Jäsning

Introduktion
När man hör ordet jäsning tänker man främst på jäsning i samband med brödbakning och om man är mer intresserad av alkohol så tänker man kanske snarare på etanoljäsning. Men jäsning kan vara mer än så. Strikt vetenskapligt definieras jäsning som en anaerobisk process (en process som fortgår utan syre) där kemiska ämnen bryts ned under inverkan av mikroorganismer, t ex jästsvampar, mögelsvampar, bakterier till mindre beståndsdelar. Det finns t ex smörsyrejäsning, ättiksyrejäsning och mjölksyrejäsning som alla kan orsakas av olika bakterier. Vinintresserade känner säkert till malolaktisk jäsning som sker i vinet efter etanoljäsningen. I den malolaktiska jäsningen omvandlas vinets skarpa och sura äpplesyra till mjuk och fyllig mjölksyra under inverkan av bakterier.
I etanol- och brödexemplen ovan är jästsvamparna (saccharomyces cerevisiae) mikroorganismerna, socker är det kemiska ämne som bryts ned och koldioxid och etanol de produkter man är intresserade av. Denna text kommer till största del att behandla etanoljäsningen.

Historia
Människan upptäckte, troligtvis av en slump, att druvsaft genomgick en förändring då det förvarats en liten tid. Detta skedde i nuvarande Iran för ca 7000 år sedan. På den tiden samt de efterföljande 6700 åren var man ganska nöjd med att det bildades vin, man brydde sig inte om hur det kunde bildas. Dåtidens människor uppfattade vinjäsningen som en reningsprocess där bottensatsen, som huvudsakligen består av döda jästceller och fasta beståndsdelar som funnits i musten, var orenheter som avsöndrats från druvsaften och det kvarvarande vinet var den förädlade druvsaften.
Under medeltiden kunde det orena dricksvattnet ge upphov till elakartade sjukdomar, men samma vatten användes utan problem till ölbryggning och resulterade inte till några sjukdomar hos de som drack av ölet. Denna högst anmärkningsvärda kvalitetsförbättring gjorde att jäsningen, för utom dess renande egenskaper, även tillskrevs smått magiska och mystiska attribut. Idag vet man att bakterierna i dricksvattnet dog i vörtningsprocessen när vattnet kokades.
Denna bild av jäsningen levde kvar en ganska lång tid. Det var inte förrän på slutet av medeltiden vetenskapsmännen och alkemisterna började undersöka jäsningen mer noggrant.
På den tiden gjorde alkemisterna inte någon större skillnad mellan jäsning och en reaktion som sker under gasutveckling. Alkemisterna ansåg att så vitt skilda reaktioner som metall i en syra (vätgasutveckling) och alkoholjäsning (koldioxidutveckling) var likvärdiga eftersom det bubblade. Gasutvecklingen orsakades enligt alkemisterna av en okänd naturkraft som kallades "fermentum" från latinets fevere som betyder sjuda eller jäsa. Jäsningsförloppet har sedan början tolkats som ett helt mekaniskt förlopp, man hade ingen tanke på att levande organismer kunde var inblandade.
Vid slutet av 1700-talet och framåt tog jäsningsforskningen ny fart med bl a kemister som Lavoisier och Gay-Lussac. Gay-Lussac var den första som framlade en summaformel för alkoholjäsningen

