Ihr liebstes/meistgehasstes saures Lebensmittel verbirgt das Geheimnis, wie das Leben Energie gewinnt

Lebensmittel, die nicht richtig gelagert werden, können leicht verderben und beim Verzehr Durchfall verursachen.

Wenn Sie nicht duschen, werden Sie sauer und stinken.

Was macht Essen sauer? Wie produzieren Mikroorganismen Säure? Warum schmeckt der Mensch sauer?

Geschrieben von Li Qingchao (Shandong Normal University)

Werden Lebensmittel nicht richtig gelagert, verderben sie schnell und entwickeln einen unangenehmen, sauren Geschmack. Allerdings ist es nicht unbedingt etwas Schlechtes, sauer zu werden. Die Menschen bereiten auch gerne saure Speisen zu, beispielsweise Joghurt, Kimchi, Essig usw. Künstliche Fermentation lässt sich bis in die Joghurtherstellung in Nordafrika zurückverfolgen, die bereits 10.000 v. Chr. [1] zurückreicht, und in China wurden bereits 7.000 v. Chr. [2] Hinweise auf die Weinherstellung gefunden.

Was führt dazu, dass Lebensmittel sauer werden? Eines der berühmtesten Beispiele für den Verderb oder die Gärung von Lebensmitteln in der Geschichte ist die Versauerung von Wein. Im „Han Feizi“ aus der Zeit vor Qin wird berichtet, dass Yang Qian, ein Gelehrter aus der Song-Dynastie, die Theorie aufstellte, dass „der Hund wild und der Wein sauer“ sei. Sie sagten, der Hund vor der Weinhandlung sei zu wild gewesen, sodass die Leute Angst hatten, dort Wein zu kaufen, und der Wein sei sauer geworden, weil er nicht verkauft werden konnte.

Wird Wein sauer, wenn er zu lange stehen bleibt? Generell gilt die Meinung, dass Wein umso milder wird, je länger er gelagert wird. Was ist wirklich los?

Durch mikrobielle Fermentation entstehen organische Säuren

Im Jahr 1856 untersuchte der französische Wissenschaftler Louis Pasteur auf Bitten der Eltern eines Studenten auch das Problem der Versauerung von Wein. Pasteur schlug vor, dass der Fermentationsprozess durch lebende Mikroorganismen verursacht wird (Fermentationstheorie). Pasteur entdeckte mithilfe eines Mikroskops, dass bei der normalen Weingärung runde Mikroorganismen (Hefen) vorkommen, während bei der abnormalen Gärung kleinere, stäbchenförmige Mikroorganismen (Bakterien) existieren. Die abnormale Gärung des Weins und die damit verbundene Sauerkeit werden daher durch die Kontamination mit „schlechten“ Mikroorganismen verursacht. Basierend auf diesen Theorien erfand Pasteur die Pasteurisierung (kurzes Erhitzen), um diese Mikroorganismen abzutöten. Dadurch kann verhindert werden, dass der Wein weiter gärt und sauer wird, wodurch seine Lagerdauer verlängert wird.

Heute wissen wir, dass die von Bakterien und Hefen nach dem Abbau von Zucker produzierten Metabolite unterschiedlich sind. Bei der Hefegärung entsteht Alkohol, während bei der bakteriellen Gärung neben Alkohol auch organische Säuren wie Milchsäure und Essigsäure entstehen können. Dies hängt mit den Stoffwechselwegen von Mikroorganismen zusammen. Mit anderen Worten: Die lange Lagerung ist nicht der Grund dafür, dass der Wein sauer wird, und Ihr Körper riecht nicht sauer, weil Sie nicht geduscht haben. Der wahre Übeltäter ist die Fermentation durch bestimmte Mikroorganismen.

Abbildung 1 Pasteur untersuchte das Problem der Sauerwerdung von Wein. Eine normale Gärung wird durch Hefe verursacht, während eine abnormale Gärung durch Bakterien verursacht wird.

Heute weiß man, dass Mikroorganismen Lebensmittel verderben können. Beim Verderben von Lebensmitteln ist Säure eines der ersten Phänomene, die man erkennen kann. Der Mechanismus besteht darin, dass während des Stoffwechselprozesses, bei dem Mikroorganismen Zucker abbauen, um Energie freizusetzen, organische Säuren entstehen. Wir können die Vermehrung von Mikroorganismen durch Lagerung bei niedrigen Temperaturen, Konservierungsmittel, Einlegen, Trocknen usw. hemmen, während Erhitzen Mikroorganismen abtöten kann, um den Zweck der Lebensmittellagerung zu erreichen.

