A glükóz fermentáció az egyik fő reakció, amellyel alkoholos italok készítése lehetséges. Különböző módon hajtható végre, amelyek mindegyikében egyedi termékek jönnek létre. Ez a folyamat életünk számos területén kulcsszerepet játszik, a főzéstől, a bor- és vodkatermékek készítésétől a szervezetünkben lezajló reakciókig.
Előzmények
A glükóz és más cukrok fermentációs folyamatát az ókori emberek használták. Enyhén fermentált ételeket ettek. Az ilyen élelmiszerek biztonságosabbak voltak, mivel alkoholt tartalmaztak, amiben sok káros baktérium elpusztult. Az ókori Egyiptomban és Babilonban az emberek már tudták, hogyan kell erjeszteni sok cukros it alt és tejet. Amikor a 18. század végén az embereknek sikerült jobban tanulmányozniuk ezt a folyamatot, annak típusait és fejlesztési lehetőségeit, az olyan iparágak, mint a kvas, a sörfőzés és a bor-vodka, nagyon minőségi fejlődésnek indultak.
Erjedési típusok
Furcsa módon, de ez a folyamat más. A végtermékek által végzett glükóz fermentációnak is vannak fajtái. Így van tejsav, alkohol, citromsav, aceton, vajsav és még sokan mások. Beszéljünk egy kicsit az egyes típusokrólkülön. A glükóz tejsavas fermentációja a fő folyamat olyan termékek előállításánál, mint a joghurt, tejföl, kefir, túró. Zöldségek tartósítására is használják, és kulcsfontosságú funkciót tölt be szervezetünkben: oxigénhiányos körülmények között a glükóz a végtermékké - tejsavvá - alakul, ami izomfájdalmat okoz edzés közben és után.
Az alkoholos erjesztés abban különbözik, hogy végtermékként etil-alkohol képződik. Mikroorganizmusok – élesztő – segítségével fordul elő. A főzésben pedig kulcsszerepet játszik, hiszen a glükóz alkoholos erjesztése során a fő termék mellett szén-dioxid is szabadul fel (ez magyarázza az élesztős tészta pompáját).
A citromsavas erjedés, ahogy sejthető, citromsav képződésével megy végbe. Egy bizonyos típusú gomba hatására fordul elő, és a Krebs-ciklus része, amely biztosítja testünk összes sejtjének légzését.
Az aceton-butil fermentáció nagyon hasonlít a vajsavas fermentációhoz. Ennek eredményeként vajsav, butil- és etil-alkoholok, aceton és szén-dioxid képződik. A vajsavas erjesztés során csak a névadó sav és szén-dioxid keletkezik.
Most minden típust részletesebben megvizsgálunk, de kezdjük a legalapvetőbbvel - a glükóz alkoholos erjesztésével. Minden reakciót és lefolyásuk árnyalatait részletesen elemezzük.
Alkoholerjesztés
Mondjunk még egy kicsit a glükóz fermentációjáról, melynek egyenlete:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Mit lehet tanulni ebből a reakcióból? Két termékünk van: etil-alkohol és szén-dioxid. Ez utóbbi miatt az élesztőtészta duzzadását figyeljük meg. Az elsőnek köszönhetően pedig lehetőségünk van egy felejthetetlen bor és boros ital ízére. De valójában ez csak egy leegyszerűsített egyenlet. A teljes glükóz fermentációs reakció bonyolultabb, ezért bontsuk egy kicsit.
Létezik olyan folyamat, mint a glikolízis. Szó szerint a nevének fordítása "cukor felosztása". A szervezetben előfordul, mellékterméke a piroszőlősav, a fő pedig az adenozin-trifoszfát (ATP), amely e reakció során képződik egy másik vegyületből. Elmondhatjuk, hogy az ATP a szervezet energiahordozója, és valójában a glikolízis arra szolgál, hogy a szervezetünket energiával látja el.