C₆H₁₂O₆ = 2C₂H₅OH + 2CO₂

och den person som myntade det franska ordet "ferment". På 1830-talet föreslogs från många håll att jäsningen skulle orsakas av levande mikroorganismer som livnärde sig på socker och utsöndrade koldioxid och etanol. Dessa teorier baserades sig på att buljong som värmts till 100°C inte ruttnade om den förvarades i flaska med luft som värmts i glödande rör. Liknande experiment med sockerlösningar tydde också på det. Man antog att det var något främmande ämne i luften som sönderdelades vid uppvärmningen och efter sönderdelningen omöjliggjordes jäsning. Vid mikroskopiska undersökningar av jäst som isolerats från jäsande prover upptäcktes att den bestod av små svampliknade växter. Ur dessa iakttagelser föddes "den vitalistiska jäsningsteorin" (från lat. Vita=liv).
Denna teori förkastades omedelbart av kemisterna eftersom det skulle innebära, enligt Liebig, att en organism under loppet av 18 timmar skulle producera 66 gånger sin egen vikt av etanol. Liebig drog slutsatsen att ingen levande organism skulle kunna producera 66 gånger sin egen vikt i exkrementer. Den kända tyska kemisten Wöhler skickade även en karikatyrbild till en tysk kemisk tidsskrift som förlöjligade vitalisternas teori. Bilden föreställde en jästsvamp, formad som en destillationskolv som åt socker och bajsade etanol samtidigt som njurarna utsöndrade koldioxid.
På 1850-talet kontrade vitalisten Louis Pasteur med experiment som visade att jäsningen uteblir om man hindrar jästcellerna att komma i kontakt med sockerlösningen. Pasteur menade att jäsningen var knuten till jästsvampens liv, men hur jästsvamparna verkade kunde han inte förklara.
Ungefär samtidigt som jästsvampsgrälet pågick i den akademiska världen gjordes även framsteg inom enzymkemin, bl a pepsin, ett enzym som bryter ned protein, upptäcktes. I samband med det så presenterades en teori om att jäsningen skulle vara ett resultat av enzymers verkan. Beviset för att det är på det viset presenterades 1897 av Eduard Buchner (1860-1917, Buchner stupade under första världskriget) då han visade att filtrerad "jästsaft" från pressad jäst kunde omvandla socker till etanol lika bra som jästsvampar. Detta experiment innebar Nobelpris till Buchner (1907) och även sista spiken i kistan för den vitalistiska jäsningsteorin.

Jästsvampar
Familjen jästsvampar (saccharomycetaceae) ur klassen säcksporsvampar (ascomycetes) är encelliga mikroskopiska organismer. Det finns ca 500 olika arter av jästsvampar men de som är intressanta från alkoholsynpunkt tillhör släkten saccharomyces ("sockerätande svampar"), speciellt är arten saccharomyces cerevisiae (bagerijäst, öljäst, cerevisia betyder öl på latin) intressant. S. cerevisiae är inte så kräsen av sig. De kan inte ta till vara på soljus som växter utan får sin energi genom att bryta ned organiska molekyler, t ex socker, som finns i omgivningen.
S. cerevisiae förökar inte sig genom delning som bakterier, utan de förökar sig genom knoppning, d v s från huvudcellen bildas en liten knopp eller utbuktning. Knoppen växer sedan och när den blivit lika stor som huvudcellen delas cellkärnan mellan huvudcellen och knoppen. Efter detta separerar knoppen från cellen och en ny jästcell har bildats.
Då S. cerevisiae dör genomgår de autolys, cellens egna enzym börjar bryta ned cellen till enklare beståndsdelar. Detta brukar resultera i en ganska äcklig doft som kan förstöra en vin- eller öljäsning.

Glykolys
Glykolysen (från gr. Glykos = söt och lysis = klyvning) kallas den enzymkatalyserade reaktionsserie som i tio steg bryter ned D-glukos (druvsocker) till två ekvivalenter pyrovat. Glykolysen är nästan en universell reaktionsserie, de flesta djur, svampar och vissa vattenlevande växter kan bryta ned hexoser och utvinna energi. Glykolysens reaktioner sker i cellplasman.
Utgångsämnet är hexosen D-glukos. D-glukos finns naturligt i många frukter och bär så vid vintillverkning behöver druvorna inte genomgå någon förbehandling. Vid whisky- och öltillverkning är D-glukos bundet i form av amylos och amylopektin. För att frigöra D-glukos måste kornen genomgå en mätningsprocess där amylos och amylopektin bryts ned under inverkan av enzymet amylas till maltos, som sedan hydrolyseras under inverkan av enzymet maltas till D-glukos.

Vid romframställning där sockerråvaran är sukros (rörsocker) måste sukrosen hydrolyseras till D-glukos och D-fruktos. Denna hydrolys kan ske med hjälp av enzymet sukras men hydrolysen sker även spontant i en svagt sur vattenlösning. En blandning av D-glukos och D-fruktos kallas även för invertos.

