Glukozna fermentacija je jedna od glavnih reakcija kojom je moguća priprema alkoholnih pića. Može se izvesti na različite načine, na svakom od kojih se formiraju pojedinačni proizvodi. Ovaj proces igra ključnu ulogu u mnogim područjima našeg života, od kuhanja i proizvodnje proizvoda od vina i votke do reakcija koje se događaju u našem tijelu.
Povijest
Proces fermentacije glukoze i drugih šećera koristili su stari ljudi. Jeli su blago fermentiranu hranu. Takva je hrana bila sigurnija, jer je sadržavala alkohol, u kojem su umrle mnoge štetne bakterije. U starom Egiptu i Babilonu ljudi su već znali fermentirati mnoga slatka pića i mlijeko. Kada su ljudi krajem 18. stoljeća uspjeli bolje proučiti ovaj proces, njegove vrste i mogućnosti poboljšanja, industrije kao što su kvas, pivarstvo i vinska votka su vrlo kvalitativno rasle.
Vrste fermentacije
Čudno, ali ovaj proces je drugačiji. A postoje i vrste fermentacije glukoze krajnjim proizvodima. Dakle, postoji mliječna kiselina, alkohol, limunska kiselina, aceton, maslačna kiselina i nekoliko drugih. Razgovarajmo malo o svakoj vrstiodvojeno. Mliječno kisela fermentacija glukoze glavni je proces u pripremi takvih proizvoda kao što su jogurt, kiselo vrhnje, kefir, svježi sir. Koristi se i za očuvanje povrća i obavlja ključnu funkciju u našem tijelu: u uvjetima nedostatka kisika, glukoza se pretvara u konačni produkt - mliječnu kiselinu, koja uzrokuje bolove u mišićima tijekom i nakon treninga.
Alkoholna fermentacija se razlikuje po tome što nastaje etilni alkohol kao konačni proizvod. Javlja se uz pomoć mikroorganizama – kvasca. I igra ključnu ulogu u kuhanju, budući da se osim glavnog proizvoda, tijekom alkoholne fermentacije glukoze oslobađa ugljični dioksid (ovo objašnjava raskoš tijesta s kvascem).
Vrenje limunske kiseline događa se, kao što možete pretpostaviti, stvaranjem limunske kiseline. Nastaje pod utjecajem određene vrste gljivica i dio je Krebsovog ciklusa, koji osigurava disanje svih stanica u našem tijelu.
Aceton-butilna fermentacija vrlo je slična maslačnoj fermentaciji. Kao rezultat, nastaju maslačna kiselina, butilni i etilni alkoholi, aceton i ugljični dioksid. Maslačna fermentacija proizvodi samo kiselinu koja nosi ime i ugljični dioksid.
Sada ćemo detaljnije pogledati sve vrste, ali počnimo s najosnovnijim - alkoholnom fermentacijom glukoze. Sve reakcije i nijanse njihovog tijeka bit će detaljno analizirane.
Alkoholna fermentacija
Recimo nešto više o fermentaciji glukoze, čija je jednadžba:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Što se može naučiti iz ove reakcije? Imamo dva proizvoda: etilni alkohol i ugljični dioksid. Zbog potonjeg promatramo bubrenje tijesta s kvascem. A zahvaljujući prvom, imamo priliku dobiti nezaboravan okus vina i vinskih napitaka. Ali u stvari, ovo je samo pojednostavljena jednadžba. Potpuna reakcija fermentacije glukoze je kompliciranija, pa ćemo je malo razložiti.
Postoji takav proces kao što je glikoliza. Doslovno, njegovo ime se prevodi kao "cijepanje šećera". Javlja se u tijelu, a nusprodukt mu je pirogrožđana kiselina, a glavni je adenozin trifosfat (ATP) koji nastaje tijekom ove reakcije iz drugog spoja. Možemo reći da je ATP nositelj energije u tijelu, a zapravo glikoliza služi za opskrbu našeg tijela energijom.
