Η ζύμωση γλυκόζης είναι μία από τις κύριες αντιδράσεις με τις οποίες είναι δυνατή η παρασκευή αλκοολούχων ποτών. Μπορεί να πραγματοποιηθεί με διαφορετικούς τρόπους, σε καθένα από τους οποίους σχηματίζονται μεμονωμένα προϊόντα. Αυτή η διαδικασία παίζει βασικό ρόλο σε πολλούς τομείς της ζωής μας, από το μαγείρεμα και την παρασκευή προϊόντων κρασιού και βότκας μέχρι τις αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο σώμα μας.
Ιστορία
Η διαδικασία της ζύμωσης της γλυκόζης και άλλων σακχάρων χρησιμοποιήθηκε από τους αρχαίους ανθρώπους. Έφαγαν ελαφρώς ζυμωμένη τροφή. Τέτοια τρόφιμα ήταν πιο ασφαλή, καθώς περιείχαν αλκοόλ, στο οποίο πέθαναν πολλά επιβλαβή βακτήρια. Στην αρχαία Αίγυπτο και τη Βαβυλώνα, οι άνθρωποι γνώριζαν ήδη πώς να ζυμώνουν πολλά ζαχαρούχα ποτά και γάλα. Όταν οι άνθρωποι στα τέλη του 18ου αιώνα κατάφεραν να μελετήσουν καλύτερα αυτή τη διαδικασία, τους τύπους και τις δυνατότητές της για βελτίωση, βιομηχανίες όπως το kvass, η ζυθοποιία και η οινοβότκα αναπτύχθηκαν πολύ ποιοτικά.
Τύποι ζύμωσης
Περίεργα, αλλά αυτή η διαδικασία είναι διαφορετική. Και υπάρχουν είδη ζύμωσης γλυκόζης από τελικά προϊόντα. Έτσι, υπάρχει γαλακτικό οξύ, αλκοόλη, κιτρικό οξύ, ακετόνη, βουτυρικό και αρκετά άλλα. Ας μιλήσουμε λίγο για κάθε είδοςχωριστά. Η ζύμωση γλυκόζης με γαλακτικό οξύ είναι η κύρια διαδικασία για την παρασκευή προϊόντων όπως γιαούρτι, ξινή κρέμα, κεφίρ, τυρί cottage. Χρησιμοποιείται επίσης για τη συντήρηση των λαχανικών και εκτελεί μια βασική λειτουργία στο σώμα μας: σε συνθήκες έλλειψης οξυγόνου, η γλυκόζη μετατρέπεται στο τελικό προϊόν - γαλακτικό οξύ, το οποίο προκαλεί μυϊκό πόνο κατά τη διάρκεια και μετά την προπόνηση.
Η αλκοολική ζύμωση είναι διαφορετική στο ότι η αιθυλική αλκοόλη σχηματίζεται ως τελικό προϊόν. Εμφανίζεται με τη βοήθεια μικροοργανισμών - μαγιάς. Και παίζει βασικό ρόλο στη μαγειρική, αφού εκτός από το κύριο προϊόν, απελευθερώνεται και διοξείδιο του άνθρακα κατά την αλκοολική ζύμωση της γλυκόζης (αυτό εξηγεί το μεγαλείο της ζύμης μαγιάς).
Η ζύμωση του κιτρικού οξέος συμβαίνει, όπως μπορείτε να μαντέψετε, με το σχηματισμό κιτρικού οξέος. Εμφανίζεται υπό την επίδραση ενός συγκεκριμένου τύπου μύκητα και αποτελεί μέρος του κύκλου του Krebs, ο οποίος εξασφαλίζει την αναπνοή όλων των κυττάρων του σώματός μας.
Η ζύμωση ακετόνης-βουτυλίου είναι πολύ παρόμοια με τη βουτυρική ζύμωση. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται βουτυρικό οξύ, βουτυλικές και αιθυλικές αλκοόλες, ακετόνη και διοξείδιο του άνθρακα. Η βουτυρική ζύμωση παράγει μόνο το ονομαζόμενο οξύ και διοξείδιο του άνθρακα.
Τώρα θα δούμε όλους τους τύπους με περισσότερες λεπτομέρειες, αλλά ας ξεκινήσουμε με την πιο βασική - την αλκοολική ζύμωση της γλυκόζης. Όλες οι αντιδράσεις και οι αποχρώσεις της πορείας τους θα αναλυθούν λεπτομερώς.