Steg 1, fosforylering av D-glukos.
I glykolysens första steg sker fosforylering av D-glukos under inverkan av enzymet hexokinas:

I reaktionen behöver även hexokinasenzymet en magnesiumjon som katalysator. Steget kan ses som att glykosmolekylen förbereds för de kommande stegen genom att hänga på en fosfatgrupp på molekylen. En molekyl ATP konsumeras även i reaktionssteget. Produkten kallas glukos-6-fosfat.
ATP är en förkortning av Adenosine triphosphate, en "standardiserad energimolekyl" som fyller en mycket viktig roll som energitransportör i organismer. ATP fungerar i princip som en hårdvaluta mellan celler i organismer. ADP är en förkortning av Adenosine diphosphate, dvs en ATP som avgett en fosfatgrupp. ADP innehåller inte lika mycket energi som en ATP.

Steg 2, omvandling av glukos-6-fosfat.
I glykolysens andra steg konverteras glukos-6-fosfat, en fosforylerad aldos, till fruktos-6-fosfat, en fosforylerad ketos, under inverkan av enzymet fosfohexasisomeras.

Fosfohexosisomeras behöver, liksom hexokinas, magnesiumjoner för sin uppgift. Observera att denna reaktion är reversibel, d v s den kan gå åt båda hållen.
Produkten fruktos-6-fosfat kan även erhållas ur motsvarande fosforylering av fruktos så fruktos kan gå in i glykolysen vid steg två.

Steg 3, fosforylering av fruktos-6-fosfat.
I steg tre sker ytterligare en fosforylering under inverkan av enzymet fosfofruktokinas.

Fruktos-6-fosfat bildar fruktos-1,6-difosfat. Även här konsumeras en ATP och magnesiumjoner behövs för kinasets funktion. Detta irreversibla steg är mycket kraftigt beroende av tillgången på ATP. Om det finns riklig tillgång på ATP hämmas kinasenzymets funktion. Om det däremot skulle finnas mycket ADP kommer kinasenzymet istället att aktiveras.

Steg 4. klyvning av fruktos-1,6-difosfat.
I det fjärde steget klyvs fruktos-1,6-difosfat till en dihydroxiactetonfosfat och en glyceraldehydfosfat.

Reaktionen katalyseras av enzymet aldolas. Notera att de båda produkterna är enkla fosforylerade trioser, dihydroxiactetonfosfat är en fosforylerad ketos och glyceraldehydfosfat är en foforylerad aldos.

Steg 5, omvandling av trioser.
I steg nummer fem omvandlas produkterna från steg fyra under inverkan av enzymet triosfosfatisomeras.

Reaktionen är reversibel men det är glyceraldehydfosfat som är den användbara produkten. Eftersom den konsumeras i nästa steg, förskjuts jämvikten åt höger.
Detta steg avslutar den förberedande och energikrävande delen av glykolysen. Följande fem steg kallas för payoff phase på engelska och det är i payoff phase som organismen utvinner energi från glukos i form av ATP.

Steg 6, oxidation av glyceraldehyd-3-fosfat.
I steg nummer sex oxideras glyceraldehydfosfat till 1,3-difosforglycerat under inverkan av enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas och koenzymet NAD.

I reaktionen reagerar glyceraldehydfosfat med oorganiskt fosfat. I reaktionen bildas även NADH och en vätejon. NAD är en förkortning av nikotinamide adenine dinukleotide, ett mycket viktigt och mycket användbart koenzym som finns i alla organismer. Dess funktion är att transportera väte (hydridjoner) till och från olika delar av cellen. NADH/NAD⁺ brukar i svenska biokemiböcker kallas för vätebärare. Den inblandad i nästa alla biologiska reduktion-oxidation reaktioner där ett dehydrogenasenzym är inblandat.
NAD⁺ och NADH är ganska stora molekyler och finns bara i begränsade mängder och för att glykolysen skall kunna fortgå måste det NADH som bildas omvandlas till NAD⁺. Om det av en händelse skulle råda brist på NAD⁺ kommer glykolysen att avstanna men det finns en hel del mekanismer för organismer att bilda NAD⁺ ur NADH.

Steg 7, fosfattransport till ADP
I glykolysens sjunde steg överförs, under inverkan av enzymet fosfoglyceratkinas, energirik fosfat från 1,3-difosfoglycerat till en ADP och bildar en ATP.