Abb. 2: Durch mikrobiellen Stoffwechsel produzierte organische Säuren. Die Produktion von Essigsäure oder Milchsäure durch Bakterien ist der Hauptgrund dafür, dass Lebensmittel sauer werden, während die Quelle des sauren Schweißgeruchs hauptsächlich von Bakterien produzierte Propionsäure ist. [3]

Wenn wir der Sache jedoch auf den Grund gehen wollen: Produzieren Organismen nicht Kohlendioxid und Wasser, wenn sie Zucker zersetzen? Warum produzieren sie organische Säuren?

Organische Säuren sind Zwischenprodukte der biologischen Oxidation

Der Prozess, bei dem Organismen Glukose vollständig oxidieren, um Energie zu erzeugen, ähnelt der chemischen Reaktion der Glukoseverbrennung, sodass bei der Zersetzung von Zucker Kohlendioxid und Wasser entstehen.

Das Leben ist jedoch kein „Feuer“. Beim Abbau und Stoffwechsel von Zuckern werden diese nicht nur verbrannt, sondern es entstehen auch Energie und Zwischenprodukte. Die Energie zirkuliert in Form von ATP (Adenosintriphosphat) und kann für verschiedene Lebensaktivitäten genutzt werden. während die Zwischenmetaboliten zur Synthese anderer wichtiger Substanzen wie Aminosäuren, Ribose, Fett usw. verwendet werden können.

Abbildung 3 ATP ist die universelle Energiewährung aller Lebewesen.

Im Gegensatz zu heftigen Redoxreaktionen wie Verbrennung und Explosion handelt es sich bei der biologischen Oxidation in lebenden Organismen um eine schrittweise, kontrollierbare, relativ langsame chemische Reaktion, die durch Enzyme katalysiert wird.

Abbildung 4 Im Gegensatz zu chemischen Reaktionen wie der Verbrennung verläuft die biologische Oxidation schrittweise und kontrollierbar.

Bei einer Redoxreaktion verliert das Reduktionsmittel Elektronen und das Oxidationsmittel gewinnt Elektronen. Der allmähliche Oxidationsprozess organischer Stoffe kann intuitiv als ein Prozess der Sauerstoffanreicherung und Dehydrierung verstanden werden. Bei der biologischen Oxidation werden diese Prozesse vollständig entwickelt und entfernt: Der Oxidationsprozess organischer Stoffe erfordert mehrere Schritte der Sauerstoffanreicherung, Dehydrierung und Decarboxylierung, die übertragen und entfernt werden müssen.

Wo ist die Säure? Aus Glucose entsteht durch Glykolyse Pyruvat. Pyruvat wird in Acetyl-CoA umgewandelt und tritt dann in den Tricarbonsäurezyklus (TCA oder Zitronensäurezyklus) ein, um zahlreiche organische Säuren zu produzieren. Die Zwischenmetaboliten des Tricarbonsäurezyklus sind für Organismen sehr wichtig. Unter ihnen ist Zitronensäure als das erste essbare Säuerungsmittel bekannt und wird in der Lebensmittelindustrie häufig verwendet. Es handelt sich um die weltweit am häufigsten durch biochemische Methoden (Fermentation) hergestellte organische Säure mit einer jährlichen Produktion von Millionen Tonnen und um eines der Grundprodukte der Fermentationsindustrie [4].

Abbildung 5 Krebs-Zyklus.

Mit der Übertragung und Weitergabe von Elektronen geht die Aufnahme und Abgabe von Elektronen einher (in der Atmungskette bzw. Elektronentransportkette). Der Elektronentransfer treibt den Transport von Wasserstoffionen gegen den Konzentrationsgradienten an und erzeugt auf beiden Seiten der Membran (einschließlich der inneren Mitochondrienmembran von Eukaryoten oder der Zytoplasmamembran von Prokaryoten) potentielle Protonenenergie (Konzentrationsunterschied). Der durch die potentielle Energie des Protons angetriebene Rückfluss von Wasserstoffionen treibt die Synthese von ATP durch die ATP-Synthase an. Dieser Prozess der Übertragung von Wasserstoff und Elektronen durch die Atmungskette und der Kopplung der ATP-Synthese wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. Der Stoffwechselweg, der die oxidative Phosphorylierung beinhaltet, wird Atmung genannt (Zellatmung; beachten Sie, dass es sich nicht um „Atmung“ im Sinne von Ein- und Ausatmen handelt).

