Глюкозната ферментация е една от основните реакции, чрез които е възможно приготвянето на алкохолни напитки. Може да се осъществи по различни начини, при всеки от които се формират отделни продукти. Този процес играе ключова роля в много области от нашия живот, от готвене и приготвяне на продукти от вино и водка до реакциите, които протичат в тялото ни.
История
Процесът на ферментация на глюкоза и други захари е бил използван от древните хора. Те ядоха леко ферментирала храна. Такава храна била по-безопасна, тъй като съдържала алкохол, в който загинали много вредни бактерии. В древен Египет и Вавилон хората вече са знаели как да ферментират много сладки напитки и мляко. Когато хората в края на 18 век успяват да проучат по-добре този процес, неговите видове и възможности за усъвършенстване, такива индустрии като квас, пивоварство и винена водка нарастват много качествено.
Видове ферментация
Колкото и да е странно, но този процес е различен. И има видове глюкозна ферментация от крайни продукти. По този начин има млечна киселина, алкохол, лимонена киселина, ацетон, маслена киселина и няколко други. Нека поговорим малко за всеки видотделно. Млечнокиселата ферментация на глюкоза е основният процес при приготвянето на такива продукти като кисело мляко, заквасена сметана, кефир, извара. Използва се и за запазване на зеленчуците и изпълнява ключова функция в нашето тяло: в условия на недостиг на кислород глюкозата се превръща в крайния продукт – млечна киселина, която причинява мускулни болки по време и след тренировка.
Алкохолната ферментация е различна по това, че като краен продукт се образува етилов алкохол. Проявява се с помощта на микроорганизми - дрожди. И играе ключова роля в готвенето, тъй като освен основния продукт, при алкохолната ферментация на глюкозата се отделя въглероден диоксид (това обяснява великолепието на тестото с мая).
Ферментацията на лимонена киселина се случва, както може да се досетите, с образуването на лимонена киселина. Възниква под въздействието на определен вид гъбички и е част от цикъла на Кребс, който осигурява дишането на всички клетки в нашето тяло.
Ацетон-бутиловата ферментация е много подобна на маслената ферментация. В резултат на това се образуват маслена киселина, бутилов и етилов алкохол, ацетон и въглероден диоксид. Маслената ферментация произвежда само носещата името киселина и въглероден диоксид.
Сега ще разгледаме всички видове по-подробно, но нека започнем с най-основното - алкохолната ферментация на глюкоза. Всички реакции и нюансите на тяхното протичане ще бъдат анализирани подробно.
Алкохолна ферментация
Нека разкажем малко повече за ферментацията на глюкозата, чието уравнение е:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Какво може да се научи от тази реакция? Имаме два продукта: етилов алкохол и въглероден диоксид. Поради последното наблюдаваме подуване на тестото с мая. И благодарение на първото имаме възможност да се насладим на незабравим вкус на вино и винени напитки. Но всъщност това е просто опростено уравнение. Пълната реакция на ферментация на глюкоза е по-сложна, така че нека я разбием малко.
Има такъв процес като гликолиза. Буквално името му се превежда като „разделяне на захарта“. Той се среща в организма, а страничният му продукт е пирогроздена киселина, а основният е аденозин трифосфат (АТФ), който се образува при тази реакция от друго съединение. Можем да кажем, че АТФ е енергийният носител в тялото и всъщност гликолизата служи за осигуряване на тялото ни с енергия.
Засегнахме този процес с причина. Всъщност ферментацията е много подобна на гликолизата, тъй като първият етап е абсолютно същият за тях. Може дори да се каже, че алкохолната ферментация на глюкозата е продължение на гликолизата. Пируватът (йон на пирогроздена киселина), образуван в хода на последното, се превръща в ацеталдехид (CH3-C(O)H) с отделяне на въглероден диоксид като страничен продукт. След това полученият продукт се редуцира от съдържащия се в бактериите NADH коензим. Намаляването води до образуването на етилов алкохол.
По този начин реакцията на ферментация на глюкозата към етилов алкохол изглежда така:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH служи като катализатор за реакцията, а NAD йонът+играе ключова роля в ранния стадий на гликолизата и, образуван в края на алкохолната ферментация, връща се към процеса.
Нека преминем към следващия тип реакция, която се изследва.
Млечнокисела ферментация на глюкоза
Този вид се различава от алкохола по това, че възниква не под въздействието на дрожди, а с помощта на млечнокисели бактерии. Следователно имаме напълно различни продукти. Млечнокиселата ферментация се случва и в мускулите ни, когато работим усилено и липсва кислород.
Има два вида на този процес. Първата е хомоферментативната ферментация. Ако някога сте чували префикса "homo", тогава вероятно разбирате какво означава. Хомоферментативната ферментация е процес, включващ един ензим. На първия етап настъпва гликолиза и се образува пирогроздна киселина. След това полученият пируват (в разтвор тази киселина може да съществува само под формата на йони) се подлага на хидрогениране с помощта на NADH+H и лактат дехидрогеназа. В резултат на това редукционният продукт е млечна киселина, която съставлява около 90% от всички продукти, получени по време на реакцията. Това съединение обаче може да се образува и под формата на дверазлични изомери: D и L. Тези видове се различават по това, че са огледални образи един на друг и в резултат на това влияят на тялото ни по различни начини. Кой изомер ще се образува в по-голяма степен определя структурата на лактат дехидрогеназата.