Den nya produkten heter 3-fosfoglycerat. Som med alla reaktioner som involverar ett kinas behövs magnesiumjoner för att katalysera reaktionen. I denna reaktion återfås två ATP (energimolekyler) som investerades i steg 1 och 3.

Steg 8, omvandling av 3-fosfoglycerat.
I det åttonde steget omvandlas 3-fosfoglycerat till 2-fosfoglycerat.

Enzymet fosfogyceratmutas katalyserar denna reversibla reaktion som även behöver magnesiumjoner.

Steg 9, dehydrering av 2-fosfogycerat.
I den nionde reaktionen genomgår 2-fosfogycerat en dehydrering till fosfoenolpyrovat.

Denna reversibla reaktion katalyseras av enzymet enolas.

Steg 10, fosfattransport till ADP
I glykolysens tionde och sista reaktionssteg bildas så pyrovat ur fosfoenolpyrovat.

Reaktionen katalyseras av pyrovatkinas med hjälp av mineralen magnesium och kalium. Här bildas även energi i form av ATP.

Sammanfattning av de tio stegen
Sammanfattar man hela glykolysen så får man:
Glukos+2NAD⁺+2ADP+2fosfat = 2 pyrovat+2NADH+2H⁺+2ATP+2H₂O
Så från organismens synvinkel har den brutit ned en glukosmolekyl till 2 pyrovatmolekyler och samtidigt fått två ATP (energi) och 2NADH (användbart koenzym).
För att glykolysen skall ske så smidigt som möjligt under en alkoholjäsning behöver jästsvamparna tillgång till mineraler i form av magnesium-, kalium- och fosfatjoner.

Pyrovatets och NADH:s användning.
För organismer är pyrovat mycket användbart. Det kan t ex användas till att tillverka aminosyror som sedan används till att tillverka proteiner. Men det absolut vanligaste användningsområdet är att det förbränns i en reaktionscykel som kallas citronsyracykeln. Där bildas koldioxid, energi och fler NADH-molekyler.
De NADH-molekyler som bl a bildas i glykolysen och citronsyracykeln omsätts, om det finns syre tillgängligt, i en process som kallas cellandningen. I cellandningen reagerar NADH, vätejoner och syre med varandra och bildar vatten och ATP-molekyler. En NADH-molekyl ger tre ATP-molekyler i cellandningen.
Om syre av en händelse inte skulle finnas tillgängligt kommer NADH-molekyler att ansamlas i organismen och detta leder i sin tur till att glykolysen avstannar och att ATP-produktionen upphör. En organism som inte kan utvinna energi kommer så småningom att dö. För att överleva måste alltså organismen omsätta pyrovat och NADH på ett annat sätt. I naturen finns lyckligtvis flera olika sätt att omsätta NADH vid syrebrist, eller under anaerobiska förhållanden som det även heter (an = nekande förstavelse, aer = luft), bl a mjölksyrejäsning och alkoholjäsning.

Mjölksyrejäsning
Vid mjölksyrejäsning reduceras pyrovat med NADH under inverkan av enzymet laktatdehydrogenas och bildar laktat (mjölksyra).

I reaktionen bildas NAD⁺ som kan användas i glykolysens steg 6 som sedan leder till att mer energi i form av ATP bildas. Jästsvampar (Saccharomyces spp.) producerar inte mjölksyra utan eventuell mjölksyra i vin, öl och mäsk är resultat av bakterier. Det är därför mycket viktigt att sterilisera utrustningen innan jäsningen påbörjas och att döda eventuella främmande mikroorganismer på druvorna med svaveldioxid.
Mjölksyrajäsningen kan ses som en nödlösning för organismer då det råder syrebrist. Vi människor producerar mjölksyra i muskelcellerna då vi utför något intensivt kroppsarbete (syrebrist i musklerna) helt enligt reaktionen ovan.

Etanoljäsning
Andra organismer, t ex jästceller, har löst syrebristproblemet på ett helt annat sätt. Vid syrebrist tillverkar de acetaldehyd ur pyrovat och i nästa steg reduceras acetaldehyden till etanol.