Dotakli smo se ovog procesa s razlogom. Zapravo, fermentacija je vrlo slična glikolizi, budući da je prva faza za njih potpuno ista. Može se čak reći da je alkoholna fermentacija glukoze nastavak glikolize. Piruvat (ion pirogrožđane kiseline) koji nastaje tijekom potonjeg pretvara se u acetaldehid (CH3-C(O)H) uz oslobađanje ugljičnog dioksida kao nusproizvoda. Nakon toga, dobiveni produkt reducira se NADH koenzimom sadržanim u bakterijama. Redukcija dovodi do stvaranja etilnog alkohola.
Dakle, reakcija fermentacije glukoze u etilni alkohol izgleda ovako:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH služi kao katalizator reakcije, a NAD ion+igra ključnu ulogu u ranoj fazi glikolize, a formiran na kraju alkoholne fermentacije, vraća se u proces.
Pređimo na sljedeću vrstu reakcije koja se proučava.
mliječno-kiselinska fermentacija glukoze
Ova se vrsta razlikuje od alkohola po tome što nastaje ne pod utjecajem kvasca, već uz pomoć bakterija mliječne kiseline. Stoga imamo potpuno različite proizvode. Fermentacija mliječne kiseline također se događa u našim mišićima kada naporno radimo i nedostaje kisik.
Postoje dvije vrste ovog procesa. Prva je homofermentativna fermentacija. Ako ste ikada čuli prefiks "homo", onda vjerojatno razumijete što to znači. Homofermentativna fermentacija je proces koji uključuje jedan enzim. U prvoj fazi dolazi do glikolize i stvaranja pirogrožđane kiseline. Zatim se dobiveni piruvat (u otopini ova kiselina može postojati samo u obliku iona) podvrgava hidrogenaciji pomoću NADH+H i laktat dehidrogenaze. Kao rezultat toga, produkt redukcije je mliječna kiselina, koja čini oko 90% svih proizvoda dobivenih tijekom reakcije. Ovaj spoj, međutim, može se formirati i u obliku dvarazličiti izomeri: D i L. Ovi se tipovi razlikuju po tome što su međusobno zrcalne slike i, kao rezultat, utječu na naše tijelo na različite načine. Koji će izomer nastati u većoj mjeri određuje strukturu laktat dehidrogenaze.
Pređimo na drugu vrstu mliječno-kiselinske fermentacije – heterofermentativnu. Ovaj proces uključuje nekoliko enzima i slijedi složeniji put. Zbog toga tijekom reakcije nastaje više različitih proizvoda: osim mliječne kiseline, tu možemo pronaći octenu kiselinu i etilni alkohol.
Dakle, razmotrili smo fermentaciju mliječne kiseline. To je proces kojim možemo uživati u okusu svježeg sira, skute, fermentiranog pečenog mlijeka i kefira. Sumirajmo i zapišimo opću reakciju mliječno-kiselinske fermentacije glukoze: C6H12O6=2 C 3H6O3. Naravno, radi se o pojednostavljenom dijagramu procesa homofermentativne fermentacije, budući da će i dijagram procesa heterofermentativne fermentacije biti vrlo složen. Kemičari još uvijek proučavaju mliječnu fermentaciju glukoze i razjašnjavaju njezine potpune mehanizme, tako da još ima mjesta za poboljšanje.
fermentacija limunskom kiselinom
Reakcije ove vrste fermentacije nastaju, kao i kod alkohola, pod djelovanjem gljiva određenog soja. Potpuni mehanizam ove reakcije još nije u potpunosti shvaćen i možemo se osloniti samo na neka pojednostavljenja. Međutim, postoje sugestije da je početna faza procesa glikoliza. Zatim se pirogrožđana kiselina pretvara uprelazi u razne kiseline i dolazi do limunske. Zbog ovog mehanizma u reakcijskom mediju se nakupljaju druge kiseline - produkti nepotpune oksidacije glukoze.