Abbildung 6 Der Prozess der oxidativen Phosphorylierung ist ein Vorgang, bei dem durch Redoxreaktionen erzeugte [H]- und Elektronen allmählich Energie freisetzen und während des Übertragungsprozesses potentielle Protonenenergie erzeugen, wodurch die ATP-Synthase zur Synthese von ATP angetrieben wird.

Der TCA-Zyklus ist ein weit verbreiteter Stoffwechselweg. Warum sind also nicht alle unsere Lebensmittel säurehaltig? Der Grund dafür liegt darin, dass sich die Zwischenprodukte im TCA-Zyklus im Allgemeinen nicht in großen Mengen ansammeln.

Um Produktionsziele zu erreichen, ist es in der Fermentationsindustrie oft notwendig, die Aktivität von Synthasen zu erhöhen und die Aktivität von Abbauenzymen zu verringern, um bestimmte organische Säuren anzureichern. So wird beispielsweise bei der Herstellung von Zitronensäure vorwiegend Aspergillus niger eingesetzt, der die Aktivität der Citrat-Synthase verzehnfachen kann, während die Aktivität anderer Enzyme, die Zitronensäure abbauen (Aconitase, Isocitrat-Dehydrogenase), reduziert wird. Allerdings war der Anstieg des Citratspiegels eher auf eine gesteigerte Biosynthese als auf eine Hemmung des Abbaus zurückzuführen. Darüber hinaus ist die Pyruvat-Carboxylase, die Pyruvat in Oxalacetat umwandelt, auch ein Schlüsselenzym bei der Citratproduktion.

Wie kommt es also zur Säureanreicherung unter Nicht-Produktionsbedingungen?

Organische Säuren sind die Endprodukte der Fermentation

Das Leben erzeugt oder zerstört keine Elemente, sie sind lediglich Transitstationen für den materiellen Stoffwechsel. Lebewesen erzeugen keine Energie aus dem Nichts, sie sind lediglich Konverter, Speicher und Verbraucher von Energie. Ebenso wird das bei der Zersetzung von Zuckern entstehende [H] nicht einfach aus dem Nichts verschwinden, es braucht einen Ort, an den es gelangen kann. Während der oxidativen Phosphorylierung kann [H] schließlich in Sauerstoff umgewandelt werden, um Wasser zu produzieren, ein Prozess, der als aerobe Atmung bezeichnet wird. In Abwesenheit von Sauerstoff kann [H] auch auf oxidierende anorganische Substanzen wie Nitrat und Sulfat oder auf exogene Fumarsäure übertragen werden. Diese Art der Atmung wird anaerobe Atmung genannt.

Was sollen wir tun, wenn [H] nicht in die Atmungskette gelangt und nicht über die Atmungskette auf Oxide übertragen werden kann?

Wenn verhindert wird, dass Acetyl-CoA in den Tricarbonsäurezyklus eintritt, wird mehr [H] produziert. Das während der Glykolyse (Glukose wird in Pyruvat zerlegt) produzierte [H], das nirgendwo hin kann, wird in Zwischenmetaboliten zurückgeführt. Der letztgenannte Stoffwechselweg, der [H] in endogene organische Materie zurückführt, wird als Fermentation (im engeren Sinne) bezeichnet. Fermentation bedeutet hier, dass kein kataboler, Energie erzeugender Prozess der oxidativen Phosphorylierung stattfindet, sondern nur eine Phosphorylierung auf Substratebene stattfindet (ein weiteres neues Konzept, das sich auf die direkte Übertragung von Phosphatgruppen von Substraten auf ADP oder GDP bezieht, um ATP oder GTP ohne die Notwendigkeit einer ATP-Synthase zu produzieren).

Beim Zuckerabbau zur Bildung von Pyruvat entstehen [H] und ATP. Wenn [H] nicht in die Atmungskette gelangt, wird es einen Weg finden, es wieder in Pyruvat oder die Metaboliten von Pyruvat umzuwandeln.

Pyruvat nimmt [H] auf und wird reduziert, wobei Milchsäure entsteht.

Abbildung 7 Reduktion von Pyruvat zu Laktat.

Bei manchen Glucose-Zersetzungsprozessen wird Glucose nicht in zwei Brenztraubensäuren umgewandelt, sondern in einen Zucker mit vier Kohlenstoffatomen (der anschließend in einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen umgewandelt wird) und Acetylphosphat gespalten (HK-Weg). Oder sie wird decarboxyliert, um einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen zu erzeugen, der dann in 3-Phosphoglycerinaldehyd (der dann in Brenztraubensäure umgewandelt wird) und Acetylphosphat gespalten wird (PK-Weg). Pyruvat kann Milchsäure produzieren, während Acetylphosphat [H] aufnehmen kann, um Ethanol zu produzieren, oder oxidiert werden kann, um Essigsäure zu produzieren.

