Fermentacja glukozy jest jedną z głównych reakcji, dzięki której możliwe jest przygotowanie napojów alkoholowych. Można to przeprowadzić na różne sposoby, w każdym z których powstają poszczególne produkty. Proces ten odgrywa kluczową rolę w wielu dziedzinach naszego życia, od gotowania i wytwarzania produktów wina i wódki po reakcje zachodzące w naszym ciele.
Historia
Proces fermentacji glukozy i innych cukrów był używany przez starożytnych ludzi. Jedli lekko sfermentowaną żywność. Taka żywność była bezpieczniejsza, ponieważ zawierała alkohol, w którym zginęło wiele szkodliwych bakterii. W starożytnym Egipcie i Babilonie ludzie wiedzieli już, jak fermentować wiele słodkich napojów i mleka. Kiedy ludziom pod koniec XVIII wieku udało się lepiej zbadać ten proces, jego rodzaje i możliwości doskonalenia, branże takie jak kwas chlebowy, piwowarski i winiarsko-wódka rosły bardzo jakościowo.
Rodzaje fermentacji
Dziwne, ale ten proces jest inny. Są też rodzaje fermentacji glukozy przez produkty końcowe. Jest więc kwas mlekowy, alkohol, kwas cytrynowy, aceton, masłowy i kilka innych. Porozmawiajmy trochę o każdym typieosobno. Fermentacja kwasu mlekowego glukozy jest głównym procesem przy wytwarzaniu takich produktów jak jogurt, śmietana, kefir, twarożek. Służy również do konserwowania warzyw i pełni kluczową funkcję w naszym organizmie: w warunkach braku tlenu glukoza zamieniana jest w produkt końcowy – kwas mlekowy, który powoduje bóle mięśni w trakcie i po treningu.
Fermentacja alkoholowa różni się tym, że jako produkt końcowy powstaje alkohol etylowy. Występuje za pomocą mikroorganizmów - drożdży. I odgrywa kluczową rolę w gotowaniu, ponieważ oprócz głównego produktu podczas fermentacji alkoholowej glukozy uwalniany jest dwutlenek węgla (to wyjaśnia wspaniałość ciasta drożdżowego).
Fermentacja kwasu cytrynowego zachodzi, jak można się domyślić, wraz z powstawaniem kwasu cytrynowego. Występuje pod wpływem pewnego rodzaju grzyba i jest częścią cyklu Krebsa, który zapewnia oddychanie wszystkich komórek w naszym ciele.
Fermentacja acetonowo-butylowa jest bardzo podobna do fermentacji masłowej. W efekcie powstaje kwas masłowy, alkohole butylowy i etylowy, aceton i dwutlenek węgla. Fermentacja masłowa wytwarza tylko kwas noszący nazwę i dwutlenek węgla.
Teraz przyjrzymy się wszystkim rodzajom bardziej szczegółowo, ale zacznijmy od najbardziej podstawowej - fermentacji alkoholowej glukozy. Wszystkie reakcje i niuanse ich przebiegu zostaną szczegółowo przeanalizowane.
Fermentacja alkoholowa
Powiedzmy trochę więcej o fermentacji glukozy, której równanie to:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Czego można się nauczyć z tej reakcji? Posiadamy dwa produkty: alkohol etylowy i dwutlenek węgla. W związku z tym ostatnim obserwujemy pęcznienie ciasta drożdżowego. A dzięki temu pierwszemu mamy możliwość uzyskania niezapomnianego smaku wina i trunków winnych. Ale w rzeczywistości jest to tylko uproszczone równanie. Całkowita reakcja fermentacji glukozy jest bardziej skomplikowana, więc podzielmy ją trochę.
Istnieje taki proces jak glikoliza. Dosłownie jego nazwa tłumaczy się jako „dzielenie cukru”. Występuje w organizmie, a jej produktem ubocznym jest kwas pirogronowy, a głównym jest trójfosforan adenozyny (ATP), który powstaje podczas tej reakcji z innego związku. Można powiedzieć, że ATP jest nośnikiem energii w organizmie, a tak naprawdę glikoliza służy dostarczaniu naszemu organizmowi energii.
