Microorganismos e Indústria Alimentar; Fermentação; Actividade Enzimática

A interacção entre microorganismos e alimentos tem como consequências:

a produção de certos alimentos com características específicas, como resultado de processos de fermentação;

a deterioração dos alimentos, que se tornam impróprios para consumo humano, como resultado da utilização dos nutrientes para o crescimento dos próprios microorganismos.

A indústria alimentar tem em conta a relação entre microorganismos e alimentos através das seguintes intervenções:

utilização de microorganismos na produção de certos alimentos, por fermentação;

utilização de microorganismos como fonte de enzimas para o processamento de alimentos;

desenvolvimento e aperfeiçoamento de métodos de conservação de alimentos que retardam a sua deterioração devido à actividade de microorganismos ou outros factores;

desenvolvimento de técnicas de melhoramento de alimentos ou de produção de novos alimentos.

Fermentação

Fermentação – processo anaeróbio em que ocorre a produção de ATP, a partir de compostos orgânicos, numa série de reacções redox, que não envolvem uma cadeia transportadora de electrões. A fermentação envolve menores ganhos energéticos já que apenas se formam 2 moléculas de ATP por molécula de glicose, enquanto que na respiraçãoaeróbia se formam 36 ATP.

Etapas da fermentação: Glicólise: a glicose é oxidada e formam-se duas moléculas de ácido

pirúvico. O agente oxidante é o NAD que é transformado em NADH. O saldo energético é de duas moléculas de ATP.

Redução do ácido pirúvico: o ácido pirúvico, ou moléculas orgânicas que se formam a partir dele, são aceptoras dos electrões do NADH, o que permite regenerar o NAD . O NAD pode, assim, voltar a ser utilizado na oxidação da glicose com formação de 2 ATP. Os produtos finais da fermentação dependem da molécula orgânica que é produzida a partir do ácido pirúvico.

Existem vários tipos de fermentação, o que depende da molécula orgânica que é aceptora do hidrogénio na fase de redução do ácido pirúvico.

Tipo de Fermentação/Principai

s CaracterísticasUtilização na Produção de Alimentos

Fermentação alcoólica:- É realizada por leveduras;- O ácido pirúvico é convertido em etanol e CO2 em duas etapas:1ª - O ácido pirúvico é descarboxilado e forma-se acetaldeído;2ª - O acetaldeído é reduzido pelo NADH a etanol.

Pão:- A fermentação é realizada pela levedura Saccharomyces cerevisiae e a temperatura favorável é de 27ºC.- O amido da farinha é hidrolisado em açucares simples e posteriormente transformado em CO2 e etanol. O CO2 é o produto desejado, uma vez que faz crescer a massa, dando ao pão uma textura porosa.- A fermentação inicia-se com a adição das leveduras (fermento de padeiro) e termina quando o calor do forno as mata. O calor provoca a expansão do gás, a evaporação do álcool e dá estrutura ao pão.

Vinho:- A fermentação do açucar de uvas é realizada por leveduras, principalmente do tipo Saccharomyces cerevisiae, que existem na casca das uvas.- As uvas são colhidas, esmagadas e tratadas com compostos de enxofre, que inibem o crescimento de microorganismos competidores das leveduras. As uvas esmagadas formam o most, que inicialmente é mexido para provocar a aerificação e o crescimento das leveduras; posteriormente, é deixado em repouso, o que cria condições anaeróbias favoráveis à fermentação.- O CO2 liberta-se para a atmosfera no decurso da fermentação (o vinho ferve) e a concentração de etanol, que é o produto desejado, vai aumentando. O etanol torna-se toxico para as leveduras quando atinge uma concentração de cerca de 12% e a fermentação termina.

Cerveja:- É fabricada com malte (grãos de cevada germinados e secos), outros materiais ricos em amido (como arroz, milho ou sorgo), lúpulo, água e leveduras das espécies Saccharomyces cerevisiae ou Saccharomyces carlsbergensis.- Antes de iniciar a fermentação provoca-se a sacarificação (produção de açucares simples a partir do amido) na mistura de cereais. Durante a fermentação, as leveduras convertem os açucares em etanol e CO2 e pequenas quantidades de glicerol e ácido acético. O CO2 é libertado e o álcool atinge uma concentração de cerca de 3,8% do volume.- Após a fermentação, a cerveja é armazenada durante alguns meses, durante os quais ocorre a precipitação de leveduras, proteínas e outras substâncias indesejáveis. Por fim, a cerveja é carbonatada, clarificada, filtrada e engarrafada.