Да преминем към втория вид млечнокисела ферментация - хетероферментативна. Този процес включва няколко ензима и следва по-сложен път. Поради това по време на реакцията се образуват повече различни продукти: освен млечна киселина, там можем да открием оцетна киселина и етилов алкохол.
И така, ние обмислихме млечнокисела ферментация. Това е процесът, чрез който можем да се насладим на вкуса на извара, подсирено мляко, ферментирало печено мляко и кефир. Нека обобщим и запишем общата реакция на млечнокиселата ферментация на глюкозата: C6H12O6=2 C 3H6O3. Разбира се, това е опростена диаграма на процеса на хомоферментативна ферментация, тъй като дори диаграмата на процеса на хетероферментативна ферментация ще бъде много сложна. Химиците все още изучават млечната ферментация на глюкозата и изясняват пълните й механизми, така че все още има място за подобрение.
Ферментация с лимонена киселина
Реакциите на този вид ферментация протичат, както при алкохола, под действието на гъби от определен щам. Пълният механизъм на тази реакция все още не е напълно разбран и можем да разчитаме само на някои опростявания. Има обаче предположения, че началният етап на процеса е гликолиза. След това пирогроздена киселина се превръща все превръща в различни киселини и се получава лимонена. Благодарение на този механизъм в реакционната среда се натрупват други киселини - продукти от непълно окисление на глюкозата.
Този процес протича под въздействието на кислород и най-общо може да се запише като следното уравнение: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Преди да бъде открит този вид ферментация, хората извличали лимонена киселина изключително чрез пресоване на плодовете на съответното дърво. Тази киселина обаче не е повече от 15% в лимона, така че този метод се оказа непрактичен и след откриването на тази реакция цялата киселина започна да се получава чрез ферментация.
Бутирна ферментация
Нека да преминем към следващия тип. Този вид ферментация протича под действието на масленокисели бактерии. Те са широко разпространени и процесът, който предизвикват, играе ключова роля в биологично важните цикли. С помощта на тези бактерии става разлагането на мъртвите организми. Маслената киселина, образувана по време на реакциите, привлича чистачи със своята миризма.
Този вид ферментация се използва в индустрията. Както може да се досетите, те получават маслена киселина. Неговите естери се използват широко в парфюмерията и имат приятна миризма, за разлика от него. Въпреки това, маслената ферментация не винаги е от полза. Може да развали зеленчуци, консерви, мляко и други продукти. Но това може да се случи само ако в продукта са влезли бактерии от маслена киселина.
Нека анализираме механизма на маслената киселинаферментация на глюкоза. Реакцията му изглежда така: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . В резултат на това се генерира и енергия, която осигурява жизнената активност на маслените бактерии.
Ацетон-бутилова ферментация
Този тип е много подобен на маслената. По този начин могат да ферментират не само глюкозата, но и глицеролът и пировиноградната киселина. Този процес може да бъде разделен на два етапа: първият (понякога наричан кисел) всъщност е маслена ферментация. Но освен маслена киселина се отделя и оцетна киселина. В резултат на глюкозната ферментация по този начин получаваме продукти, които преминават към втория етап (ацетонобутил). Тъй като целият този процес протича и под действието на бактерии, когато средата се подкисели (увеличаване на концентрацията на киселини), бактериите отделят специални ензими. Те предизвикват превръщането на продуктите на глюкозната ферментация в n-бутанол (бутилов алкохол) и ацетон. Освен това може да се произведе малко етанол.
Други видове ферментация
В допълнение към изброените пет вида на този процес, има още няколко. Например, това е оцетна ферментация. Появява се и под действието на много бактерии. Този вид ферментация може да се използва за полезни цели при мариноване. Предпазва храната от патогенни и опасни бактерии. Има и алкална или метанова ферментация. За разлика от предишните видове, този типферментацията може да се извърши за повечето органични съединения. В резултат на голям брой сложни реакции, органичните вещества се разделят на метан, водород и въглероден диоксид.
Биологична роля
Ферментацията е най-древният начин за получаване на енергия от живите организми. Някои същества произвеждат органични вещества, получавайки енергия по пътя, докато други унищожават тези вещества, като същевременно получават енергия. Целият ни живот е изграден върху това. И във всеки от нас ферментацията протича под една или друга форма. Както казахме по-горе, млечнокиселата ферментация се случва в мускулите по време на интензивна тренировка.
Какво още да четем?
Ако се интересувате от биохимията на този много интересен процес, трябва да започнете с учебниците по химия и биология. Много университетски учебници са толкова подробни, че след като ги прочетете, можете да станете просто експерт в тази област.
Заключение
Тук стигаме до края. Анализирахме всички видове глюкозна ферментация и общите принципи на тези процеси, които играят много важна роля както във функционирането на живите организми, така и в нашата индустрия. Възможно е в бъдеще да открием още няколко вида от този древен процес и да се научим как да ги използваме в своя полза, както направихме с вече познатите ни.
