Fermentazione acetica

Se una bevanda alcolica prende aria si sa, diventa aceto, questo fenomeno è causato dalla fermentazione acetica, processo metabolico aerobico, che ossida l'etanolo in acido acetico, semplice acido carbossilico. Questa fermentazione viene utilizzata principalmente dai batteri appartenenti alla famiglia degli acetobacteraceae, ma può essere utilizzata dai brettanomyces o da alcuni lattobacilli.

C2H6O + O2 => C2H4O2 + H2O + (energia)

Chiamarla fermentazione è un termine improprio in quanto la produzione di acido acetico avviene per ossidazione dell'etanolo e riduzione dell'ossigeno, come con la respirazione o meglio con la glicolisi aerobica.

Nell'immagine sovrastante [4], è illustrato l'intero processo di fermentazione acetica, che inizia con la deidrogenazione dell'etanolo in acetaldeide ad opera del nostro caro alcool deidrogenasi e la riduzione del PQQ in PQQH2. Questa è la pirrochinolina chinone (pyrroloquinoline quinone) un cofattore redox utilizzato dai batteri per la deidrogenazione e quindi l'ossidazione delle sostanze, in pratica lavora alla stessa maniera della NAD+. 

Dopo la produzione di acetaldeide, questa viene idratata e successivamente ossidata ad acido acetico, per opera dell'acetaldeide deidrogenasi con l'ausilio della PQQ. L'intera reazione di ossidazione si può riassumere nel seguente modo:

Etanolo + 2PQQ + H2O => Acido Acetico + 2PQQH2

Mentre la rigenerazione della PQQ avviene lungo la catena di fosforilazione ossidativa, seguendo la reazione:

PQQH2 + 1/2O2 + 3ADP + 3Pi => PQQ+ + 3ATP + 4H2O

Di conseguenza l'intero processo si può riassumere nel seguente modo:

Etanolo + O2 + 6ADP + 6Pi => Acido Acetico + H2O + 6(ATP + H2O)

A conti fatti questa via metabolica è molto vantaggiosa in quanto per ogni molecola di etanolo se ne producono sei di ATP, ma implica la presenza di ossigeno; ecco perché sia vino che birra se vengono arieggiati troppo possono acquisire lo spunto acetico.

Le altre vie metaboliche degli acetobatteri

Gli acetobatteri non ricavano energia esclusivamente dall'etanolo, in quanto non è facilmente reperibile in natura, ma possono utilizzare come fonte tutta una serie di carboidrati come gli esosi (glucosio e fruttosio) e i pentosi (ribosio e xilosio). Questo perché non li scindono attraverso la glicolisi, bensì, utilizzano come la maggior parte dei batteri, la via dei pentosi fosfati 

Questa via metabolica, illustrata sopra [5], è composta da due fasi. Una ossidativa, a sua volta composta da tre passaggi enzimatici atti a convertire gli esosi in pentosi fosfati; mentre l'altra fase è non-ossidativa, composta da una serie di passaggi enzimatici che permette di avere dal ribulosio-5-fosfato gliceraldeide-3-fosfato e fruttosio-6-fosfato e viceversa.

Quindi la prima fase si potrà riassumere con la seguente reazione:

Glucosio-6-fosfato + 2NADP+ + H2O  => Ribulosio-5-fosfato + 2NADPH-H+ + CO2

Mentre la seconda può essere riassunta nel seguente modo:

3Ribulosio-5-fosfato <=> 

Ribosio-5-fosfato + 2Xilulosio-5-fosfato <=> 

Gliceraldeide-3-fosfato + 2Fruttosio-6-fosfato

In questo processo appare un nuovo cofattore redox la NADP+ (nicotinammina adenin dinucleotide fosfato), la quale si riduce in NADPH-H+ quando deidrogena una molecola, lavorando allo stesso modo della NAD+.