Fermentação Láctica:O ácido pirúvico é directamente reduzido a ácido láctico pelo NADH.

Queijo:Vários tipos de queijo são produzidos por fermentação levada a cabo por diferentes espécies de bactérias pertencentes aos géneros Propionibacterium, Lactobacillus, Streptococcus e Leuconostoc, em culturas puras ou mistas. As bactérias produzem ácido láctico e outras

Tipo de Fermentação/Principai

s CaracterísticasUtilização na Produção de Alimentos

A fermentação homoláctica produz grandes quantidades de ácido láctico.A fermentação heteroláctica leva à produção de outras substâncias, para além do ácido láctico, como CO2, etanol e ácido acético.

substâncias que contribuem para o aroma. O aumento da acidez provoca a coagulação das proteínas do leite.

Iogurte:Produzido por uma cultura mista de Lactobacillus bulgaricus e Streptococcus termophilus.

Outros produtos lácticos fermentados:- Leites fermentados como Kefir e Kumiss.- Alimentos probióticos fermentados por bifidobactérias e Lactobacillus casei imunitass.

Fermentação acética:É assim designada devido às características do produto obtido, no entanto, não é uma fermentação, mas uma oxidação.

Vinagre:-É obtido a partir de materiais contendo açucar ou amido, como sumo de fruta, vinho ou cereais.- A sua produção compreende duas etapas:1ª – Fermentação do açucar que é convertido em etanol – processo anaeróbio realizado por leveduras.2ª – Oxidação do etanol a ácido acético. Reacção aeróbia realizada por bactérias acéticas dos géneros Acetobacter e Glucanobacter.

Actividade Enzimática

Metabolismo Celular – conjunto de reacções químicas que ocorrem numa célula. É através do metabolismo que é feita a gestão de recursos materiais e energéticos da célula. O metabolismo celular inclui reacções de:

Catabolismo – moléculas complexas são convertidas em moléculas mais simples, com libertação de energia.

Anabolismo – síntese de moléculas complexas a partir de moléculas simples, com gasto de energia.

As reacções de catabolismo e anabolismo relacionam-se de tal forma que a energia libertada pelas primeiras é utilizada nas segundas.

Para que ocorra uma reacção química, tem de se verificar a ruptura de ligações químicas nas moléculas dos reagentes e a formação de novas ligações químicas que dão origem aos produtos de reacção. A energia necessária para uma reacção química se iniciar é a energia de activação (Ea).

A absorção de energia torna as moléculas dos reagentes instáveis, aumenta a sua energia cinética e a probabilidade de colidirem e aumenta a agitação dos átomos, enfraquecendo as ligações entre eles; atinge-se um estado de transição a partir do qual a reacção química é iniciada.

Nas células, ocorrem reacções químicas que envolvem moléculas muito estáveis e cuja Ea é elevada. No entanto, não pode ser o calor a fornecer a Ea, uma vez que causaria a desnaturação das proteínas e a morte celular, e as reacções têm de ser rápidas.

Uma reacção não catalisada depende do choque aleatório entre os reagentes. Como uma enzima possui uma estrutura muito específica pode ligar-se ao substrato e diminuir a aleatoriedade.

As células possuem catalizadores – agentes químicos capazes de acelerar as reacções químicas sem serem consumidos durante esse processo.

Estrutura e propriedades das enzimas

As enzimas são catalizadores biológicos que apresentam as seguintes características:

aumentam a velocidade das reacções químicas, pois diminuem a energia de activação necessária para que as reacções se iniciem;

não são consumidas nas reacções químicas que catalizam; são moléculas proteícas, com conformação tridimensional. Algumas

necessitam de elementos não proteícos para a sua acção catalítica; são específicas, devido à sua natureza proteíca.

Na ausência de enzimas, as reacções ocorreriam, mas com velocidades inferiores, o que não suportaria as propriedades da vida como a conhecemos.

Natureza química das enzimas: porção proteíca maioritária (propriedades idênticas às proteínas) –

pode ser total ou então constituir a apoenzima. Cofactores:

o iões metálicos (metaloenzima)o moléculas orgânicas (coenzima)

apoenzima + coenzima = holoenzima

A molécula sobre a qual a enzima actua é o substrato. As enzimas são proteínas com uma conformação tridimensional e

possuem uma região através da qual se estabelece a ligação ao substrato – centro activo.

