 2 di NADH.

• LA RESPIRAZIONE

Subito dopo le molecole di acido piruvico sono scisse in gruppi acetilici a due atomi di carbonio, che entrano nel ciclo di Krebs.

LA RESPIRAZIONE. Il ciclo di Krebs.

In una serie di reazioni il gruppo acetilico è ossidato a anidride carbonica. Per ogni gruppo vengono ridotti quattro accettori di elettroni (3 NAD + e 1 FAD) e si forma un altro ATP.

LA RESPIRAZIONE. Il trasporto finale di elettroni.

Costituito da una catena di trasportatori di elettroni e di enzimi inseriti nella membrana interna dei mitocondri. Attraverso ciò gli elettroni ad alta energia trasportati dal NADH nella glicolisi e da NADH e FADH2 nel ciclo di Krebs arrivano all'ossigeno. L'energia liberata viene usata per pompare i protoni (ioni H+) fuori dalla matrice mitocondriale. Questo crea un gradiente di energia potenziale attraverso la matrice mitocondriale interna. Quando, nel rifluire nella matrice secondo il gradiente, i protoni passano attraverso il complesso ATP-sintetasi, l'energia liberata promuove la formazione di ATP a partire da ATP+P.

Guadagno totale: 30-32 ATP.

• LA FERMENTAZIONE

In assenza d'ossigeno, l'acido piruvico prodotto nella glicolisi è convertito o a etanolo o ad acido lattico tramite il processo di fermentazione. Si rigenera così il NAD+, permettendo alla glicolisi di proseguire producendo una piccola ma essenziale quantità di ATP per l'organismo.

e^- ,H⁺ TRASPORTATORI DI

ELETTRONI

e^- ,H⁺

CICLO DI KREBS

ADP +  P ATP ATP P+ADP

ossigeno

Glucosio Acido

Piruvico e^-

GLICOLISI

no ossigeno ADP+P  ATP e^-

Acido lattico

o etanolo

TRASPORTO FINALE DI

FERMENTAZIONE ELETTRONI

5. LA RESPIRAZIONE

Con la digestione degli zuccheri e con il successivo assorbimento, il glucosio è distribuito dal sangue alle cellule che ne abbisognano per ricavarne energia. Per avere a disposizione questa energia le cellule lo "bruciano" combinandolo con l'ossigeno (O₂): le sostanze che si formano, prive di energia utile per l'organismo, sono l'acqua e l'anidride carbonica. Il processo chimico che eroga l'energia del glucosio è la respirazione cellulare o respirazione interna.

Ogni cellula per compiere la respirazione deve ricevere ossigeno e allontanare il prodotto di rifiuto, l'anidride carbonica (CO₂). L'ossigeno che permette la combustione del glucosio è quello che, entrato nei polmoni, viene catturato dai globuli rossi.

La distribuzione dell'ossigeno e la rimozione dell'anidride carbonica dalle cellule è operata dal sangue che nei condotti periferici a sezione minore, i capillari, rallenta la sua corsa.

Quando, proseguendo la sua corsa, il sangue arriva ai polmoni, scarica l'anidride carbonica e si ricarica di ossigeno che verrà nuovamente distribuito alle cellule.

Il processo di scambio dei gas respiratori tra il sangue e l'ambiente esterno che avviene nei polmoni (a livello degli alveoli polmonari) è la respirazione esterna, denominata anche semplicemente respirazione.

6. LA FERMENTAZIONE

Il termine fermentazione (dal latino fervere= bollire) è dovuto a Pasteur che intese denominare in tal modo le trasformazioni microbiologiche caratterizzate dal tumultuoso ribollire del substrato organico a causa dello svolgersi dei gas si reazione.

La più tipica fermentazione è quella alcolica in cui il mosto sembra bollire per lo svolgersi di anidride carbonica che, insieme all'alcol etilico, è uno dei prodotti della trasformazione dello zucchero contenuto nell'uva.

Il termine fermentazione inizialmente ebbe quindi un significato molto ristretto; sia attribuiva soltanto ad un processo anaerobico a carico di uno zucchero, dalla degradazione del quale si formavano particolari prodotti di reazione che davano il nome alla fermentazione. La fermentazione cioè era un processo anaerobico che demoliva solo parzialmente uno zucchero. 