Abbildung 8 Heteromilchsäuregärung, bei der Milchsäure und andere Produkte entstehen.

Wenn Pyruvat zu Acetaldehyd decarboxyliert und dann reduziert wird, entsteht Ethanol.

Abbildung 9 Alkoholische Gärung: Pyruvat produziert Acetaldehyd und nimmt dann [H] auf.

Unter sauerstoffreichen Bedingungen kann Ethanol weiterhin einen unvollständigen oxidativen Stoffwechsel durchlaufen und unter der Einwirkung von Essigsäurebakterien zu Essigsäure oxidiert werden: Ethanol wird zuerst durch Alkoholdehydrogenase zu Acetaldehyd oxidiert, dann wird Acetaldehyd hydratisiert, um Acetaldehydhydrat zu bilden, und schließlich wird letzteres durch Acetaldehyddehydrogenase zu Essigsäure verarbeitet. Darüber hinaus kann Pyruvat im Stoffwechsel von Propionibacterium zu Propionat reduziert werden.

Es scheint, dass organische Säuren eine Art Substanz sind, die bei der mikrobiellen Fermentation leicht entsteht. Warum müssen Menschen die Existenz dieser Substanz wahrnehmen?

Die evolutionäre Bedeutung des sauren Geschmacks

Geschmack kann in der Evolution Überlebensvorteile bringen. Durch das Streben nach angenehmen Geschmäckern und das Vermeiden unangenehmer Geschmäcker können Arten Überlebensvorteile erlangen. So steht beispielsweise der beliebte süße Geschmack für Zucker und Energie, während der unangenehme bittere Geschmack oft auf eine Giftigkeit hinweist. Über den sauren Geschmack wird relativ wenig diskutiert. Dies liegt daran, dass die Vorliebe oder Abneigung gegenüber saurem Geschmack nicht absolut ist. Dabei kommt es auf den Säuregrad und die Kombination mit anderen Geschmacksrichtungen an.

Der saure Geschmack wird durch organische Säuren (einschließlich Milchsäure, Zitronensäure, Äpfelsäure und Essigsäure) und anorganische Säuren (wie Salzsäure, Salpetersäure und Schwefelsäure) verursacht. Bei Wirbeltieren ist der Sinn für den sauren Geschmack evolutionär weitgehend konserviert und Studien haben ergeben, dass fast alle Wirbeltiere – einschließlich primitiver Fische wie Neunaugen – einen Sinn für den sauren Geschmack haben. Im Gegensatz dazu haben einige Vögel ihren Sinn für Süßes verloren und Wale können nichts Bitteres schmecken.

Der saure Geschmack kann Fische daran erinnern, auf den Säure- und Alkalinitätsgehalt des Wassers zu achten. Bei anderen Tieren sind die durch den sauren Geschmack dargestellten Informationen relativ komplex. Saure Früchte sind oft ein Zeichen für Unreife, enthalten aber auch viel Vitamin C. Der saure Geschmack hält Tiere weit weniger vom Fressen unreifer Früchte ab als der herbe und bittere Geschmack.

Eine weitere Bedeutung von „sauer“ ist Gärung. Die Fermentation von Lebensmitteln hat je nach Art des Lebensmittels und dem Bakterienstamm, der die Fermentation verursacht, zwei Auswirkungen. Ein saures Gärprodukt vermischt mit einem fauligen, modrigen Geruch weist in der Regel auf giftige Stoffwechselprodukte hin. Andererseits beherrscht die menschliche Zivilisation auch die Techniken der künstlichen Gärung und Herstellung saurer Köstlichkeiten. Der Grund, warum Menschen reinere, sauer fermentierte Produkte bevorzugen, liegt darin, dass Obst und Gemüse, das hauptsächlich mit Hefe und Milchsäurebakterien fermentiert wird, das Essen oft besser macht – durch die Fermentation entstehen mehr freie Aminosäuren und Vitamine, außerdem werden Ballaststoffe und bestimmte Pflanzengifte abgebaut. Gleichzeitig werden organische Säuren produziert, der pH-Wert sinkt und das Wachstum schädlicher Bakterien wird gehemmt. Darüber hinaus macht der Alkoholgehalt fermentierte Früchte attraktiver. Und auch die Dschungeltiere kennen diese Geheimnisse.

Abbildung 10 Neuseeländisches Tier des Jahres 2018: Eine betrunkene neuseeländische Ringeltaube hängt kopfüber in einem Baum.

Das Wetter ist heiß, achten Sie also auf Ihre Ernährung.

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