Ζύμωση οινοπνεύματος
Ας πούμε λίγα περισσότερα για τη ζύμωση της γλυκόζης, η εξίσωση της οποίας είναι:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Τι μπορεί να διδαχθεί από αυτή την αντίδραση; Έχουμε δύο προϊόντα: αιθυλική αλκοόλη και διοξείδιο του άνθρακα. Λόγω του τελευταίου παρατηρούμε το φούσκωμα της ζύμης της μαγιάς. Και λόγω του πρώτου, έχουμε την ευκαιρία να πάρουμε μια αξέχαστη γεύση από κρασί και ποτά κρασιού. Αλλά στην πραγματικότητα, αυτή είναι απλώς μια απλοποιημένη εξίσωση. Η πλήρης αντίδραση ζύμωσης γλυκόζης είναι πιο περίπλοκη, οπότε ας την αναλύσουμε λίγο.
Υπάρχει μια τέτοια διαδικασία όπως η γλυκόλυση. Κυριολεκτικά, το όνομά του μεταφράζεται ως «διάσπαση ζάχαρης». Εμφανίζεται στο σώμα και το υποπροϊόν του είναι το πυροσταφυλικό οξύ και το κύριο είναι η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), η οποία σχηματίζεται κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης από άλλη ένωση. Μπορούμε να πούμε ότι το ATP είναι ο φορέας ενέργειας στο σώμα, και στην πραγματικότητα, η γλυκόλυση χρησιμεύει για να παρέχει στο σώμα μας ενέργεια.
Αγγίσαμε αυτήν τη διαδικασία για έναν λόγο. Στην πραγματικότητα, η ζύμωση μοιάζει πολύ με τη γλυκόλυση, αφού το πρώτο στάδιο είναι ακριβώς το ίδιο για αυτούς. Μπορεί ακόμη να ειπωθεί ότι η αλκοολική ζύμωση της γλυκόζης είναι μια συνέχεια της γλυκόλυσης. Το πυροσταφυλικό (ιόν πυροσταφυλικού οξέος) που σχηματίζεται στην πορεία του τελευταίου μετατρέπεται σε ακεταλδεΰδη (CH3-C(O)H) με την απελευθέρωση διοξειδίου του άνθρακα ως παραπροϊόν. Μετά από αυτό, το προκύπτον προϊόν ανάγεται από το συνένζυμο NADH που περιέχεται στα βακτήρια. Η μείωση οδηγεί στον σχηματισμό αιθυλικής αλκοόλης.
Έτσι, η αντίδραση ζύμωσης της γλυκόζης σε αιθυλική αλκοόλη μοιάζει με αυτό:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
ΤοNADH χρησιμεύει ως καταλύτης για την αντίδραση και το ιόν NAD+παίζει βασικό ρόλο στο πρώιμο στάδιο της γλυκόλυσης και, που σχηματίζεται στο τέλος της αλκοολικής ζύμωσης, επιστρέφει στη διαδικασία.
Ας περάσουμε στον επόμενο τύπο αντίδρασης υπό μελέτη.
Ζύμωση γλυκόζης με γαλακτικό οξύ
Αυτό το είδος διαφέρει από το αλκοόλ στο ότι εμφανίζεται όχι υπό την επίδραση της μαγιάς, αλλά με τη βοήθεια βακτηρίων γαλακτικού οξέος. Επομένως, έχουμε εντελώς διαφορετικά προϊόντα. Η ζύμωση γαλακτικού οξέος συμβαίνει επίσης στους μύες μας όταν εργαζόμαστε σκληρά και έχουμε έλλειψη οξυγόνου.
Υπάρχουν δύο τύποι αυτής της διαδικασίας. Το πρώτο είναι η ομοζυμωτική ζύμωση. Αν έχετε ακούσει ποτέ το πρόθεμα «homo», τότε μάλλον καταλαβαίνετε τι σημαίνει. Η ομοζυμωτική ζύμωση είναι μια διαδικασία που περιλαμβάνει ένα μόνο ένζυμο. Στο πρώτο στάδιο, εμφανίζεται γλυκόλυση και σχηματίζεται πυροσταφυλικό οξύ. Στη συνέχεια, το πυροσταφυλικό που προκύπτει (σε διάλυμα αυτό το οξύ μπορεί να υπάρχει μόνο με τη μορφή ιόντων) υποβάλλεται σε υδρογόνωση χρησιμοποιώντας NADH+H και γαλακτική αφυδρογονάση. Ως αποτέλεσμα, το προϊόν αναγωγής είναι γαλακτικό οξύ, το οποίο αποτελεί περίπου το 90% όλων των προϊόντων που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Αυτή η ένωση, ωστόσο, μπορεί επίσης να σχηματιστεί με τη μορφή δύοδιαφορετικά ισομερή: D και L. Αυτοί οι τύποι διαφέρουν στο ότι είναι κατοπτρικά είδωλα το ένα του άλλου και, ως αποτέλεσμα, επηρεάζουν το σώμα μας με διαφορετικούς τρόπους. Ποιο ισομερές θα σχηματιστεί σε μεγαλύτερο βαθμό καθορίζει τη δομή της γαλακτικής αφυδρογονάσης.