Reaktionerna katalyseras av pyrovatdekarboxylas tillsammans med magnesiumjoner och TPP (thiamine pyrophophate, ett koenzym) och enzymet alkoholdehydrogenas. Helt analogt med mjölksyrejäsningen bildas NAD⁺ i reduktionen.
Etanoljäsningen är liksom mjölksyrejäsningen en nödlösning som organismer använder så det råder syrebrist. Under en etanoljäsning är det viktigt att mäsken inte utsätts för syre, annars bildas ingen etanol.

Glykolys, en översikt

Etanolytbyte
Rent teoretiskt borde glykolysen och aldehydreduktionen ge utbytet 51,1% etanol och 48,9% koldioxid. Ett kilogram rörsocker ger under helt teoretiskt ideala omständigheter 538,2g etanol motsvarande 700ml 96% etanol och 514,8g koldioxid motsvarande 290 liter koldioxid vid 25°C. I verkligheten är utbytet alls så stort utan bör ligga runt 48% för etanol och 47% för koldioxid beroende på vilka omständigheter som råder under jäsningen (Amerine 1972). Orsakerna till detta är, förutom det helt uppenbara att etanol avdunstar under jäsningen, att det även sker även en del sidoreaktioner i glykolysen som ger andra slutprodukter än etanol.

Sidoreaktioner till etanoljäsningen
Förutom de icke önskvärda produkterna mjölksyra och acetaldehyd som togs upp ovan så sker även en del andra reaktioner som inte är önskvärda. Som även nämndes ovan så är pyrovat ett mycket användbart ämne för organismer så en del pyrovat kan ha använts till att framställa andra, för jästsvampen livsviktiga, ämnen som exempelvis proteiner.

Ättiksyrejäsning
Acetaldehyd som bildas efter pyrovatets dekarboxylering kan även oxideras till acetat eller ättiksyra.

Acetat bildas främst om det finns mycket syre tillgängligt samt om det finns bakterier i mäsken. Enzymet som katalyserar aldehyd heter aldehyddegydrogenas (ALDH) och är det samma enzym som bryter ner aldehyd i människokroppen.

Glyceroljäsning
En av produkterna i glykolysens fjärde steg, dihydroxiactetonfosfat, kan omvandlas till glycerol.

Dihydroxiacetonfosfat dehydreras under inverkan av enzymet alfa-glycerolfofatdehydrogenas. I steget därpå avlägsnas fosfatgruppen och glycerol bildas. I denna reaktion frigörs NAD⁺, precis som i etanolbildnigen, vilket innebär att denna glycerolbildning kan konkurrera med etanolbildningen.
Måttlig glycerolbildning i samband med vinjäsning kan i vissa fall vara ganska uppskattat eftersom det ger en lite fyllig sötma till vinet.

Andra produkter av jäsningen

Finkeloljor
Huvudbeståndsdelarna i finkelolja utgörs av de högre alkoholerna 2-metyl-1-butanol, 3-metyl-1-butanol (båda alkoholerna utgör ca 50-80%) och 2-metylpropanol (isobutanol, ca 20-30%). Dessa tre alkoholer utgör vanligtvis 90% av all finkelolja. Finkeloljorna är inte någon sidoprodukt av glykolysen men de bildas parallellt under jäsningen efter andra mekanismer. Finkeloljorna bildas inte ur kolhydraterna som etanol gör utan de bildas ur aminosyror som sönderdelas enligt en mekanism som kallas Ehrlichmekanismen (Ehrlich pathway). Det finns även experimentella försök som tyder på att finkeloljorna bildas ur aminosyror:
1. Stereokemin hos 2-metyl-1-butanol och isoleucin är bevarad. 2-metylgruppen har samma riktning i rummet.
2. Tillsätter man aminosyrorna valin, leucin och isoleucin till mäsk ökar produktionen av motsvarande finkeloljor (Kodama 2001).
3. Mäter man koncentrationerna av aminosyrorna valin, leucin och isoleucin samt koncentratioerna av finkeloljorna ser man att koncentrationerna av aminosyrorna minskar samtidigt som koncentrationen av motsvarande finkeloljor ökar (Schure 1998, Kodama 2001).
Att Ehrlichmekanismen, som presenterades redan 1907, skulle vara orsaken till att det bildas högre alkoholer under jäsning är en allmänt accepterad idé. Idag pågår det forskning, bl a på olika bryggerier, för att komma på något sätt att minska produktionen av finkeloljorna under jäsningen.
Ehrlichmekanismen sker i stora drag enligt figuren:

En aminosyra (i detta fall leucin) transamineras, aminogruppen ersätts med en syreatom. I reaktionen utgör 2-ketoglutarat och L-glutamin syre- respektive aminotransportörer. I efterföljande steg sker en dekarboxylering, en koldioxidmolekyl "plockas bort" från molekylen. I det sista steget sker en dehydrogenering, helt analogt med dehydrogeneringen som bildar etanol, och alkoholen, 3-metyl-1-butanol, bildas.
Helt analogt genomgår aminosyrorna isoleucin

och valin

liknande processer och bildar 2-metyl-1-butanol och 2-metyl-1-propanol.
Ur jästsvampens synvinkel är Ehrlichmekanismen i själva verket ett sätt att utvinna kväve ur omgivningen samt ytterligare en metod att omvandla NADH som bildades under glykolysen till NAD⁺. De finkeloljor som bildas i är bara biprodukter från denna process. Det går att minska produktionen av finkeloljor genom att förse jästsvamparna med en alternativ kvävekälla, t ex genom att tillsätta ammoniak eller hjorthornssalt till mäsken innan jäsningen.

Metanol
En ganska vanlig förorening i spritdrycker är metanol. I ren form är metanol giftigt men i små mängder kan den orsaka huvudvärk och illamående.
Med utgång från informationen i ovanstående stycke är det lätt att tro att metanol, liksom de andra inte önskvärda alkoholerna, blidas ur någon aminosyra, t ex glycin, via Ehrlichmekanismen enligt:

Men det stämmer inte. Ovanstående reaktion är inte den största källan till metanol i spritdrycker. Det är tveksamt om den överhuvudtaget bidrar med någon metanol alls. Den största källan till metanol i spritdrycker är i stället hydrolys av pektinämnen enligt följande reaktion.

Reaktionen är en helt vanlig esterhydrolys.
Pektin är ett sockerpolymer som finns naturligt i så gott som alla frukter, bär och rotfrukter. Det fyller en mycket viktig funktion som ett klister som håller ihop fruktcellerna och gör frukten fast. Slanggurkor innehåller procentuellt lika mycket vatten som havsvatten men lyckas ändå behålla en fast form tack vare pektin. Rent pektin används ibland vid syltning och vid framställning av geléer eftersom pektin gelatineras då det värms.
Vid vinframställning är däremot pektin en gissel. Vin som inte behandlats med pektinnedbrytande enzymer bildar ofta en ful och osmaklig pektindimma som gör vinet grumligt och oaptitligt.
Rent kemiskt består pektin av olika sockerpolymerer, men den viktigaste av dessa är metylpektat som består av metylgalaktonatpolymerer (galaktonsyrans metylester, galaktonsyra är hexosen galaktos som oxiderats till syra). Då metylpektat sönderdelas hydrolyseras esterbindningarna och galaktonsyra och metanol bildas. Galaktonsyran kan via några reaktioner gå in i glykolysen och bilda etanol men metanolen blir kvar i vinet/mäsken.

Referenser
Svensk Uppslagsbok: jäsning, jästsvampar
Bolin, Iwan., Gustaver, Bror. Den Organiska Kemien 1965, Liber.
Noodapera, Mikk., En liten bok om öl, 1993, Informationsfölaget.
Amerine, Berg, Cruess, The Technology of Wine Making 3rd ed., 1972 AVI.
Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. Principles of Biochemistry 2nd ed.1993 Worth Publishers.
McMurry J. Organic Chemistry 4th ed., 1995 Brooks/Cole Publishing.
Willstaedt, Virgin, Myrbäck, Kemi med biokemi, 1965, Bonniers.
Schure et al. 1998 Appl. Environ. Microbiol. 64(4):1303-1307.
Kodama, Omura, Miyajima, Ashikari, 2001 J. Am. Soc. Brew. Chem. 59(4):157-162.

[Kents Spritskola]
Uppdaterad 2005-08-08
© Kent Persson 2001-2005