Okkal érintettük ezt a folyamatot. Valójában az erjesztés nagyon hasonlít a glikolízishez, mivel az első szakasz pontosan ugyanaz számukra. Akár azt is mondhatjuk, hogy a glükóz alkoholos fermentációja a glikolízis folytatása. Ez utóbbi során keletkező piruvát (piruvétsavion) acetaldehiddé (CH3-C(O)H) alakul, melléktermékként szén-dioxid felszabadulásával. Ezt követően a kapott terméket a baktériumokban lévő NADH koenzim redukálja. A redukció etil-alkohol képződéséhez vezet.
Így a glükóz etil-alkohollá való fermentációs reakciója így néz ki:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
ANADH a reakció katalizátoraként szolgál, és a NAD ion+kulcsszerepet játszik a glikolízis korai szakaszában, és az alkoholos erjedés végén képződik, visszatér a folyamathoz.
Térjünk át a következő vizsgált reakciótípusra.
A glükóz tejsavas fermentációja
Ez a faj abban különbözik az alkoholtól, hogy nem élesztő hatása alatt, hanem tejsavbaktériumok segítségével fordul elő. Ezért teljesen más termékeink vannak. A tejsavas erjedés az izmainkban is megtörténik, ha keményen dolgozunk és oxigénhiányban vagyunk.
Ennek a folyamatnak két típusa van. Az első a homofermentatív fermentáció. Ha valaha is hallotta a „homo” előtagot, akkor valószínűleg megérti, mit jelent. A homofermentatív fermentáció egyetlen enzim részvételével zajló folyamat. Az első szakaszban glikolízis megy végbe, és piroszőlősav képződik. Ezután a keletkező piruvátot (oldatban ez a sav csak ionok formájában létezhet) NADH+H és laktát-dehidrogenáz segítségével hidrogénezzük. Ennek eredményeként a redukciós termék tejsav, amely a reakció során nyert összes termék körülbelül 90%-át teszi ki. Ez a vegyület azonban két alakban is előállíthatókülönböző izomerek: D és L. Ezek a típusok abban különböznek egymástól, hogy egymás tükörképei, és ennek eredményeként különböző módon hatnak szervezetünkre. Az, hogy melyik izomer képződik nagyobb mértékben, meghatározza a laktát-dehidrogenáz szerkezetét.
Térjünk át a tejsavas fermentáció második típusára - a heterofermentatívra. Ez a folyamat több enzimet foglal magában, és bonyolultabb utat követ. Emiatt a reakció során többféle termék keletkezik: a tejsav mellett ecetsavat és etil-alkoholt is találhatunk ott.
Tehát figyelembe vettük a tejsavas erjesztést. Ezzel a folyamattal élvezhetjük a túró, aludttej, az erjesztett sült tej és a kefir ízét. Foglaljuk össze és írjuk fel a glükóz tejsavas fermentációjának általános reakcióját: C6H12O6=2 C 3H6O3. Természetesen ez a homofermentatív fermentáció folyamatának leegyszerűsített diagramja, mivel még a heterofermentatív fermentációs folyamat diagramja is nagyon összetett lesz. A kémikusok még mindig tanulmányozzák a glükóz tejsavas fermentációját, és tisztázzák annak teljes mechanizmusát, így van még mit javítani.
Citromsavas erjesztés
Az ilyen típusú erjedés reakciói, akárcsak az alkohol esetében, bizonyos gombafajták hatására lépnek fel. Ennek a reakciónak a teljes mechanizmusa még nem teljesen ismert, és csak néhány egyszerűsítésre hagyatkozhatunk. Vannak azonban olyan javaslatok, amelyek szerint a folyamat kezdeti szakasza a glikolízis. Ezután a piroszőlősav átalakulkülönféle savakká alakul és citromsavvá válik. Ennek a mechanizmusnak köszönhetően a reakcióközegben más savak is felhalmozódnak – a glükóz nem teljes oxidációjának termékei.
Ez a folyamat oxigén hatására megy végbe, és általánosságban a következő egyenletként írható fel: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Mielőtt az erjedésnek ezt a fajtáját felfedezték volna, az emberek kizárólag a megfelelő fa gyümölcsének préselésével vonták ki a citromsavat. Ez a sav azonban nem több, mint 15% a citromban, ezért ez a módszer nem bizonyult praktikusnak, és a reakció felfedezése után az összes savat fermentációval kezdték nyerni.
