Glukozna fermentacija je ena glavnih reakcij, s katerimi je možna priprava alkoholnih pijač. Izvaja se lahko na različne načine, na vsakem od katerih nastanejo posamezni izdelki. Ta proces igra ključno vlogo na številnih področjih našega življenja, od kuhanja in izdelave izdelkov iz vina in vodke do reakcij, ki se dogajajo v našem telesu.
Zgodovina
Proces fermentacije glukoze in drugih sladkorjev so uporabljali že stari ljudje. Jedli so rahlo fermentirano hrano. Takšna hrana je bila varnejša, saj je vsebovala alkohol, v katerem so pomrle številne škodljive bakterije. V starem Egiptu in Babilonu so ljudje že znali fermentirati številne sladke pijače in mleko. Ko so ljudje ob koncu 18. stoletja uspeli bolje preučiti ta proces, njegove vrste in možnosti za izboljšanje, so panoge, kot so kvas, pivovarstvo in vinska vodka, zelo kakovostno rasle.
Vrste fermentacije
Nenavadno, vendar je ta postopek drugačen. Obstajajo tudi vrste fermentacije glukoze s končnimi proizvodi. Tako obstajajo mlečna kislina, alkohol, citronska kislina, aceton, maslena in številni drugi. Pogovorimo se malo o vsaki vrstiločeno. Mlečnokislinska fermentacija glukoze je glavni proces pri pripravi izdelkov, kot so jogurt, kisla smetana, kefir, skuta. Uporablja se tudi za konzerviranje zelenjave in opravlja ključno funkcijo v našem telesu: v pogojih pomanjkanja kisika se glukoza pretvori v končni produkt – mlečno kislino, ki povzroča bolečine v mišicah med in po treningu.
Alkoholna fermentacija se razlikuje po tem, da nastane etilni alkohol kot končni produkt. Pojavlja se s pomočjo mikroorganizmov – kvasovk. In igra ključno vlogo pri kuhanju, saj se poleg glavnega proizvoda med alkoholno fermentacijo glukoze sprošča ogljikov dioksid (to pojasnjuje sijaj kvašenega testa).
fermentacija citronske kisline nastane, kot morda ugibate, s tvorbo citronske kisline. Pojavi se pod vplivom določene vrste gliv in je del Krebsovega cikla, ki zagotavlja dihanje vseh celic v našem telesu.
Aceton-butilna fermentacija je zelo podobna masleni fermentaciji. Posledično nastanejo maslena kislina, butilni in etilni alkoholi, aceton in ogljikov dioksid. Pri masleni fermentaciji nastaneta samo imenovana kislina in ogljikov dioksid.
Zdaj si bomo podrobneje ogledali vse vrste, a začnimo z najosnovnejšim - alkoholno fermentacijo glukoze. Vse reakcije in nianse njihovega poteka bodo podrobno analizirani.
Alkoholna fermentacija
Pa povejmo malo več o fermentaciji glukoze, katere enačba je:S6N12O6 =2S2N 5OH + 2CO2. Kaj se lahko naučimo iz te reakcije? Imamo dva izdelka: etilni alkohol in ogljikov dioksid. Zaradi slednjega opazimo nabrekanje kvašenega testa. In zaradi prvega imamo možnost nepozabnega okusa vina in vinskih napitkov. Toda v resnici je to le poenostavljena enačba. Celotna reakcija fermentacije glukoze je bolj zapletena, zato jo malo razčlenimo.
Obstaja takšen proces, kot je glikoliza. Dobesedno se njegovo ime prevaja kot "cepitev sladkorja". Pojavlja se v telesu, njen stranski produkt pa je piruvična kislina, glavni pa je adenozin trifosfat (ATP), ki nastane med to reakcijo iz druge spojine. Lahko rečemo, da je ATP nosilec energije v telesu, v resnici pa glikoliza služi za oskrbo našega telesa z energijo.