I microrganismi presenti nel processo venivano chiamati "fermenti" e ad essi, in quanto esseri viventi, si attribuiva la responsabilità della trasformazione chimica avvenuta. Gli studi e le ricerche successive portarono a concludere che responsabili delle trasformazioni chimiche erano gli enzimi. Si scoprì inoltre che alcuni processi respiratori, cioè ossidativi, non portavano uno zucchero alla completa degradazione, ma si fermavano a stadi intermedi, dando dei prodotti che si accumulavano e che potevano venire isolati. Si estese pertanto, anche a queste reazioni microbiologiche, il nome di fermentazioni e si chiamarono aerobiche od ossidative, in contrapposizione alle originarie fermentazioni che furono chiamate anaerobiche o anossidative.

Fermentazione alcolica. È la più importante delle fermentazioni anaerobiche. Essa avviene sotto l'azione del corredo enzimatico dei lieviti, varietà di funghi microscopici che soddisfano il proprio fabbisogno energetico, decomponendo substrati di tipo glucidico; appartengono al genere Saccharomyces. Essi sono in grado di trasformare una molecola di glucosio in una di anidride carbonica ed una di alcol etilico.

In effetti la fermentazione non avviene in un solo stadio, ma consiste in una serie altamente organizzata di trasformazioni chimiche che dal glucosio portano all'anidride carbonica e all'alcol etilico. L'andamento della fermentazione può riassumersi nei seguenti passaggi chiave, ognuno catalizzato da un particolare enzima: fosforilazione del glucosio, scissione del esoso in due molecole di trioso, formazione di acido piruvico, formazione di acetaldeide, formazione di alcol etilico e anidride carbonica. Tutti questi passaggi sono utili al microrganismo, che in tal modo si procura l'energia necessaria allo svolgimento delle sue funzioni vitali.

Industrialmente la fermentazione alcolica viene usata, oltre che per la produzione di vino e birra dal mosto d'uva e da quello del malto d'orzo, anche per la produzione di alcol etilico partendo da materiali zuccherini come i melassi di barbabietola o da cereali o sostanze amidacee come riso, avena, patate, ecc., o addirittura da mosti di legno, previa idrolisi acida che trasforma l'amido o la cellulosa in monosi fermentescibili.

PRIMO ESPERIMETO: RESPIRAZIONE-FERMENTAZIONE

procedimento: una soluzione di lievito (disciolto in acqua tiepida (circa 30°C)) e una di glucosio sono state versate in una provetta collegata tramite un tubicino a U immerso in una soluzione contenente idrossido di bario(Ba(OH)₂). L'esperimento si può dividere in due fasi:

PRIMA FASE: RESPIRAZIONE Nel sistema formato dalle due provette collegate da una tubo a U, si verifica respirazione fino a quando non esaurisce l'ossigeno contenuto nella prima provetta. La reazione è:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ -> 6 Co₂ + 6 H₂O

SECONDA FASE: FERMENTAZIONE Quando esaurisce l'ossigeno inizia la fermentazione alcolica (il glucosio si trasforma in alcool etilico per l'azione dell'invertasi) con la liberazione di Co₂, che reagisce con l'idrossido di bario (Ba(OH)₂), formando acido barico(BaCO₃)(di color bianco)che si deposita sul fondo della provetta. La reazione è:

Ba(OH)₂ + CO₂ -> BaCO₃ + H₂O

SECONDO ESPERIMETO: RESPIRAZIONE

Sono state preparate quattro provette ognuna chiusa con un palloncino per verificare la liberazione di gas.

PRIMA PROVETTA: Contenente glucosio, lievito e acqua .

SECONDA PROVETTA: Contenente lievito e acqua tiepida.

TERZA PROVETTA: Contenente glucosio e acqua tiepida.

QUARTA PROVETTA: Contenente acqua tiepida.

Dopo un giorno:

Il palloncino si è gonfiato solo nella prima provetta perché il lievito ha reagito con il glucosio(trasformato in alcool etilico per l'azione dell'invertasi)liberando CO_2, attraverso il processo di fermentazione alcolica.