Vajas erjesztés
Térjünk át a következő típusra. Ez a fajta fermentáció vajsavbaktériumok hatására megy végbe. Széles körben elterjedtek, és az általuk okozott folyamat kulcsszerepet játszik a biológiailag fontos ciklusokban. Ezeknek a baktériumoknak a segítségével megtörténik az elh alt szervezetek lebomlása. A reakciók során képződő vajsav szagával vonzza a szennyezőket.
Az ilyen típusú fermentációt az iparban használják. Ahogy sejtheti, vajsavat kapnak. Észtereit széles körben használják az illatszerekben, és saját magával ellentétben kellemes illatúak. A vajsavas erjesztés azonban nem mindig előnyös. Elronthatja a zöldségeket, konzerveket, tejet és egyéb termékeket. De ez csak akkor fordulhat elő, ha vajsavbaktériumok kerültek a termékbe.
Elemezzük a vajsav mechanizmusáta glükóz fermentációja. A reakciója így néz ki: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Ennek eredményeként energia is keletkezik, amely biztosítja a vajbaktériumok létfontosságú tevékenységét.
Aceton-butil fermentáció
Ez a típus nagyon hasonlít a vajsavhoz. Nemcsak a glükóz, hanem a glicerin és a piroszőlősav is erjedhet így. Ez a folyamat két szakaszra osztható: az első (néha savasnak is nevezik) valójában a vajsavas erjesztés. A vajsav mellett azonban ecetsav is felszabadul. Az ilyen módon végzett glükóz fermentáció eredményeként olyan termékeket kapunk, amelyek a második szakaszba kerülnek (acetonobutil). Mivel ez az egész folyamat a baktériumok hatására is lezajlik, a közeg savanyításakor (a savak koncentrációjának növekedése) speciális enzimek szabadulnak fel a baktériumok által. Indukálják a glükóz fermentációs termékeinek n-butanollá (butil-alkohol) és acetonná történő átalakulását. Ezenkívül némi etanol képződhet.
Egyéb fermentációs típusok
A folyamat felsorolt öt típusán kívül számos további típus is létezik. Ez például az ecetsavas erjesztés. Számos baktérium hatására is előfordul. Ez a fajta fermentáció hasznos célokra használható pácoláskor. Megvédi az élelmiszereket a patogén és veszélyes baktériumoktól. Lúgos vagy metános fermentáció is létezik. Az előző típusoktól eltérően ez a típusfermentáció a legtöbb szerves vegyület esetében elvégezhető. Számos összetett reakció eredményeként a szerves anyagok metánra, hidrogénre és szén-dioxidra bomlanak.
Biológiai szerep
Az erjesztés az élő szervezetek energiaszerzésének legősibb módja. Egyes lények szerves anyagokat termelnek, útközben energiát kapnak, míg mások elpusztítják ezeket az anyagokat, miközben energiát is kapnak. Az egész életünk erre épül. És mindegyikünkben az erjedés ilyen vagy olyan formában megy végbe. Ahogy fentebb említettük, az intenzív edzés során tejsavas erjedés megy végbe az izmokban.
Mit érdemes még olvasni?
Ha érdekli ennek a nagyon érdekes folyamatnak a biokémiája, kezdje a kémia és biológia iskolai tankönyveivel. Sok egyetemi tankönyv olyan részletes, hogy elolvasása után csak szakértővé válhat ezen a területen.
Következtetés
Elérkeztünk a végéhez. Elemeztük a glükóz fermentáció minden típusát és ezen folyamatok általános elveit, amelyek mind az élő szervezetek működésében, mind az iparban nagyon fontos szerepet töltenek be. Lehetséges, hogy a jövőben ennek az ősi folyamatnak több fajtáját is felfedezzük majd, és megtanuljuk, hogyan hasznosítsuk őket a javunkra, ahogyan azt az általunk már ismertekkel is tettük.