Tega postopka smo se dotaknili z razlogom. Pravzaprav je fermentacija zelo podobna glikolizi, saj je prva stopnja zanje popolnoma enaka. Lahko celo rečemo, da je alkoholna fermentacija glukoze nadaljevanje glikolize. Piruvat (ion piruvične kisline), ki nastane pri slednjem, se pretvori v acetaldehid (CH3-C(O)H) s sproščanjem ogljikovega dioksida kot stranskega produkta. Po tem se nastali produkt reducira s koencimom NADH, ki ga vsebujejo bakterije. Zmanjšanje vodi do tvorbe etilnega alkohola.
Tako je reakcija fermentacije glukoze v etilni alkohol videti takole:
1)C6H12O6=2 C3H4O3 + 4 H+
2) C3H4O3=CH3 -COH + CO2
3) CH3-COH + NADH + H+=C2H 5OH + NAD+
NADH služi kot katalizator reakcije, ion NAD+ima ključno vlogo v zgodnji fazi glikolize in nastane na koncu alkoholne fermentacije, vrne v proces.
Pojdimo na naslednjo vrsto reakcije, ki jo preučujemo.
mlečnokislinska fermentacija glukoze
Ta vrsta se od alkohola razlikuje po tem, da se ne pojavlja pod vplivom kvasovk, temveč s pomočjo mlečnokislinskih bakterij. Zato imamo popolnoma različne izdelke. Mlečnokislinska fermentacija se pojavi tudi v naših mišicah, ko trdo delamo in nimamo kisika.
Obstajata dve vrsti tega postopka. Prva je homofermentativna fermentacija. Če ste že kdaj slišali predpono "homo", potem verjetno razumete, kaj pomeni. Homofermentativna fermentacija je proces, ki vključuje en encim. Na prvi stopnji pride do glikolize in nastane piruvična kislina. Nato nastali piruvat (v raztopini lahko ta kislina obstaja le v obliki ionov) hidrogeniramo z uporabo NADH+H in laktat dehidrogenaze. Posledično je produkt redukcije mlečna kislina, ki predstavlja približno 90 % vseh produktov, pridobljenih med reakcijo. Ta spojina pa lahko nastane tudi v obliki dvehrazlični izomeri: D in L. Ti tipi se razlikujejo po tem, da so drug drugega zrcalne slike in posledično na različne načine vplivajo na naše telo. Kateri izomer bo nastal v večji meri določa strukturo laktat dehidrogenaze.
Pojdimo na drugo vrsto mlečnokislinske fermentacije – heterofermentativno. Ta proces vključuje več encimov in poteka po bolj zapleteni poti. Zaradi tega med reakcijo nastane več različnih produktov: poleg mlečne kisline lahko tam najdemo ocetno kislino in etilni alkohol.
Torej smo upoštevali mlečnokislinsko fermentacijo. To je postopek, s katerim lahko uživamo v okusu skute, kislega mleka, fermentiranega pečenega mleka in kefirja. Povzamemo in zapišemo splošno reakcijo mlečnokislinske fermentacije glukoze: C6H12O6=2 C 3H6O3. Seveda je to poenostavljen diagram procesa homofermentativne fermentacije, saj bo celo diagram procesa heterofermentacijske fermentacije zelo zapleten. Kemiki še vedno preučujejo mlečno fermentacijo glukoze in pojasnjujejo njene celotne mehanizme, tako da je še prostora za izboljšave.
fermentacija citronske kisline
Reakcije te vrste fermentacije nastanejo, tako kot pri alkoholu, pod delovanjem gob določenega seva. Celoten mehanizem te reakcije še ni popolnoma razumljen in se lahko zanesemo le na nekatere poenostavitve. Vendar pa obstajajo predlogi, da je začetna faza procesa glikoliza. Nato se pirovična kislina pretvori vse spremeni v različne kisline in pride do citronske. Zaradi tega mehanizma se v reakcijskem mediju kopičijo druge kisline - produkti nepopolne oksidacije glukoze.