Ας περάσουμε στον δεύτερο τύπο ζύμωσης γαλακτικού οξέος - ετεροζυμωτική. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει πολλά ένζυμα και ακολουθεί μια πιο περίπλοκη διαδρομή. Εξαιτίας αυτού, σχηματίζονται περισσότερα διαφορετικά προϊόντα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης: εκτός από το γαλακτικό οξύ, μπορούμε να βρούμε εκεί οξικό οξύ και αιθυλική αλκοόλη.
Έχουμε λοιπόν εξετάσει τη ζύμωση γαλακτικού οξέος. Αυτή είναι η διαδικασία με την οποία μπορούμε να απολαύσουμε τη γεύση του τυριού cottage, του πηγμένου γάλακτος, του γάλακτος που έχει υποστεί ζύμωση και του κεφίρ. Ας συνοψίσουμε και γράψουμε τη γενική αντίδραση της ζύμωσης της γλυκόζης με γαλακτικό οξύ: C6H12O6=2 C 3H6O3. Φυσικά, αυτό είναι ένα απλοποιημένο διάγραμμα της διαδικασίας της ομοζυμωτικής ζύμωσης, αφού ακόμη και το διάγραμμα μιας διαδικασίας ετεροζυμωτικής ζύμωσης θα είναι πολύ περίπλοκο. Οι χημικοί εξακολουθούν να μελετούν τη γαλακτική ζύμωση της γλυκόζης και να διασαφηνίζουν τους πλήρεις μηχανισμούς της, επομένως υπάρχει ακόμα περιθώριο βελτίωσης.
Ζύμωση κιτρικού οξέος
Αντιδράσεις αυτού του τύπου ζύμωσης συμβαίνουν, όπως και με το αλκοόλ, υπό τη δράση μανιταριών ενός συγκεκριμένου στελέχους. Ο πλήρης μηχανισμός αυτής της αντίδρασης δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητός και μπορούμε να βασιστούμε μόνο σε ορισμένες απλουστεύσεις. Ωστόσο, υπάρχουν προτάσεις ότι το αρχικό στάδιο της διαδικασίας είναι η γλυκόλυση. Στη συνέχεια το πυροσταφυλικό οξύ μετατρέπεται σεμετατρέπεται σε διάφορα οξέα και έρχεται σε κιτρικό. Λόγω αυτού του μηχανισμού, άλλα οξέα συσσωρεύονται στο μέσο αντίδρασης - προϊόντα ατελούς οξείδωσης της γλυκόζης.
Αυτή η διαδικασία συμβαίνει υπό την επίδραση του οξυγόνου και σε γενικές γραμμές μπορεί να γραφτεί ως η ακόλουθη εξίσωση: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Πριν ανακαλυφθεί αυτού του είδους η ζύμωση, οι άνθρωποι εξήγαγαν κιτρικό οξύ αποκλειστικά πιέζοντας τον καρπό του αντίστοιχου δέντρου. Ωστόσο, αυτό το οξύ δεν είναι περισσότερο από 15% στο λεμόνι, επομένως αυτή η μέθοδος αποδείχθηκε μη πρακτική και μετά την ανακάλυψη αυτής της αντίδρασης, όλο το οξύ άρχισε να λαμβάνεται με ζύμωση.
Βουτυρική ζύμωση
Ας περάσουμε στον επόμενο τύπο. Αυτός ο τύπος ζύμωσης συμβαίνει υπό τη δράση βακτηρίων βουτυρικού οξέος. Είναι ευρέως διαδεδομένα και η διαδικασία που προκαλούν παίζει βασικό ρόλο σε βιολογικά σημαντικούς κύκλους. Με τη βοήθεια αυτών των βακτηρίων γίνεται η αποσύνθεση νεκρών οργανισμών. Το βουτυρικό οξύ που σχηματίζεται κατά τις αντιδράσεις προσελκύει τους οδοκαθαριστές με τη μυρωδιά του.
Αυτός ο τύπος ζύμωσης χρησιμοποιείται στη βιομηχανία. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, παίρνουν βουτυρικό οξύ. Οι εστέρες του χρησιμοποιούνται ευρέως στην αρωματοποιία και έχουν ευχάριστη μυρωδιά, σε αντίθεση με τον ίδιο. Ωστόσο, η βουτυρική ζύμωση δεν είναι πάντα ευεργετική. Μπορεί να χαλάσει λαχανικά, κονσέρβες, γάλα και άλλα προϊόντα. Αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο εάν έχουν εισέλθει βακτήρια βουτυρικού οξέος στο προϊόν.