Comunque la via dei pentosi viene utilizzata dagli acetobatteri per la produzione dai carboidrati di gliceraldeide-6-fosfato, come con la glicolisi, e da esso produrre piruvato che andrà ad alimentare il ciclo dell'acido citrico (TCA cycle), come con la respirazione aerobica. 

L'intero processo metabolico di questi batteri è riassunto nell'immagine sottostante [2].

In tutto questo splendido meccanismo c'è un intoppo, se il substrato di crescita degli acetobatteri è ricco di etanolo, gli enzimi che permettono il ciclo dell'acido citrico non vengono sintetizzati e quindi non si ha l'ossidazione del piruvato o dell'acetato in anidride carbonica.

Per ovviare a ciò questi batteri ossidano l'etanolo in acetato, in modo da abbassarne la concentrazione e solo successivamente attivare la sintesi degli enzimi del ciclo TCA e ossidare ulteriormente l'acetato, nel seguente modo:

Acetato + CoA => Acetil-CoA + H2O

Acetil-CoA + 2H2O + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi => 2CO2 + CoA + 3NADH-H+ + FADH2 + ATP

Tutto ciò in presenza di ossigeno e ossidando i cofattori redox attraverso la fosforilazione ossidativa, si avrà:

Acetato + H2O + 5/2O2 + 12(ADP + Pi) => 2CO2 + 5H2O + 12(ATP + H2O)

Quindi una bevanda acetica con il tempo tenderà a diventare acquosa, in quanto l'acido acetico viene ossidato, questo processo è molto lento poiché l'ossigeno deve diffondere nel liquido e tutto dipende dall'area della superficie di contatto tra il liquido stesso e l'atmosfera. Se quest'area è piccola l'ossidazione della bevanda in acetica avverrà lentamente e ancora più tempo ci vorrà per renderla acquosa, ciò spiega perché il collo di bottiglie e damigiane è tendenzialmente stretto. Mentre se si vuole produrre dell'aceto bisogna aumentare la superficie di contatto e una volta prodotto va imbottigliato.

Fermentazione acetica dei brettanomyces

Come detto all'inizio oltre agli acetobacter esistono i brettanomyces che sono in grado di fermentare il glucosio in acido acetico. Secondo la seguente formula [1]:

Glucosio + bO2 => aBiomassa + cCO2 + (-0.6b + 0.569)Etanolo + (0.6b + 0.022)Acetato

Quindi come si può osservare nell'immagine accanto [3] si possono avere vari processi metabolici dei brettanomyces e nella parte sottostante si ha un grafico che mostra le condizioni le condizioni in cui avvengono le varie vie metaboliche.

Come con i saccaromyces in condizioni aerobiche  possono utilizzare il TCA per produrre energia e moltiplicarsi. Con il consumo di ossigeno e quindi con l'avvicinarsi delle condizioni anaerobiche la cellula inizia a fermentare etanolo e parallelamente  acido acetico attraverso l'acetaldeidei deidrogenasi.

Acetaldeide + H2O + NADP+ 

=> Acetato + NADPH-H+

Una volta passati dalle condizioni aerobiche a quelle anaerobiche la cellula di brettanomyces inizia la fermentazione alcolica fino al completo consumo degli zuccheri del substrato.

Bibliografia

[1] Aguilar Uscanga M. G., Délia M.-L., Strehaiano P.; Brettanomyces bruxellensis: effect of oxygen on growth and acetic acid production; 14 January 2003 Springer-Verlag 2003;

[2] Kazunobu Matsushita, Hirohide Toyama, Naoto Tonouchi, Akiko Okamoto-Kainuma; Acetic Acid Bacteria; Springer; 2016;

[3] Steensels J., Daenen L, Malcorps P., Derdelinckx G, Verachtert H., Verstrepen K. J.; Brettanomyces yeasts—Fromspoilage organisms to valuable contributors to industrial fermentations; 2015 Published by Elsevier B.V.;

[4] http://lamanna-antonino-chimica.weebly.com/fermentazione-acetica.html;

[5] https://www.tuscany-diet.net/2018/09/01/pentose-phosphate-pathway/.

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