Ta proces poteka pod vplivom kisika, na splošno pa ga lahko zapišemo kot naslednjo enačbo: 6 +3O2=2C 6N8O 7 + 4H2O. Preden so odkrili to vrsto fermentacije, so ljudje ekstrahirali citronsko kislino izključno s stiskanjem plodov ustreznega drevesa. Vendar te kisline v limoni ni več kot 15 %, zato se je ta metoda izkazala za nepraktično in po odkritju te reakcije so vso kislino začeli pridobivati s fermentacijo.
maslena fermentacija
Pojdimo na naslednjo vrsto. Ta vrsta fermentacije se pojavi pod delovanjem bakterij maslene kisline. So zelo razširjeni in proces, ki ga povzročajo, igra ključno vlogo v biološko pomembnih ciklih. S pomočjo teh bakterij pride do razgradnje odmrlih organizmov. Maslena kislina, ki nastane med reakcijami, s svojim vonjem pritegne mrhovine.
Ta vrsta fermentacije se uporablja v industriji. Kot lahko uganete, dobijo masleno kislino. Njegovi estri se pogosto uporabljajo v parfumeriji in imajo prijeten vonj, za razliko od njega samega. Vendar pa maslena fermentacija ni vedno koristna. Lahko pokvari zelenjavo, konzervirano hrano, mleko in druge izdelke. Toda to se lahko zgodi le, če so v izdelek vstopile bakterije maslene kisline.
Analizirajmo mehanizem maslene kislinefermentacija glukoze. Njegova reakcija je videti takole: C6H12O6 → CH3CH2CH2COOH + 2CO2↑ + 2H 2 . Posledično nastane tudi energija, ki zagotavlja vitalno aktivnost maslenih bakterij.
aceton-butilna fermentacija
Ta vrsta je zelo podobna masleni. Na ta način lahko fermentira ne samo glukoza, temveč tudi glicerol in pirovinska kislina. Ta proces lahko razdelimo na dve stopnji: prva (včasih imenovana kisla) je pravzaprav maslena fermentacija. Vendar se poleg maslene kisline sprošča tudi ocetna kislina. Kot rezultat fermentacije glukoze na ta način dobimo produkte, ki gredo v drugo stopnjo (acetonobutil). Ker celoten ta proces poteka tudi pod delovanjem bakterij, pri zakisanju medija (povečanje koncentracije kislin) bakterije sproščajo posebne encime. Inducirajo pretvorbo produktov fermentacije glukoze v n-butanol (butilni alkohol) in aceton. Poleg tega se lahko proizvede nekaj etanola.
Druge vrste fermentacije
Poleg petih naštetih vrst tega postopka obstaja še več. Na primer, to je ocetna fermentacija. Pojavi se tudi pod delovanjem številnih bakterij. To vrsto fermentacije lahko uporabimo za uporabne namene pri vlaganju. Ščiti hrano pred patogenimi in nevarnimi bakterijami. Obstajajo tudi alkalna ali metanska fermentacija. Za razliko od prejšnjih vrst, ta tipfermentacija se lahko izvede za večino organskih spojin. Zaradi velikega števila kompleksnih reakcij se organske snovi razcepijo na metan, vodik in ogljikov dioksid.
biološka vloga
Fermentacija je najstarejši način pridobivanja energije z živimi organizmi. Nekatera bitja proizvajajo organske snovi, ki na poti prejemajo energijo, druga pa te snovi uničujejo, hkrati pa prejemajo tudi energijo. Vse naše življenje je zgrajeno na tem. In v vsakem od nas poteka fermentacija v takšni ali drugačni obliki. Kot smo že povedali, se med intenzivnim treningom v mišicah pojavi mlečnokislinska fermentacija.
Kaj še brati?
Če vas zanima biokemija tega zelo zanimivega procesa, začnite s šolskimi učbeniki za kemijo in biologijo. Številni univerzitetni učbeniki so tako podrobni, da lahko po branju postanete le strokovnjak na tem področju.
Sklep
Tukaj smo pri koncu. Analizirali smo vse vrste fermentacije glukoze in splošna načela teh procesov, ki imajo zelo pomembno vlogo tako pri delovanju živih organizmov kot v naši industriji. Možno je, da bomo v prihodnosti odkrili še več vrst tega starodavnega procesa in se naučili, kako jih uporabiti v svojo korist, kot smo to storili s tistimi, ki so nam že znane.