A ligação do substrato ao centro activo da enzima forma o complexo enzima-substrato. As ligações que se estabelecem no complexo são fracas, mas suficientes para desencadear a conversão do substrato em produtos. Os produtos deixam o centro activo e a enzima fica livre para catalizar a transformação de outro substrato.

Centro activo: É uma pequena porção da enzima; Tem estrutura tridimensional. A alteração da estrutura própria do local

activo produz inactivação enzimática, em consequência da desnaturação proteíca;

Os substratos ligam-se ao local activo por ligações químicas. Os locais activos são fendas ou frestas, onde se cria um microambiente

próprio para o mecanismo de catálise. São altamente específicos. O substrato deve ter uma estrutura

complementar para se ajustar ao local activo.

Muitas enzimas provocam a quebra de ligações nos substratos, enquanto outras promovem a formação de ligações, pois conseguem aproximar correctamente os substratos de modo a que estes reajam e formem uma ligação.

Numa reacção química catalisada por uma enzima, e como resultado da sua actividade, verifica-se ao longo do tempo:

a diminuição da concentração do substrato; a diminuição, seguida de estabilização, da concentração de enzima

livre; o aumento, seguido de estabilização, do complexo enzima-substrato; o aumento da concentração de produto. A estabilização das concentrações de enzima livre e de complexo

enzima-substrato reside no facto da velocidade de formação do complexo enzima-substrato igualar a velocidade de dissociação.

A complementaridade entre o substrato e o centro activo da enzima está na origem da especificidade de acção enzimática. É possível distinguir:

Especificidade absoluta – A enzima actua apenas sobre um determinado substrato;

Especificidade relativa – A enzima actua sobre um conjunto de substratos quimica e estruturalmente relacionados.

A especificidade absoluta pode ser interpretada pelo modelo chave-fechadura, proposto por Fisher no final do século XIX, e que considera o centro activo da enzima uma estrutura rígida e pré-complementar do substrato.

Em 1959, Koshland propôs o modelo de encaixe induzido, que considera que o centro activo da enzima interage, de uma forma dinâmica, com o substrato, ajustando-se a ele quando se estabelece a ligação. Este novo modelo permitiu explicar a especificidade relativa de algumas enzimas.

Inibição Enzimática

Inibidor – composto que se liga à enzima e que afecta negativamente a sua actividade. Pode ser:

natural – utilizado pelas células para regularem o seu metabolismo. artificial – usado para combater doenças, eliminar pestes, estudar

laboratorialmente as enzimas, indústria alimentar...

Tipos de inibição enzimática: Inibição irreversível – o inibidor combina-se permanentemente com a

enzima, através de ligações covalentes, tornando-a inactiva ou provocando a sua destruição. Muitos venenos são inibidores

enzimáticos irreversíveis, como é o caso do DDT, que inibe enzimas do sistema nervoso.

Inibição reversível – o inibidor combina-se temporariamente com a enzima, através de ligações fracas, e, quando se dissocia, a enzima permanece funcional e capaz de transformar o substrato. A inibição pode ser:

Inibição competitiva – o inibidor é uma molécula estruturalmente semelhante ao substrato, mas resistente à acção da enzima, e que compete com o substrato pelo centro activo da enzima. O efeito da inibição sobre a velocidade da reacção depende da concentração relativa de substrato e de inibidor. Aumentando a concentração de substrato, aumenta também a probabilidade de se estabelecerem ligações entre o substrato e a enzima em vez de se estabelecerem ligações entre o inibidor e a enzima.

Inibição não competitiva ou alostérica – o inibidor é uma molécula estruturalmente diferente do substrato e liga-se à enzima num local que não é o centro activo e se designa centro alostérico. A ligação do inibidor ao centro alostérico provoca a alteração da conformação do centro activo, de tal modo que impede a ligação do substrato. A inibição não competitiva é utilizada na regulação das vias metabólicas.

Indução – aumento da actividade da enzima por ligação com compostos indutores que promovem mudanças no centro activo da enzima que facilitam a ligação deste com o substrato.