Ovaj proces se odvija pod utjecajem kisika, a općenito se može zapisati kao sljedeća jednadžba: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Prije nego što je ova vrsta fermentacije otkrivena, ljudi su limunsku kiselinu ekstrahirali isključivo prešanjem ploda odgovarajućeg stabla. Međutim, ove kiseline u limunu nema više od 15% pa se ova metoda pokazala nepraktičnom, a nakon otkrića ove reakcije sva se kiselina počela dobivati fermentacijom.
Butirna fermentacija
Pređimo na sljedeću vrstu. Ova vrsta fermentacije nastaje pod djelovanjem bakterija maslačne kiseline. Raširene su, a proces koji uzrokuju igra ključnu ulogu u biološki važnim ciklusima. Uz pomoć ovih bakterija dolazi do razgradnje mrtvih organizama. Maslačna kiselina nastala tijekom reakcija svojim mirisom privlači čistače.
Ova vrsta fermentacije se koristi u industriji. Kao što možete pretpostaviti, dobivaju maslačnu kiselinu. Njegovi esteri imaju široku primjenu u parfumeriji i imaju ugodan miris, za razliku od sebe. Međutim, maslačna fermentacija nije uvijek korisna. Može pokvariti povrće, konzerviranu hranu, mlijeko i druge proizvode. Ali to se može dogoditi samo ako su bakterije maslačne kiseline ušle u proizvod.
Analizirajmo mehanizam maslačne kiselinefermentacija glukoze. Njegova reakcija izgleda ovako: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Kao rezultat, također se stvara energija koja osigurava vitalnu aktivnost maslačnih bakterija.
Aceton-butilna fermentacija
Ova vrsta je vrlo slična maslačnoj. Na taj način može fermentirati ne samo glukoza, već i glicerol i pirogrožđana kiselina. Ovaj se proces može podijeliti u dvije faze: prva (ponekad se naziva kisela) je zapravo maslačna fermentacija. No, osim maslačne kiseline, oslobađa se i octena kiselina. Kao rezultat fermentacije glukoze na ovaj način dobivamo proizvode koji idu u drugu fazu (acetonobutil). Budući da se cijeli ovaj proces odvija i pod djelovanjem bakterija, kada se medij zakiseli (povećanje koncentracije kiselina), bakterije oslobađaju posebne enzime. Oni induciraju pretvorbu produkata fermentacije glukoze u n-butanol (butil alkohol) i aceton. Osim toga, može se proizvesti nešto etanola.
Druge vrste fermentacije
Osim navedenih pet vrsta ovog procesa, postoji još nekoliko. Na primjer, ovo je octena fermentacija. Javlja se i pod djelovanjem mnogih bakterija. Ova vrsta fermentacije može se koristiti u korisne svrhe prilikom kiseljenja. Štiti hranu od patogenih i opasnih bakterija. Postoje i alkalna ili metanska fermentacija. Za razliku od prethodnih vrsta, ovaj tipfermentacija se može provesti za većinu organskih spojeva. Kao rezultat velikog broja složenih reakcija, organske tvari se dijele na metan, vodik i ugljični dioksid.
Biološka uloga
Fermentacija je najstariji način dobivanja energije živim organizmima. Neka bića proizvode organske tvari, primajući energiju usput, dok druga uništavaju te tvari, a primaju i energiju. Na tome je izgrađen cijeli naš život. I u svakom od nas fermentacija se odvija u ovom ili onom obliku. Kao što smo već rekli, fermentacija mliječne kiseline događa se u mišićima tijekom intenzivnog treninga.
Što još čitati?
Ako vas zanima biokemija ovog vrlo zanimljivog procesa, trebali biste početi sa školskim udžbenicima iz kemije i biologije. Mnogi sveučilišni udžbenici su toliko detaljni da nakon što ih pročitate možete postati samo stručnjak u ovom području.
Zaključak
Evo dolazimo do kraja. Analizirali smo sve vrste fermentacije glukoze i opća načela tih procesa koji imaju vrlo važnu ulogu kako u funkcioniranju živih organizama tako i u našoj industriji. Moguće je da ćemo u budućnosti otkriti još nekoliko vrsta ovog drevnog procesa i naučiti ih koristiti u svoju korist, kao što smo to učinili s onima koji su nam već poznati.