Ας αναλύσουμε τον μηχανισμό του βουτυρικούζύμωση γλυκόζης. Η αντίδρασή του μοιάζει με αυτό: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Ως αποτέλεσμα, παράγεται επίσης ενέργεια, η οποία διασφαλίζει τη ζωτική δραστηριότητα των βουτυρικών βακτηρίων.
Ζύμωση ακετόνης-βουτυλίου
Αυτός ο τύπος μοιάζει πολύ με το βουτυρικό. Όχι μόνο η γλυκόζη, αλλά και η γλυκερίνη και το πυροσταφυλικό οξύ μπορούν να ζυμωθούν με αυτόν τον τρόπο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια: το πρώτο (μερικές φορές ονομάζεται όξινο) είναι στην πραγματικότητα η βουτυρική ζύμωση. Εκτός όμως από το βουτυρικό οξύ, απελευθερώνεται και οξικό οξύ. Ως αποτέλεσμα της ζύμωσης της γλυκόζης με αυτόν τον τρόπο, παίρνουμε προϊόντα που περνούν στο δεύτερο στάδιο (ακετονοβουτύλιο). Δεδομένου ότι όλη αυτή η διαδικασία συμβαίνει και υπό τη δράση βακτηρίων, όταν το μέσο οξινίζεται (αύξηση της συγκέντρωσης των οξέων), απελευθερώνονται ειδικά ένζυμα από τα βακτήρια. Προκαλούν τη μετατροπή των προϊόντων ζύμωσης γλυκόζης σε n-βουτανόλη (βουτυλική αλκοόλη) και ακετόνη. Επιπλέον, μπορεί να παραχθεί λίγη αιθανόλη.
Άλλοι τύποι ζύμωσης
Εκτός από τους πέντε τύπους αυτής της διαδικασίας που αναφέρονται, υπάρχουν και αρκετοί ακόμη. Για παράδειγμα, αυτή είναι η οξική ζύμωση. Εμφανίζεται επίσης υπό τη δράση πολλών βακτηρίων. Αυτός ο τύπος ζύμωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χρήσιμους σκοπούς κατά το τουρσί. Προστατεύει τα τρόφιμα από παθογόνα και επικίνδυνα βακτήρια. Υπάρχουν επίσης αλκαλική ή μεθανική ζύμωση. Σε αντίθεση με τους προηγούμενους τύπους, αυτός ο τύποςΗ ζύμωση μπορεί να πραγματοποιηθεί για τις περισσότερες οργανικές ενώσεις. Ως αποτέλεσμα ενός μεγάλου αριθμού πολύπλοκων αντιδράσεων, οι οργανικές ουσίες διασπώνται σε μεθάνιο, υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα.
Βιολογικός ρόλος
Η ζύμωση είναι ο αρχαιότερος τρόπος απόκτησης ενέργειας από ζωντανούς οργανισμούς. Μερικά πλάσματα παράγουν οργανικές ουσίες, λαμβάνοντας ενέργεια στην πορεία, ενώ άλλα καταστρέφουν αυτές τις ουσίες, ενώ λαμβάνουν επίσης ενέργεια. Όλη μας η ζωή είναι χτισμένη πάνω σε αυτό. Και στον καθένα μας η ζύμωση γίνεται με τη μια ή την άλλη μορφή. Όπως είπαμε παραπάνω, η ζύμωση γαλακτικού οξέος συμβαίνει στους μύες κατά τη διάρκεια έντονης προπόνησης.
Τι άλλο να διαβάσω;
Αν ενδιαφέρεστε για τη βιοχημεία αυτής της πολύ ενδιαφέρουσας διαδικασίας, θα πρέπει να ξεκινήσετε με σχολικά εγχειρίδια στη χημεία και τη βιολογία. Πολλά πανεπιστημιακά εγχειρίδια είναι τόσο λεπτομερή που αφού τα διαβάσετε μπορείτε να γίνετε απλώς ειδικός σε αυτόν τον τομέα.
Συμπέρασμα
Εδώ φτάνουμε στο τέλος. Αναλύσαμε όλους τους τύπους ζύμωσης γλυκόζης και τις γενικές αρχές αυτών των διεργασιών, οι οποίες παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο τόσο στη λειτουργία των ζωντανών οργανισμών όσο και στον κλάδο μας. Είναι πιθανό στο μέλλον να ανακαλύψουμε αρκετούς ακόμη τύπους αυτής της αρχαίας διαδικασίας και να μάθουμε πώς να τους χρησιμοποιούμε προς όφελός μας, όπως κάναμε με αυτούς που είναι ήδη γνωστοί σε εμάς.