Poruszyliśmy ten proces nie bez powodu. W rzeczywistości fermentacja jest bardzo podobna do glikolizy, ponieważ pierwszy etap jest dla nich dokładnie taki sam. Można nawet powiedzieć, że fermentacja alkoholowa glukozy jest kontynuacją glikolizy. Powstały pirogronian (jon kwasu pirogronowego) jest przekształcany w aldehyd octowy (CH3-C(O)H) z uwolnieniem dwutlenku węgla jako produktu ubocznego. Następnie powstały produkt jest redukowany przez koenzym NADH zawarty w bakteriach. Redukcja prowadzi do powstania alkoholu etylowego.
Tak więc reakcja fermentacji glukozy do alkoholu etylowego wygląda tak:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH służy jako katalizator reakcji, a jon NAD+odgrywa kluczową rolę we wczesnej fazie glikolizy i powstaje pod koniec fermentacji alkoholowej, powraca do procesu.
Przejdźmy do następnego badanego typu reakcji.
Fermentacja glukozy w kwasie mlekowym
Gatunek ten różni się od alkoholu tym, że występuje nie pod wpływem drożdży, ale przy pomocy bakterii kwasu mlekowego. Dlatego mamy zupełnie inne produkty. Fermentacja kwasu mlekowego zachodzi również w naszych mięśniach, gdy ciężko pracujemy i brakuje nam tlenu.
Istnieją dwa rodzaje tego procesu. Pierwsza to fermentacja homofermentacyjna. Jeśli kiedykolwiek słyszałeś przedrostek „homo”, prawdopodobnie rozumiesz, co on oznacza. Fermentacja homofermentacyjna to proces, w którym bierze udział jeden enzym. W pierwszym etapie następuje glikoliza i powstaje kwas pirogronowy. Następnie powstały pirogronian (w roztworze kwas ten może występować tylko w postaci jonów) poddaje się uwodornieniu przy użyciu NADH+H i dehydrogenazy mleczanowej. W efekcie produktem redukcji jest kwas mlekowy, który stanowi około 90% wszystkich produktów otrzymanych podczas reakcji. Związek ten może jednak powstać również w postaci dwójkiróżne izomery: D i L. Te typy różnią się tym, że są swoimi lustrzanymi odbiciami i w efekcie w różny sposób wpływają na nasz organizm. To, który izomer w większym stopniu powstanie, determinuje strukturę dehydrogenazy mleczanowej.
Przejdźmy do drugiego rodzaju fermentacji mlekowej - heterofermentacyjnej. Proces ten obejmuje kilka enzymów i przebiega bardziej złożoną ścieżką. Z tego powodu podczas reakcji powstaje więcej różnych produktów: oprócz kwasu mlekowego znajdziemy tam kwas octowy i alkohol etylowy.
Rozważyliśmy więc fermentację kwasu mlekowego. To proces, dzięki któremu możemy cieszyć się smakiem twarogu, zsiadłego mleka, sfermentowanego mleka pieczonego i kefiru. Podsumujmy i zapiszmy ogólną reakcję fermentacji mlekowej glukozy: C6H12O6=2 C 3H6O3. Oczywiście jest to uproszczony schemat procesu fermentacji homofermentacyjnej, gdyż nawet schemat procesu fermentacji heterofermentacyjnej będzie bardzo złożony. Chemicy wciąż badają fermentację mlekową glukozy i wyjaśniają jej pełne mechanizmy, więc wciąż jest miejsce na ulepszenia.
Fermentacja kwasu cytrynowego
Reakcje tego typu fermentacji zachodzą, podobnie jak w przypadku alkoholu, pod działaniem grzybów określonego szczepu. Pełny mechanizm tej reakcji nie jest jeszcze w pełni poznany i możemy liczyć tylko na pewne uproszczenia. Istnieją jednak sugestie, że początkowym etapem procesu jest glikoliza. Następnie kwas pirogronowy przekształca się wzamienia się w różne kwasy i przechodzi w cytrynowy. Dzięki temu mechanizmowi w medium reakcyjnym gromadzą się inne kwasy - produkty niecałkowitego utleniania glukozy.
Ten proces zachodzi pod wpływem tlenu i ogólnie można go zapisać jako następujące równanie: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Zanim odkryto ten rodzaj fermentacji, ludzie wydobywali kwas cytrynowy wyłącznie przez wyciskanie owoców odpowiedniego drzewa. Jednak kwas ten jest nie więcej niż 15% w cytrynie, więc ta metoda okazała się niepraktyczna i po odkryciu tej reakcji cały kwas zaczął być otrzymywany przez fermentację.