Factores que influenciam a actividade enzimática

Temperatura: Todas as enzimas são activas num determinado intervalo de

temperatura.o Dentro desse intervalo, a actividade enzimática aumenta,

inicialmente, com a temperatura, dado que as colisões entre o substrato e o centro activo da enzima se tornam cada vez mais frequentes.

o A actividade enzimática é máxima à temperatura óptima.o Acima da temperatura óptima, a actividade enzimática diminui

rapidamente, uma vez que a agitação térmica dos átomos desestabiliza as ligações químicas e a conformação da molécula altera-se. A enzima sofre desnaturação, ao que corresponde uma perda de actividade biológica permanente.

Ao contrário das temperaturas elevadas as baixas temperaturas causam a inactivação das enzimas, mas não as destroem, e a actividade é retomada para valores de temperatura mais elevados.

A maioria das enzimas humanas tem uma temperatura óptima de actuação de 37ºC.

pH : As enzimas têm um pH óptimo de actuação, acima e abaixo do qual a

sua actividade acaba por cessar. O pH do meio influencia a conformação do centro activo da enzima e, consequentemente, a sua

interacção com o substrato. Nas enzimas humanas, o pH óptimo relaciona-se com o pH do meio em que actuam.

Concentração de substrato : O aumento da concentração de substrato é acompanhado do aumento

da actividade enzimática, desde que haja enzima disponível. No entanto, para uma concentração fixa de enzima, a actividade

enzimática aumenta com a concentração do substrato até se atingir a saturação da enzima (todos os centros activos estão ocupados) e depois a actividade enzimática estabiliza, uma vez que a taxa de formação de novas ligações ao substrato é igual à taxa de separação dos produtos.   

  Para as enzimas alostéricas, mediante um aumento pouco significativo

da concentração de substrato, a actividade da enzima não sofre alterações de destaque, mas, quando a quantidade de substrato aumenta, a enzima torna-se sensível, pois a ligação do substrato a algumas subunidades provoca modificações na estrutura destas, facilitando a ligação do substrato aos centros activos.   

   O traçado do gráfico da velocidade de reacção em função da concentração do substrato é uma semi-parábola com a concavidade voltada para baixo.

   Para as enzimas alostéricas o traçado é diferente, e aparece com uma forma sigmoidal (S).

  Concentração de enzima : Aumentando a concentração da enzima, aumenta a velocidade da

reacção desde que haja substrato disponível.

Presença de inibidores :A presença de inibidores diminui a actividade enzimática. Os efeitos dependem do tipo de inibição:

Inibição irreversível – o aumento da concentração de inibidor é acompanhado pela diminuição da actividade enzimática, uma vez que os centros activos da enzima vão ficando permanentemente ocupados.

Inibição reversível competitiva – o aumento da concentração de substrato permite aumentar a actividade enzimática, dado que cada vez mais centros activos passam a ser ocupados pelo substrato.

Inibição reversível não competitiva – a actividade enzimática diminui com o aumento da concentração do inibidor e o aumento da concentração do substrato não tem qualquer efeito.

O Papel das Enzimas nas Vias Metabólicas

Vias Metabólicas: sequências ordenadas de reacções químicas catalizadas por enzimas, nas quais o produto de uma reacção química funciona como substrato da reacção química seguinte, até à obtenção do produto final.

O conjunto de enzimas que cataliza os diferentes passos de uma via metabólica designa-se complexo multienzimático ou cadeia enzimática. As enzimas actuam sequencialmente, de tal modo que o produto da primeira enzima é o substrato da enzima seguinte, e assim sucessivamente.

As vias metabólicas são, geralmente, reguladas por moléculas que se comportam como inibidores reversíveis não competitivos. Estas moléculas ligam-se a um centro alostérico da primeira enzima da via metabólica e alteram a sua conformação. O resultado dessa alteração pode ser a inibição ou a activação da enzima.

Frequentemente, é o produto final de uma via metabólica, quando se acumula em excesso, que inibe a primeira enzima, por ligação ao centro alostérico. Quando a concentração de produto final diminui, este liberta-se do centro alostérico e a enzima retoma a actividade, fazendo aumentar de novo a concentração do produto final.

A via metabólica é, assim, controlada por retroalimentação negativa, o que permite à célula poupar recursos não sintetizando uma substância que existe em quantidade suficiente.

U4 - Produção de Alimentos e Sustentabilidade