Fermentacja masłowa
Przejdźmy do następnego typu. Ten rodzaj fermentacji zachodzi pod wpływem bakterii kwasu masłowego. Są szeroko rozpowszechnione, a proces, który powodują, odgrywa kluczową rolę w biologicznie ważnych cyklach. Za pomocą tych bakterii następuje rozkład martwych organizmów. Powstający podczas reakcji kwas masłowy swoim zapachem przyciąga padlinożerców.
Ten rodzaj fermentacji jest stosowany w przemyśle. Jak można się domyślić, dostają kwas masłowy. Jego estry są szeroko stosowane w perfumerii i mają przyjemny zapach, w przeciwieństwie do siebie. Jednak fermentacja masłowa nie zawsze jest korzystna. Może zepsuć warzywa, konserwy, mleko i inne produkty. Ale może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy do produktu dostały się bakterie kwasu masłowego.
Przeanalizujmy mechanizm działania masłowegofermentacja glukozy. Jego reakcja wygląda tak: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . W efekcie wytwarzana jest również energia, która zapewnia żywotną aktywność bakterii masłowych.
Fermentacja acetonowo-butylowa
Ten typ jest bardzo podobny do masłowego. W ten sposób może fermentować nie tylko glukoza, ale także glicerol i kwas pirogronowy. Proces ten można podzielić na dwa etapy: pierwszy (czasami nazywany kwaśnym) jest w rzeczywistości fermentacją masłową. Jednak oprócz kwasu masłowego uwalniany jest również kwas octowy. W wyniku fermentacji glukozy w ten sposób otrzymujemy produkty, które trafiają do drugiego etapu (acetonobutyl). Ponieważ cały ten proces zachodzi również pod wpływem bakterii, gdy pożywka jest zakwaszona (wzrost stężenia kwasów), specjalne enzymy są uwalniane przez bakterie. Indukują konwersję produktów fermentacji glukozy do n-butanolu (alkoholu butylowego) i acetonu. Ponadto może być wytwarzana pewna ilość etanolu.
Inne rodzaje fermentacji
Oprócz wymienionych pięciu typów tego procesu jest jeszcze kilka. Na przykład jest to fermentacja octowa. Występuje również pod wpływem wielu bakterii. Ten rodzaj fermentacji może być wykorzystywany do celów przydatnych podczas marynowania. Chroni żywność przed chorobotwórczymi i niebezpiecznymi bakteriami. Istnieje również fermentacja alkaliczna lub metanowa. W przeciwieństwie do poprzednich typów, ten typfermentację można przeprowadzić dla większości związków organicznych. W wyniku dużej liczby złożonych reakcji substancje organiczne rozkładają się na metan, wodór i dwutlenek węgla.
Rola biologiczna
Fermentacja to najstarszy sposób pozyskiwania energii przez żywe organizmy. Niektóre stworzenia wytwarzają substancje organiczne, po drodze otrzymując energię, podczas gdy inne niszczą te substancje, jednocześnie otrzymując energię. Na tym zbudowane jest całe nasze życie. A w każdym z nas fermentacja odbywa się w takiej czy innej formie. Jak wspomnieliśmy powyżej, fermentacja kwasu mlekowego zachodzi w mięśniach podczas intensywnego treningu.
Co jeszcze można przeczytać?
Jeśli interesuje Cię biochemia tego bardzo interesującego procesu, powinieneś zacząć od podręczników szkolnych z chemii i biologii. Wiele podręczników uniwersyteckich jest tak szczegółowych, że po ich przeczytaniu możesz stać się tylko ekspertem w tej dziedzinie.
Wniosek
Tu dochodzimy do końca. Przeanalizowaliśmy wszystkie rodzaje fermentacji glukozy oraz ogólne zasady tych procesów, które odgrywają bardzo ważną rolę zarówno w funkcjonowaniu organizmów żywych, jak iw naszej branży. Możliwe, że w przyszłości odkryjemy jeszcze kilka rodzajów tego starożytnego procesu i nauczymy się je wykorzystywać na naszą korzyść, tak jak robiliśmy to z tymi, które już znamy.
